Эколого-мелиоративная и биологическая характеристика корневых систем растений на породных отвалах угольных шахт Донбасса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 631.618:581(477.62)

Харьковский национальный аграрный университет имени В. В. Докучаева, Харьков, Украина

Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Российская Федерация

Эколого-мелиоративная и биологическая характеристика корневых систем растений на породных отвалах угольных шахт Донбасса

Н.И. Чайка

И.В. Гурина

Аннотация

мелиоративный корневой травянистый рудеральный

Целью исследований являлось изучение эколого-мелиоративной и биологической характеристики корневых систем различных видов травянистых растений, произрастающих в условиях породных отвалов, и аналогичных видов из растительного покрова чернозема обыкновенного и сравнение климаморф по мелиоративным функциям. Полевые исследования выполнялись в соответствии с общепринятыми методиками на породных отвалах шахт «Щуровка-1», «Южно-Донбасская-1», «Южно-Донбасская-3», «Россия», № 11 (г. Донецк) и на черноземе обыкновенном в защитной зоне породного отвала шахты № 5-бис «Трудовская». В качестве посевного материала в полевых опытах использовали семена костра полевого (Bromus arvensis L.), моркови дикой (Daucus corota L.), донника лекарственного (Melilotus officinalis L. Pall.), мятлика узколистного (Poa angustifolia L.). В результате исследований была получена эколого-мелиоративная и биологическая информация о строении и распространении корневых систем по следующим характеристикам: вес сухой корневой массы в граммах, поверхность корней в сантиметрах квадратных, длина корней в сантиметрах, насыщенность породы и почвы корнями в процентах, а также распределение корневой массы в процентах по фракциям корней в миллиметрах (более 5,0, 5,0-1,0, 1,0-0,5 и менее 0,5) у выделенных ценоморф (St - степанты, Sil - сильванты, Pr - пратанты, Ps - псаммофиты, Ptr - петрофиты, Ru - рудеранты). По результатам полученных данных выявлено, что в экстремальных условиях породных отвалов индивидуальные особенности корневых систем при адаптации выравниваются, принимая сходные закономерности такие, как: формирование корневой системы в слое породы 0-20 см, прекращение роста корня в глубину при отсутствии влаги, диффузное отклонение корневых систем, вызванное движением влаги. Установлены характерные особенности организации водно-минерального потребления корневыми системами и мелиоративной функции рудеральной растительности, степантов, пратантов, сильвантов, псаммофитов и петрофитов. Выявлено, что виды, произрастающие на черноземах обыкновенных, формируют на треть большую по массе корневую систему. Увеличение происходит за счет доли мелких и средних фракций (от менее 0,5 до 5,0-1,0 мм).

Ключевые слова: корневые системы, породный отвал, ценоморфы, эколого-мелиоративные характеристики, биологические характеристики.

Annotation

The aim of research was to study the ecological-meliorative and biological characteristics of various species of herbaceous plants root systems growing under conditions of rock dumps and similar species of vegetation cover of ordinary chernozem and the comparison of climamores by meliorative functions. Field studies were carried out in accordance with the generally accepted methods in the mine dumps of “Shchurovka-1”, “Yuzhno-Donbassskaya-1”, “Yuzhno-Donbassskaya-3”, “Rossiya”, № 11 (Donetsk) and on ordinary chernozem in the protective zone of the rock dump of mine № 5-bis “Trudovskaya”. Seeds of campfire (Bromus arvensis L.), wild carrots (Daucus corota L.), sweet clover (Melilotus officinalis L. Pall.), bluegrass (Poa angustifolia L.) were used as seed material for field experiments. As a result of research, ecological-meliorative and biological information on structure and distribution of root systems was obtained in terms of the following characteristics: the weight of the dry root mass in grams, the root surface in centimeters square, the root length in centimeters, the saturation of rock and soil by the roots in percent, the root mass distribution in percentage by the root fractions in millimeters (more than 5.0, 5.0-1.0, 1.0-0.5 and less than 0.5) in the isolated cenomorphs (St - stamps, Sil - silants, Pr - pratants, Ps - psammophytes, Ptr - petrophytes, Ru - ruderants). According to the obtained data it was found out that under the extreme conditions of rock dumps, the individual features of the root systems are equalized by adaptation adopting similar patterns such as: the formation of the root system in the rock layer 0-20 cm, the root growth cessation into depth in moisture absence, diffuse deviation of root systems caused by moisture movement. The characteristic features of water and mineral consumption by root systems and meliorative function of ruderal vegetation, stepants, pratantes, silvants, psammophytes and petrophytes are established. It was revealed that species growing on ordinary chernozems form a one third bigger root system. The increase is caused by fine and medium fractions (from less than 0.5 to 5.0-1.0 mm).

Key words: root systems, rock dump, cenomorphs, ecological and meliorative characteristics, biological characteristics.

По мнению Н. З. Станкова, корневая система не испытывает столь резких колебаний условий внешней среды, как надземная часть растений. Все изменения в почве происходят медленнее, рост корней - в более однородных условиях, на него гораздо меньшее количество факторов оказывает влияние, да и воздействия их не столь резкие, как на надземную часть. Все это дает ему основание считать корень более примитивным органом по сравнению с надземными частями растения [1]. Данное мнение оспаривают ученые Днепропетровского государственного аграрного университета на основании многолетних исследований, которые проводятся на рекультивированных землях и позволяют утверждать, что растение проявляет все свои генетические возможности только тогда, когда его корневая система функционирует в экстремальных почвенно-экологических условиях. На рекультивированных участках карьеров рост, развитие и даже внешний вид растения полностью зависит от того, в какой степени отвечают экологические условия среды обитания биологическим возможностям растений, в частности, их корневой системе [2-6]. К месту привести заключения Н. А. Качинского о том, что почва как бы диктует корневой системе формы ее развития, сглаживая и нивелируя индивидуальные особенности отдельных растений [7]. В связи с этим возникает необходимость исследования эколого-мелиоративных и биологических характеристик растений, как спонтанно появившихся на породных отвалах, так и высеянных для испытания в приемах мелиоративных технологий при фиторекультивации. Поэтому целью наших исследований являлось изучение эколого-мелиоративной и биологической характеристики корневых систем различных видов травянистых растений, произрастающих в условиях породных отвалов, и аналогичных видов, произрастающих в условиях чернозема обыкновенного, и сравнение климаморф по мелиоративным функциям.

Материалы и методы. Объектами исследований были корневые системы растений из растительных покровов породных отвалов шахт «Щуровка-1», «Южно-Донбасская-1», «Южно-Донбасская-3», «Россия», № 11 (г. Донецк) и растений, произраставших на черноземе обыкновенном в защитной зоне породного отвала шахты № 5-бис «Трудовская». Площадь опытных делянок составляла 2 м². Повторность опыта четырехкратная. Размещение по повторностям - систематическое [8, 9]. Посевным материалом в полевых опытах являлись семена костра полевого (Bromus arvensis L.), моркови дикой (Daucus corota L.), донника лекарственного (Melilotus officinalis L. Pall.), мятлика узколистного (Poa angustifolia L.) [10]. В работе использовали методы определения биологических характеристик корневых систем [1, 11]. Показания получали средние для одного растения по десяти особям для 34 видов в горизонте породы 0-50 см.

Результаты и обсуