Эколого-физиологические механизмы адаптации и типы стратегии растений верховых болот (в пределах ханты-мансийского автономного округа)
На правах рукописи
Юмагулова Эльвира Рамилевна ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ И ТИПЫ СТРАТЕГИИ РАСТЕНИЙ ВЕРХОВЫХ БОЛОТ (в пределах Ханты-Мансийского автономного округа) Специальность 03.00.16 – экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
УФА – 2007 2
Работа выполнена в лаборатории кафедры экологии и естествознания Нижневартовского Государственного Гуманитарного университета
Научный консультант: кандидат биологических наук, доцент Иванова Нина Александровна
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Усманов Искандер Юсуфович доктор биологических наук, профессор Миркин Борис Михайлович
Ведущая организация: Институт биохимии и биофизики Казанского научного центра Российской академии наук
Защита состоится «28» сентября 2007 года в 14.00 часов на заседании Регионального диссертационного совета КМ 002.136.01 при Институте биологии Уфимского научного центра Российской академии наук по адресу:
450054, г. Уфа, Проспект Октября, д. 69, тел./факс 8 (347) 235-53-62, Е-mail:
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биологии УНЦ РАН и на официальном сайте http://www.anrb.ru/inbio/dissovet/index.htm
Автореферат разослан «28» августа 2007 г.
Ученый секретарь Регионального диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент Уразгильдин Р.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Под влиянием глобальных климатических факторов и локальных воздействий на экосистемы происходит ухудшение общего экологического состояния биосферы, нарушение естественного круговорота и баланса углерода, смена растительности (Моисеев и др., 2004;
Мао и др., 2005;
Еремченко, Лымарь, 2007).
Одной из важных проблем современной физиологии и экологии растений, ботаники, является изучение функциональных свойств и путей биохимического синтеза определяющих жизненную стратегию растений. В этом плане весьма интересной и слабо изученной остается флора болот.
Растущие верховые болота - это уникальные экосистемы биосферы постоянного стока атмосферного углерода, накапливаемого в виде торфа, обладающие одним из главных углеродных пулов биосферы (Вомперский, 1994;
Нифонтова, Маковский, 1995;
Ефремова и др., 1997;
Лисс и др., 2001;
Инишева, Головацкая, 2002).
Свойства болотных экосистем в значительной степени определяются видовым разнообразием растений, занимающих разные экологические ниши (Woodward, 1996;
Chapin et al., 1996;
Лапшина, 2003). В связи с этим прогноз изменения растительных сообществ болот должен быть основан на детальном исследовании их видового разнообразия. Для решения этой задачи в экологии растений выделяют функциональные типы растений (ФТР) - надвидовые группы, сходным образом реагирующие на изменение условий среды обитания.
В настоящее время единой концепции для выделения ФТР не существует.
Первоначально они были выделены Л.Г. Раменским (1935, 1938), как «ценобиотические типы», а позднее Дж. Граймом (Grime, 1977, 1979;
Grime et al., 1988) как экологические стратегии (ЭС), основанные на относительной скорости роста (RGR) и морфологических индексах. Переоткрытие типов стратегий Раменского Граймом было один к одному (Миркин, Наумова, 2005), что дало основание именовать систему стратегий растений системой Раменского-Грайма и использовать названия первичных стратегий: С – конкурент, S - стресс-толерант, R - рудерал. ЭС - это наиболее общие способы выживания растений в сообществах и экосистемах (Усманов и др., 2001).
Комплексное исследование структуры биомассы, физиологических и биохимических особенностей позволит глубже понять механизмы, лежащие в основе реализации разных типов адаптивных стратегий растений верховых болот и прогнозировать поведение растительности в условиях изменяющегося климата.
Цель работы – изучение особенностей структуры биомассы, физиологических и биохимических механизмов, отвечающих за реализацию того или иного типа ЭС у растений верховых болот бореальной зоны Среднего Приобья.
Задачи исследования:
1. Изучить структуру биомассы болотных растений относящихся к разным типам экологических стратегий.
2. Определить особенности водного обмена, фотосинтеза, синтеза пигментов и дыхания у растений верховых болот с разной степенью выраженности типов стратегии.
3. Выявить биохимические особенности синтеза основных групп органических соединений участвующих в реализации стратегии болотных растений.
4. Провести идентификацию типов экологических стратегий на основе морфологических и биохимических признаков.
Научная новизна. Впервые проведено исследование структуры биомассы, функциональных и биохимических особенностей листьев 12 видов растений верховых болот Среднего Приобья, выявлены количественные особенности структуры биомассы у растений с разной степенью выраженности адаптивных типов экологических стратегий;
определены функциональные особенности водного обмена, фотосинтеза, дыхания и их корреляция с типом стратегии;
изучены особенности образования пигментов и основных органических соединений в листьях связанных с углеродным, азотным и минеральным обменом растений проанализированы закономерности количественного соотношения данных соединений с типом адаптивной стратегии.
Практическая значимость. Результаты диссертационной работы существенно расширяют представления о механизмах лежащих в основе реализации разных типов адаптивных стратегий растений верховых болот, что позволит прогнозировать поведение растительности в условиях изменяющегося климата. Изучение эколого-физиологических особенностей растений верховых болот представляет не только научный интерес, но и имеет большое практическое значение для решения задач мониторинга болотных экосистем.
Данные диссертационной работы могут быть использованы при чтении курсов лекций по физиологии, биохимии и экологии растений, болотоведению в вузах на кафедрах соответствующего профиля.
Личный вклад автора состоит в разработке программы исследования, сборе и обработке фактического материала, его анализе, проведении лабораторных и полевых исследований, формировании научных положений и выводов, написании текста.
Обоснованность выводов и достоверность результатов работы обеспечены значительным объемом фактического материала, шестилетними лабораторными и полевыми экспериментами с применением современных методов исследований и подтверждением их результатами математической статистики.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Растения верховых болот бореальной зоны Среднего Приобья с разной степенью выраженности типов экологической стратегии достоверно различаются по параметрам - структуры биомассы, физиологическим показателям и биохимическому составу.
2. Функциональные показатели растений: интенсивность транспирации, фотосинтеза, дыхания имеют низкие и средние значения, что является необходимым условием адаптации к неблагоприятным факторам среды.
3. Изученные параметры могут быть использованы для идентификации типов экологической стратегии растений верховых болот в лабораторных и полевых условиях.
4. Знание типов экологических стратегий растений болот, их функциональных особенностей позволяет прогнозировать поведение растительности в условиях изменения климата.
Апробация работы. Положения диссертации, методика и материал исследований, результаты обсуждались на всероссийской научно-практической конференции «Проблемы биологической науки и образования в педагогических вузах» (2003);
международной научно-практической конференции «Эколого географические проблемы природопользования нефтегазовых регионов: теория, методы, практика» (2003);
всероссийской научно-практической конференции «Биологическая наука и образование в педагогических вузах» (2005);
окружной конференции в рамках акции (Спасти и сохранить) - «Биоресурсы и природопользование в Ханты-Мансийском автономном округе: проблемы и решения» (2006);
международной научно-практической конференции «Эколого-географические проблемы природопользования нефтегазовых регионов: теория, методы, практика» (2006).
Организация исследований. Работа выполнялась в период с 2001 по 2007 гг. в рамках кафедральной темы «Динамика и устойчивость природных, природно-антропогенных и антропогенных экосистем в условиях Среднего Приобья» и региональной темы исследований «Стратегии развития природных, природно-антропогенных и антропогенных экосистем в условиях Среднего Приобья» (грант № 501 от 29.12.2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, выводов и библиографического списка, включающего наименований, в том числе 79 на иностранных языках. Работа изложена на страницах, содержит13 таблиц, 22 рисунка, 3 приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ВВЕДЕНИЕ Представлено обоснование актуальности исследований, изложены цель, задачи и научная новизна, определена практическая значимость работы и положения, выносимые на защиту.
1. ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ТИПЫ СТРАТЕГИИ РАСТЕНИЙ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) Формирование различных типов адаптивных стратегий растений явилось результатом длительной «адаптивной эволюции» экофизиологических свойств растений (Ackerly et al., 2000). Изучением «жизненных стратегий» растений занимались такие исследователи, как J. MаcLeod (1884, по Hermy, Stieperaete, 1985);
Л.Г. Раменский (1935, 1938);
G.E. Hutchinson (1959);
R.H. MacArthur, E.D. Wilson (1967);
E.R. Pianka (1970, 1974);
Э.Р. Пианка (1981);
J. Grime (1974, 1977);
Б.М. Миркин, Л.Г. Наумова (2005);
Т.А. Работнов и др. (1985, 1992). В силу высокой лабильности физиологические процессы трудно использовать непосредственно для идентификации типов стратегии растений, поэтому предлагается анализ стабильных признаков и структур растений, ростовых параметров параллельно с физиологическими процессами (Пьянков, Мокроносов,1993;
Пьянков, Иванов, 2000;
Рахманкулова, Усманов, 2000;
Рахманкулова и др., 2001).
В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал по особенностям функционирования растительных сообществ болот (Богдановская-Гиенэф, 1969;
Пьявченко, 1972;
Денисенков, 2000;
Смагин, Боч, 2001;
Валеева, Московченко, 2001;
Телицын, 2002;
Смагин, 2003;
Лапшина, 2003;
Журавлева, Ипатов, 2005), однако эколого-физиологические механизмы адаптации болотных растений изучены недостаточно.
Формирование анатомо-морфологических, функциональных и биохимических особенностей болотных растений, происходит в неблагоприятных условиях обитания: обилие влаги, ее застойность или слабая проточность, недостаток кислорода в почве (1%), низкая теплопроводность, бедность торфа элементами минерального питания, повышенная кислотность, постоянное нарастание сфагновой дернины и торфа.
2. ПОЧВЕННО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ Нижневартовский район расположен в средней части Западно-Сибирской равнины, в Ханты-Мансийском автономном округе (ХМАО), между 590 и северной широты и 750 и 860 восточной долготы. Район занимает наибольшую площадь в ХМАО – 118,5 тыс. км2 (Лезин, Тюлькова, 1994;
Состояние …, 2003, 2006).
Рельеф большей части района плоский, с абсолютными отметками высот 32-170 мБС и перепадами высот 1-5 м. Территория имеет развитую гидрографическую сеть. Реки и ручьи, как правило, берут свое начало из болот.
Заболоченность территории в таежной зоне Западно-Сибирской равнины составляет 30-75%. В районе распространены следующие основные типы экосистем: лесные, луговые, болотные и водные. Среди болотных ландшафтов господствуют выпуклые кустарничково-сфагновые (рямовые) болота (Овечкина, Шор, 2002;
Природа, … 2007).
Климат района континентальный с довольно продолжительной суровой зимой с ветрами и коротким, умеренно теплым летом. Суммарная солнечная радиация составляет в среднем 350 кДж/см2 в год. Продолжительность солнечного сияния 1700-1800 часов в год. Годовой радиационный баланс положительный -110 кДж/см2 (Лезин, Тюлькова, 1994).
Среднегодовая температура от -3,1° до -5,2°С. Средняя температура января составляет -22,4°С, июля - +17,2°С. Продолжительность безморозного периода 100-105 дней, продолжительность устойчивых морозов - 150-170 дней (Справочник …, 1965;
Состояние..., 2006). Среднегодовое количество осадков 400-500 мм.
Отличительной особенностью почвенного покрова является широкое распространение полуболотных и болотных почв, приуроченных к плоским заболоченным пространствам (Караваева, 1973;
Даянова, Гребенюк, 2003;
Кулижский, Рудой, 2005).
В северотаежной части района распространены глеево-подзолистые почвы с мощным торфянистым горизонтом;
в среднетаежной части – подзолистые;
на наиболее дренированных участках - подзолисто-болотные.
Основные причины болотообразовательного процесса - исключительная равнинность территории, превышение осадков над испарением, длительное сохранение сезонной мерзлоты и геологическое прошлое территории, от которого сохранилось большое количество послеледниковых озер - очагов заболачивания.
3. МАТЕРИАЛЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Программа работ была направлена на решение поставленных задач, для реализации которых проведены эксперименты в лабораторных и полевых условиях.
Пробные площадки для исследования были заложены на территории Нижневартовского района, в 20 км. от п. Высокого. Сообщество верхового болота представлено сосново-кустарничково-сфагновой ассоциацией (Sphagnetum pinetofruticulosum) и относится к классу верховых болот Oxycocco Sphagnetea Br.-Bl. et Tx. 1943, порядку Sphagnetalia magellanici Kastn. et Floss 1933, союзу Oxycocco-Empetrion hermaphroditici Nordh. 1936 (Боч, Смагин, 1993). В качестве объектов исследования использовали в основном растения доминанты и эдификаторы верхового болота: подбел многолистный (Аndromeda polifolia), мирт (хамедафна) обыкновенный (Chamaedaphne calyculata), клюкву болотную (Oxycoccus palustris), багульник болотный (Ledum palustre), голубику (Vaccinium uliginоsum), березу нану (Betula nana), пушицу влагалищную (Eriophorum vaginatum), осоку заячью (Сarex leporina), осоку пузырчатую (Сarex vesicaria), морошку приземистую (Rudus chamaemorus), сосну обыкновенную (Pinus vulgaris) и сосну сибирскую (Pinus sibirica) относящиеся к разным жизненным формам: вечнозелёным кустарничкам брусничного и эрикоидного типов;
летне-зелёным листопадным кустарничкам;
травам с длинными узкими складчатыми или свёрнутыми листьями;
травам с широкими толстыми жестковатыми листьями и деревьям.
Для изучения общей биологической продуктивности растений, структуры биомассы отдельных органов и биохимических исследований использовали 5 15 экземпляров каждого вида. Все определения проводили в 7 кратной биологической повторности.
Листья у кустарничков для исследования отбирали со среднего яруса, у трав из средней части растения, у деревьев из средней части кроны южной стороны. В среднем возраст деревьев – 17-20 лет. Возраст деревьев определяли на основе анатомических и морфологических признаков по методикам А.А.
Корчагина (Полевая геоботаника, 1960).
Идентификацию типов экологических стратегий у изученных болотных видов растений проводили на основе дискриминантного анализа («Факторный, дискриминантный и кластерный анализ», 1989), используя количественные показатели структуры биомассы (Hills et al., 1994).
Морфологические характеристики. Для изучения структуры биомассы растения очищали от почвы и расчленяли на отдельные органы. Определяли сырую и сухую массу надземных и подземных органов, площадь листовой поверхности (S, см2). Показатели структуры сухой биомассы были использованы для расчета: интегральных морфологических индексов, отражающих отношение массы отдельных органов к массе целого растения – LMR (доля листьев), RMR (корней), SMR (стеблей), GMR (генеративных органов);
LAR (отношение S листьев/m растения), SLA (S единицы массы листьев) и площадь листьев определяли весовым методом (Третьяков, 1982).
Изучение водного обмена. Интенсивность транспирации листьев определяли методом быстрого взвешивания (Медведев и др., 1996);
свободную и связанную воду - по методике Н.А. Гусева (Миллер, 1973);
водоудерживающую и водопоглощающую способность - по времени завядания срезанных листьев (Полевой и др. 2001).
Определение фотосинтеза и дыхания. Интенсивность фотосинтеза и дыхания изучали газометрическим методом с помощью инфракрасного газоанализатора Infralit III (Германия) со шкалой 0-0,1%, определяли скорость СО2-газообмена листьев растений (Гавриленко, Жигалова, 2003).
Определение концентраций фотосинтетических пигментов.
Количественное определение содержания пигментов проводили спектрофотометрическим методом на приборе – SPECORD 30 (Analytik jena Германия). Концентрацию хлорофиллов (Са, Сb) и каротиноидов (Скар) рассчитывали по формуле Реббелена (Гавриленко, Жигалова, 2003).
Содержание фотосинтетических пигментов рассчитывали по Фаттаховой (1987).
Биохимический анализ. Содержание общего азота определяли методом Къельдаля;
нитратного азота на приборе КФК-2 (Россия) (Медведев, 1996).
Массу золы определяли после сжигания навески растительного материала в муфельной печи при 550оС в течении 8 часов (Филиппович, 1982), зольные элементы - атомно-адсорбционным методом анализа (Методика…, 1998).
Количественное определение растворимых сахаров и неструктурных полисахаридов проводили методами тонкослойной хроматографии и колориметрическим методом с антроном КФК–2 (Россия) (Филиппович, 1982).
Углерод определяли сжиганием проб растительного материала в струе кислорода (Посыпайко, 1989).
Статистическую обработку данных проводили с использованием пакета прикладных программ Statistica 11.5;
Excel 2005 из пакета Microsoft Office XP.
Для оценки различий между разными группами видов использовали критерии Стьюдента и Манна-Уитни (Наследов, 2005).
4. Структура биомассы растений верховых болот В данной главе представлены результаты количественных исследований структуры биомассы растений бореальной зоны Среднего Приобья с разной степенью выраженности типов экологической стратегии.
В ходе исследования были выявлены значительные различия в структуре биомассы у растений с разной степенью выраженности свойств первичных типов ЭС. Растения со свойствами С – стратегии (конкурентности) имели наибольшую площадь листьев (812,2 см2), максимальную общую биомассу (40,2 г) и массу отдельных органов (стебель – 15,9 г, листья – 12,5 г, подземные органы – 10,6 г и генеративные – 1,2 г) и достоверно отличались по этим показателям от растений со свойствами толерантной (S - стратегии) и рудеральной способности (R - стратегии) (p0,01 и p0,001) (таблица 1).
Таблица Структура биомассы изученных видов растений с разными типами ЭС Раменского-Грайма. С – конкуренты (6 видов), R – рудералы (2 вида), S – стресс-толеранты (4 вида). Достоверность различий оценивали по критерию Манна-Уитни. *p0,05;
** p0,01;
***p0,001, н.з. – не значимо.
Достоверность Типы экологической стратегии межвидовых различий Показатель С R S C -S C-R S-R Масса ген.
органов, г н.з.
1,20±1,31 0,36±0,72 0,14±0,11 ** ** Масса стеблей, г 15,93±14,58 0,17±0,08 0,55±0,33 *** *** ** Масса листьев, г н.з.
12,48±16,20 0,43±0,11 0,46±0,24 ** ** Масса корней, г 10,55±12,73 0,19±0,08 1,02±0,52 ** *** *** Общая масса, г/растение 40,15±43,60 1,15±0,88 2,17±1,03 *** *** ** Индекс ген.
органов, % 3,78±2,72 17,18±11,91 6,13±3,89 * ** * Индекс стеблей, % 42,95±7,16 16,66±3,84 26,07±6,17 *** *** ** Индекс листьев, % н.з.
25,32±10,17 47,13±15,35 22,72±5,79 ** ** Индекс корней, % 27,97±10,89 19,15±5,87 45,07±10,18 ** * *** SLA (S лис/m лис), см2/г н.з. н.з.
81,45±38,00 107,74±45,32 131,28±57,92 ** LAR (S лис/m рас), см2/г 19,67±14,95 54,86±33,85 30,30±16,17 * ** ** S листьев, см2 н.з.
812,24±1189,69 43,71±17,51 71,00±21,25 ** ** Известно, что растения с выраженной конкурентной способностью обитают в условиях низкой интенсивности стресса и редких нарушений (Grime, 1974, 1979;
Grime, Hodgson, Hunt, 1988). До 50% изученных нами растений обладали высокой степенью выраженности свойств конкурентности, следовательно, для них условия обитания на верховых болотах не являются крайне неблагоприятными и сформированные механизмы адаптации позволяют им произрастать на болотах.
Типичными представителями растений с выраженными свойствами С стратегии являются такие виды, как сосна обыкновенная и сибирская, береза нана, голубика, мирт обыкновенный, багульник болотный. Растения со свойствами S-стратегии - подбел многолистный, осока пузырчатая, осока заячья, пушица влагалищная. К R-стратегам мы отнесли - морошку приземистую и клюкву болотную. Достоверных отличий нами не отмечено только у R-стратегов по площади листьев, массе соцветий и листьев, а по остальным показателям структуры биомассы достоверность составила - p0, и p0,001.
Различия в структуре биомассы у растений с разными типами стратегий более отчетливо выявляются при сравнении интегральных морфологических индексов (таблица 1, рис. 1).
С 3,8% 3, 28% 27, 43% 42, 25,3% 25, R S 6,1% 17,2% 6, 19,2% 17, 19, 26,1% 26, 45,1%45, 16,7% 16, 47, 47% 22, 23% стебли листья генеративные органы корни Рис.1. Обобщенные данные по структуре биомассы изученных видов растений с разными типами ЭС Раменского-Грайма. С – конкуренты (6 видов);
R – рудералы (2 вида);
S – стресс-толеранты (4 вида). Площадь диаграмм на рисунке пропорциональна общей массе растений.
Растения со свойствами С - стратегии отличались высокими значениями доли стеблей - 43%, низкой долей генеративных органов – 3,8%, листьев 25,3% и корней - 28%;
R-стратеги, наоборот имели небольшие значения индекса стеблей – 16,7%, корней - 19,2% и высокие значения генеративных органов - 17,2%, листьев - 47,1%;
S - стратегии были характерны: высокая доля корней - 45,1%, низкая доля генеративных органов - 6,1%, стеблей - 26,1% и листьев – 22,7% по сравнению с другими видами.
Растения со свойствами R- стратегии имели достоверные отличия по индексам корней, листьев, стеблей, генеративных органов и LAR в сравнении с растениями – S - и C - стратегии, но не имели значимых отличий по SLA. Виды с конкурентной и стресс-толерантной способностью различались по всем перечисленным параметрам, кроме индекса листьев.
Отличия растений с сильно выраженными типами конкурентной, рудеральной и толерантной стратегии по параметрам структуры биомассы, связаны, с разной скоростью роста и принадлежностью к разным жизненным формам.
Таким образом, использование абсолютных показателей структуры биомассы в сочетании с индексами отдельных органов позволяет с высокой достоверностью выделить группы видов с разной степенью выраженности типов экологических стратегий в естественных местообитаниях.
5. Функциональные особенности и типы стратегии растений верховых болот.
Особенности водного обмена. Величина интенсивности транспирации листьев растений с разной степенью выраженности типов стратегии в среднем составляла – 798,8 мг/дм2/ч и увеличивалась от 740,9 до 906,7 мг/дм2/ч в ряду RCS (рис. 2).
транспирации мг/дм2/ч интенсивность C R S типы стратегии Рис. 2. Особенности интенсивности транспирации листьев растений верховых болот. С – конкуренты (6 видов);
R – рудералы (2 вида);
S – стресс-толеранты (4 вида).
Сравнительный анализ полученных результатов с имеющимися в литературе данными, (Лархер, 1978) позволяет сделать заключение, что интенсивность транспирации изученных 12 растений верховых болот невысока.
Наблюдается отрицательная корреляция между интенсивностью транспирации и фотосинтеза.
Хорошо известно, что величина интенсивности транспирации растений определяется степенью открытия устьичной щели, величиной тургорного давления в замыкающих клетках, концентрацией углекислого газа в межклетниках;
зависит от наличия света, температуры воздуха, содержания гормонов, устьичного сопротивления и т.д. (Новицкая, 1967;
Иванова, 1987;
Слейчер, 1970;
Кузнецов, 2005;
Шереметьев, 2005).
Возможно факторы, определяющие степень открытия устьиц у изученных растений болот сбалансированы таким образом, что обеспечивают им невысокий уровень транспирации и небольшие потери воды в неблагоприятных условиях водного режима на болотах.
Особенности протекания процессов транспирации у изученных видов растений показывают, что они в основном характеризуются гидростабильным типом водообмена, интенсивность, которого в течении дня слабо меняется.
Полученные нами результаты по интенсивности транспирации отличаются от литературных данных (Шенников, 1950;
Прокопьев, 2001).
Особенности интенсивности транспирации подтверждаются динамикой изменения содержания воды и высокой водоудерживающей способностью листьев. Содержание воды в листьях также как и интенсивность транспирации меняется постепенно, резких изменений данного показателя мы не наблюдали.
Общее содержания воды в группах растений с разной степенью выраженности типов стратегии варьировало от 47,2 до 60,1% и увеличивалось в ряду CRS. Эти показатели воды почти полностью соответствует гомеостатическим (40-60%) и представляют минимальное количество воды, при котором растение способно поддерживать свою жизнедеятельность (Кузнецов, Дмитриева, 2005).
Анализ литературных данных по содержанию воды у различных видов растений позволяет сделать заключение, что болотные растения характеризуются низким содержанием воды, что связано с явлением физиологической сухости на болотах и как результат формированием у них типичных ксероморфных признаков анатомо-морфологической структуры, низкой и средней интенсивности транспирации.
Для болотных растений характерна высокая водоудерживающая способность листьев, которая увеличивается в ряду SRС от 64,5 у S стратегов до 74,5% у конкурентов, что позволяет им противостоять обезвоживанию в условиях неблагоприятного водного режима и служит показателем адаптивности к условиям болот (рис. 3).
водопоглощающая и водоудерживающая способность листьев (%) 120 водопоглощающая водоудерживающая C R S тип стратегии Рис. 3. Показатели водоудерживающей и водопоглощающей способности листьев растений верхового болота. С – конкуренты (6 видов);
R – рудералы (2 вида);
S – стресс толеранты (4 вида).
Количество свободной и связанной воды в растениях характеризует метаболическую активность в тканях и водоудерживающую способность.
Изучение данных показателей у растений верховых болот показало, что в среднем содержание свободной воды увеличивалось в ряду RSC от 15,59 у рудералов до 18,85% у конкурентов (рис. 4). Величина связанной воды значительно превышала содержание свободной воды, процент которой в листьях колебался от 28,96 у конкурентов до 51,08 % у рудералов и увеличивалась в ряду CSR.
содержание связанной и свободной воды (%) связанная свободная C R S тип стратегии Рис. 4. Количество свободной и связанной воды в листьях растений верховых болот. С – конкуренты (6 видов);
R – рудералы (2 вида);
S – стресс-толеранты (4 вида).
Высокое содержание связанной воды в листьях растений подтверждает результаты о значительной водоудерживающей способности листьев, что положительно коррелирует с невысокой интенсивностью транспирации изученных растений.
Наблюдалась положительная корреляция между содержанием связанной воды и водопоглощающей способностью листьев в ряду CSR. Обратная корреляция отмечена между содержаниями в листьях: свободной и связанной воды;
свободной воды и водопоглащающей способности;
водоудерживающей способности и общим содержанием воды.
Изученные болотные растений имели гидростабильный тип водного обмена. По интенсивности транспирации изученные виды занимают промежуточное положение между двудольными растениями (травы) солнечных мест обитания и тенелюбивыми растениями (Лархер, 1978).
Анализ особенностей водообмена болотных растений может быть полезным при прогнозировании поведения растительности в условиях глобального изменения климата (Иванова, Музычко, 2007), при разработке теории адаптации растений к экологическим условиям среды.
Фотосинтез и синтез пигментов.
На основе проведенных исследований нами было показано, что интенсивность фотосинтеза болотных растений в среднем составляла 5,86 мг СО2/дм2/ч и варьировала от 2,33 у сосны обыкновенной до 12,63 мг СО2/дм2/ч у мирта болотного.
Интенсивность фотосинтеза изученных болотных растений с разной степенью выраженности типов стратегии увеличивается в ряду SCR от 4, до 6,44 мг СО2/дм2/ч (рис. 5).
Полученные результаты подтверждают литературные данные о том, что интенсивность фотосинтеза болотных растений не велика (Лархер, 1978).
Прямой корреляции между интенсивностью фотосинтеза и количественным содержанием пигментов (рис. 6) нами отмечено не было.
интенсивность фотосинтеза, мг СО2/дм2/ч C R S тип стратегии Рис. 5. Особенности интенсивности фотосинтеза растений верховых болот. С – конкуренты (6 видов);
R – рудералы (2 вида);
S – стресс-толеранты (4 вида).
содержание пигментов, мг/г сухого веса хлорофилл а хлорофилл b каротиноиды C R S тип стратегии Рис. 6. Количество пигментов в листьях растений верховых болот. С – конкуренты (6 видов);
R – рудералы (2 вида);
S – стресс-толеранты (4 вида).
Содержание хлорофиллов а и b, каротиноидов, а также общее содержание пигментов имело положительную корреляцию и увеличивалось в ряду СRS. Варьировало содержание пигментов от 3 мг/г сухого материала (каротиноиды у С- стратегов) до 23,15 (хлорофилл а у S- стратегов) (рис. 6).
Хорошо известно, что продуктивность растений, скорость образования органической биомассы являются интегральными факторами и имеют прямую связь со скоростью роста. В неблагоприятных условиях среды на болоте снижаются ростовые процессы и продуктивность растений, что вероятно связано с невысокой интенсивностью фотосинтеза.
Интенсивность дыхания. Интенсивность дыхания растений верховых болот в среднем составляла – 4,43 мг СО2./гр. сухого веса/ч и варьировала от 0,36 у сосны обыкновенной до 13,1 СО2./гр. сухого веса/ч у осоки заячьей.
Наблюдалось увеличение средней величины интенсивности дыхания в ряду CRS (рис. 7).
листьев, мг СО2/гр. сухого интенсивность дыхания веса/ч C R S тип стратегии Рис. 7. Особенности дыхания растений верховых болот. С – конкуренты ( видов);
R – рудералы (2 вида);
S – стресс-толеранты (4 вида).
Известно, что дыхание является сложнейшим интегральным физиологическим процессом, который зависит от многих факторов внешней среды, внутреннего статуса растений и тесно взаимосвязано с другими процессами в растительном организме (Рамазанова, 2000). Возможно, невысокие показатели интенсивности дыхания у болотных растений связаны с неблагоприятными экологическими условиями: низкими температурами, дефицитом кислорода, кислым значением почвенного раствора и т.д.
В условиях болот, как было показано выше, растения имеют средние или низкие значения транспирации и фотосинтеза. Можно предполагать, что для нормального роста и развития эти процессы должны быть сбалансированы, что вероятно, и определяет невысокие значения дыхания у болотных растений.
6. Характеристика химического состава листьев растений верховых болот.
В ходе анализа химического состава листьев растений выявлены некоторые закономерности содержания отдельных компонентов в зависимости от степени выраженности типа экологической стратегии. Основные химические соединения листа могут быть разбиты на три группы в зависимости от характера их изменений в «треугольнике Грайма» (рис. 8).
К первой группе относятся компоненты, которые изменяются в ряду SRC: увеличивается содержание – азота и углерода (рис. 8А);
уменьшается процент зольности (рис. 8Г). Во второй группе, в ряду RCS: увеличивается содержание микроэлементов (рис. 8Д);
уменьшается количество растворимых сахаров (рис. 8В). В третьей группе, в ряду CSR увеличивается количество неструктурных полисахаридов (рис. 8Б). Таким образом, тип ЭС предполагает не только определенные значения ростовых параметров и морфологического индекса видов, но и специфическую химическую композицию листьев.
С С С А Б В R S RS S R С С Г Д RS S R Рис. 8. Общие направления изменения содержания основных химических компонентов в листьях растений с разными типами экологических стратегий Грайма. С – конкуренты (6 видов);
R – рудералы (2 вида);
S – стресс-толеранты (4 вида). А – азот, углерод;
Б – неструктурные полисахариды;
В – растворимые сахара;
Г – зольность;
Д – микроэлементы.
В основном растения с разными типами ЭС различались по содержанию азота и углерода и концентрация их в листьях увеличивалась параллельно в ряду от SRC. Согласно литературным данным (Grime et al., 1988), рудеральные виды имеют высокое содержание азота, поскольку они обладают высокой скоростью роста. Максимальное содержание азота имели виды с выраженными свойствами С - и R - стратегии и достоверных различий между ними по данному показателю мы не обнаружили.
Увеличение общего азота в листьях растений этих групп связано, скорее всего, с повышенным содержанием фермента фотосинтеза рибулозо-1,5 бифосфаткарбоксилазы (РБФК), который осуществляет первичную фиксацию СО2 у растений с С3-типом фотосинтеза и составляет около 75% органического азота листа (Field, Mooney, 1986;
Evans, 1989;
Garnier et al., 1999). Ряд авторов (Grime et al., 1988;
Пьянков и др., 2000) отмечает у рудеральных растений повышенную активность ферментов фотосинтеза, что обеспечивает им высокую скорость ассимиляции СО2 и ростовых процессов. Исследуемые растения верхового болота являются медленно растущими видами с невысокой интенсивностью фотосинтеза и проявляют разную степень выраженности типов стратегии.
У растений с выраженными свойствами S- стратегии минимальное содержание азота, что, вероятно, коррелирует с низкой активностью РБФК, следствием чего является низкая относительная скорость роста (Grime, 1979;
Grime et al., 1988), низкая интенсивность фиксации СО2 (Пьянков и др., 2000), низкая доля ассимиляционных тканей по сравнению с С- и R- стратегами (Pyankov et al., 1998). Таким образом, высокое содержание азота в листьях способствует активации скорости роста и проявлению конкурентных и рудеральных свойств. У стресс-толерантов снижаются общая функциональная активность и скорость ростовых процессов, вследствие меньшей концентрации в листьях азота, возможно, ферментов фотосинтеза и доли фотосинтезирующих тканей.
В научной литературе отмечено, что более информативным является отношение С/N (Иванов, 2001). В листьях изученных растений данный показатель варьировал от 17,56 у С- стратегов до 21,78 у S- стратегов и увеличивался в ряду CRS.
Таким образом, значительные и достоверные различия в содержании углерода и особенно, азота в листьях, а также их отношение могут быть использованы для определения типов стратегий растений. Прямой корреляции между содержанием в листьях углерода и неструктурных углеводов нами не было обнаружено. Минимальное содержание углерода и растворимых сахаров отмечены у растений со свойствами S – стратегии (рис. 9). Углерод неструктурных углеводов составляет лишь 1/4 часть от общего углерода. По нашим данным, у стресс-толерантов углерод неструктурных углеводов составляет в среднем 24% от общего содержания углерода, у рудеральных видов 25% и у конкурентов 23%. По мнению Niinemets (1999а), общее содержание углерода в листьях древесных видов положительно коррелирует с содержанием лигнина. Значительная часть углерода листа входит в состав структурных полисахаридов (целлюлоза, гемицеллюлоза), которые формируют клеточные стенки разных типов тканей листа (хлоренхима, эпидермис, ксилема и флоэма).
Полученные в ходе экспериментального исследования результаты не показали значительных и достоверных различий по содержанию структурных полисахаридов у растений с различной степенью выраженности С-, R- и S стратегии, что вероятно связано с условиями произрастания на болоте. Виды с С- и R- типом стратегии значительное количество ассимилированного углерода тратят на синтез белков, о чем свидетельствует высокая концентрация азота в листьях (рис. 9).
Общий азот, мг/г Углерод, мг/г 20 5 С R S С R S тип стратегии тип стратегии Неструктурные полисахариды, мг/г 118 Растворимые сахара, мг/г 112 106 С С R S R S тип стратегии тип стратегии Микроэлементы, мг/г Зольность, % 0 С R S С R S тип стратегии тип стратегии Рис. 9. Содержание основных химических компонентов в листьях растений с разными типами экологических стратегий Раменского-Грайма. С – конкуренты (6 видов);
R – рудералы (2 вида);
S – стресс-толеранты (4 вида).
У растений со свойствами S – стратегии содержание азота достоверно ниже, чем у рудералов, соответственно и доля фототрофных клеток в объеме листа у них также ниже. Нефотосинтезирующие ткани листа (эпидермис, проводящая система и механические ткани) содержат больше целлюлозы и более лигнифицированы.
Таким образом, возможно, высокое содержание углерода в листьях растений верховых болот связано с уменьшением доли функциональных тканей (хлоренхимы) и возрастанием доли тканей с высоким содержанием целлюлозы и лигнина. Эти приспособления позволяют стабилизировать температурный режим внутренних тканей растений (Культиасов, 1982;
Денисенков, 2000;
Прокопьев, 2001). Кроме того, можно предполагать, что у большинства болотных растений идет увеличение доли ксилемных элементов в проводящей системе, что обеспечивает им высокое поглощение минеральных элементов в условиях их дефицита на болоте. Таким образом, ксероморфная структура служит приспособлением болотных растений к недостатку воды и дефициту минеральных элементов (Чиркова, 2002).
Содержание микроэлементов у изученных растений увеличивалось в ряду от RCS и не имело прямой корреляции с количеством азота. По данным Cornelissen et al., (1997), эти параметры положительно коррелировали между собой и увеличивались в ряду SCR.
Зольность листьев растений с разной степенью выраженности типов стратегии изменялась от 2,8% у С – стратегов до 4,6% у S – стратегов. Не обнаружили достоверных отличий только между стресс-толерантами и рудералами. Полученные данные позволяют говорить о том, что болотные растения имеют более низкие показатели содержания зольных элементов по сравнению со средне статистическими имеющимися в литературе (Кузнецов, 2005).
7. Определение степени выраженности свойств типов ЭС на основе морфологических признаков.
Результаты исследований показали, что растения с разной степенью выраженности свойств первичных типов ЭС различались по структуре биомассы, функциональным особенностями, химической композиции листьев и эффективности использования углерода листьями растений. Наличие достоверных различий между группами видов по этим параметрам, позволяет использовать их для идентификации адаптивных стратегий растений.
В таблице 2 и на рисунке 10 представлены результаты ординации растений с разной степенью выраженности свойств первичных типов ЭС по параметрам структуры биомассы, полученные с помощью дискриминантного анализа. Анализ показал, что основные дискриминирующие признаки совпадали с показателями, выделенными ранее эмпирическим путем. Это были корневой и стеблевой индексы, общая масса растения и суммарная площадь листьев. При их использовании группы растений с разной степенью выраженности свойств первичных типов ЭС вполне различимы. Корректность разделения массива видов на группы составила 100%.
Результаты дискриминантного анализа по параметрам структуры биомассы показывают полное разделение С-, R- и S-групп (рис. 10) в пространстве.
Функция 1 в первую очередь отражает степень нарушенности местообитаний (рис. 10). Функция 2 в большей степени связана со степенью экологического стресса в условиях обитания.
Таблица Классификация изученных видов растений на основе параметров структуры биомассы по типам ЭС с использованием дискриминантного анализа № Вид Координаты Выраженность свойств Функция Функция 1 2 сильная средняя слабая 1 1 Сосна сибирская С -2,89 1,89 S R 2 Береза нана С -2,37 1,68 S R 3 Голубика С -2,1 0,78 S R 4 Мирт С -1,68 0,66 S R обыкновенный 5 Багульник С -0,97 0,42 S R болотный 6 Сосна С 0,3 2,04 S R обыкновенная 7 Подбел -1,19 -1,16 S C R многолистный 8 Осока пузырчатая -0,96 -1,16 S C R 9 Осока заячья -1,88 -2,09 S C R 10 Пушица -0,77 -3,86 S R C влагалищная 11 Морошка 1,45 -2,93 R S C приземистая 12 Клюква болотная 2,87 -3,87 R S C Указаны значения 1 и 2 дискриминантных функций, а также преимущественный порядок выраженности у растений свойств конкурентности (С), рудеральности (R) и стресс толерантности (S), определенный порядковыми номерами от 1 до 3.
С помощью дискриминантного анализа, можно с высокой долей вероятности определить «стратегические» свойства видов (степень выраженности свойств конкурентности, толерантности и рудеральности), определить принадлежность растений к одному из типов стратегий в данном случае очень сложно, т.к. у многих видов примерно одинаково выражены свойства двух или всех трех типов стратегий.
В таблице 2 приведены координаты видов в дискриминантном пространстве и указан преимущественный порядок выраженности у них свойств С-, R- и S-стратегий, который определяли с учетом анализа расстояний (расстояние Махаланобиса) от объекта до центров групп. На рисунке показаны области с преобладанием свойств той или иной стратегии.
2 1 2 Дискриминантная функция 1 4 - 7 -2 - - - -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 Дискриминантная функция Рис. 10. Дискриминантный анализ болотных растений Среднего Приобья с разными типами первичных экологических стратегий Грайма по показателям структуры биомассы:
С (конкуренты) - 1 сосна сибирская, 2 береза нана, 3 голубика, 4 мирт обыкновенный, багульник болотный, 6 сосна обыкновенная;
S (стресс-толеранты) - 7 подбел многолистный, 8 осока пузырчатая, 9 осока заячья, 10 пушица влагалищная;
R (рудералы) - 11 морошка приземистая, 12 клюква болотная.
У 33% от изученного числа растений, преобладали свойства толерантной стратегии. Среди них травы с узкими свернутыми и складчатыми листьями (пушица влагалищная, осока заячья, осока пузырчатая) и подбел многолистный, относящийся к вечнозеленым кустарничкам брусничного типа.
До 17% видов имели сильно выраженные свойства рудеральной стратегии. Это такие виды как морошка приземистая относящаяся к травам с широкими толстыми жестковатыми листьями и клюква болотная, являющаяся представителем вечнозеленых кустарничков брусничного типа.
У 50% видов преобладали свойства конкурентной стратегии. Это представители групп: деревьев (сосна обыкновенная и сибирская), летнезеленых листопадных кустарничков (береза нана, голубика) и вечнозеленых кустарничков брусничного типа (мирт обыкновенный).
Таким образом, «морфологический» подход в идентификации типов стратегии растений является альтернативным функциональному и биохимическому (Grime et al., 1988;
Hills et al., 1994;
Миркин и др, 2000).
Экспериментальная идентификация, степень выраженности типов ЭС растений возможна только при комплексном изучении морфологических, биохимических и функциональных особенностей растений.
ВЫВОДЫ 1. Изученные растения верховых болот Среднего Приобья проявляют все типы стратегии Раменского-Грайма, но в разном соотношении. До 50% исследованных видов имели выраженные свойства конкурентной стратегии, 33% - стресс-толерантной и 17% – рудеральной.
2. Растения с разной степенью выраженности типов стратегии имеют морфологические особенности, связанные с параметрами структуры биомассы.
Конкуренты отличаются большей общей массой растений, массой отдельных органов и общей площадью листьев;
стресс-толеранты - высокой долей корней и низкими долями - генеративных органов, стеблей, листьев;
рудералы небольшими значениями индекса стеблей, корней и высокими значениями генеративных органов, листьев.
3. Растения верховых болот характеризуются гидростабильным типом водного режима, низкими и средними значениями интенсивности транспирации, высокой водоудерживающей способностью, низким содержанием свободной воды, невысокими показателями интенсивности фотосинтеза и дыхания. Величина интенсивности транспирации листьев растений с разной степенью выраженности типов стратегии увеличивалась в ряду RCS, интенсивность фотосинтеза - SCR, дыхания - CRS.
Общее содержание пигментов хлорофиллов а и b, каротиноидов увеличивалось в ряду - CRS.
4. Растения с разными типами экологических стратегий различаются по химической композиции листьев. В ряду SRC увеличивается содержание в листьях азота, углерода и уменьшается показатель зольности. В ряду RCS увеличивается содержание микроэлементов и уменьшается количество растворимых сахаров. В ряду CSR увеличивается содержание неструктурных полисахаридов.
5. Метаболические процессы растений с выраженными свойствами R стратегии ориентированы на формирование активного ферментативного комплекса (белковые соединения), синтез конечных углеводных продуктов необходимых для обеспечения ростовых процессов и быстрого формирования генеративных органов. У растений с выраженными толерантными свойствами, напротив для повышения устойчивости к условиям среды, требуются дополнительные затраты энергии на синтез защитных веществ и структур, что снижает их скорость роста и биомассу.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Мукминова, (Юмагулова) Э.Р. Механизмы изучения стратегий поведения у растений / Э.Р. Мукминова // Научные труды аспирантов и соискателей НГПИ. - Нижневартовск : Н-вартовский гос. пед. ин-т, 2003. – Вып. 1. – С. 242-246.
2. Юмагулова, Э.Р. Изучение типов стратегии растений бореальной зоны Среднего Приобья / Э.Р. Юмагулова // Биологическая наука и образование в педагогических вузах : материалы 3-й всерос. конф., Новосибирск, 24-26 апр.
2003 г. / Новосиб. гос. пед. ун-т. – Новосибирск, 2003. - Вып. 3. – С. 195-199.
3. Юмагулова, Э.Р. Типы стратегии растений и особенности водного режима растений болот / Э.Р. Юмагулова // Эколого-географические проблемы природопользования нефтегазовых регионов : материалы 2-й междунар. конф., Нижневартовск, 20-22 окт. 2003 г. / Н-вартовский гос. пед. ин-т. – Нижневартовск, 2003. - С. 184-188.
4. Юмагулова, Э.Р. Изучение типов стратегии растений болотных сообществ / Э.Р. Юмагулова // Научные труды аспирантов и соискателей НГПИ.. – Нижневартовск : Н-вартовский гос. пед. ин-т, 2004. – Вып. 2. – С. 234 238.
5. Юмагулова, Э.Р. Особенности водообмена растений верховых болот в ненарушенных и антропогенных условиях / Э.Р. Юмагулова // Биологическая наука и образование в педагогических вузах: материалы 4-ой всерос. конф., Новосибирск, 28-29 апр. 2005 г. / Новосиб. гос. пед. ун-т. – Новосибирск, 2005.
- Вып.4. – С. 34-36.
6. Юмагулова, Э.Р. Особенности биопродуктивности и синтеза пигментов болотных растений / Э.Р. Юмагулова // Объединенный научный журнал. – Москва, 2006. - №18. - С. 73-75.
7. Юмагулова, Э.Р. Особенности типов стратегии растений верховых болот Нижневартовского района / Э.Р. Юмагулова // Биоресурсы и природопользование в Ханты-Мансийском автономном округе: материалы окруж. конф., - Сургут, 2-3 июня 2006 г. / Сургут. гос. ун-т. – Сургут, 2006. - С.
65-67.
8. Иванова, Н.А. Типы стратегии и эколого-физиологические механизмы адаптации растений верховых болот / Н.А Иванова, Э.Р. Юмагулова // Эколого географические проблемы природопользования нефтегазовых регионов:
материалы 3-й междунар. конф., - Нижневартовск, 25-27 окт. 2006 г. / Н вартовский гос. пед. ин-т. – Нижневартовск, 2004. - С. 114-117.
9. Юмагулова, Э.Р. Эколого-физиологические особенности растений верховых болот в условиях Среднего Приобья / Э.Р. Юмагулова // География и экология. – Нижневартовск : Н-вартовский гос. пед. ин-т, 2007. – С. 147-152.
10. Юмагулова, Э.Р. Особенности водного обмена растений верховых болот подзоны средней тайги Западной Сибири / Э.Р. Юмагулова // Вестник Самарского Государственного Экономического университета. – Самара, 2007. № 1 (27). – С. 148-154.
11. Юмагулова, Э.Р. Эколого-физиологические особенности растений верховых болот в условиях Среднего Приобья / Э.Р. Юмагулова // Вестник Саратовского Государственного Технического университета. - Саратов, 2007. – № 1. - С. 135-140.
12. Иванова, Н.А. Эколого-физиологические особенности растений верховых болот в условиях средней тайги Западной Сибири / Н.А. Иванова, Э.Р. Юмагулова. // Проблемы региональной экологии. – 2007. - №3. – С. 82-88.
Юмагулова Эльвира Рамилевна ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ И ТИПЫ СТРАТЕГИИ РАСТЕНИЙ ВЕРХОВЫХ БОЛОТ (в пределах Ханты-Мансийского автономного округа) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Подписано в печать 27.08.2007. Формат 6084 1/ Бумага для множительных аппаратов. Гарнитура Таймс.
Усл. печ. листов 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано в Издательстве Нижневартовского государственного гуманитарного университета 628615, Тюменская обл., г. Нижневартовск, ул. Дзержинского, Тел./факс: (3466) 43-75-73, Е-mail: [email protected]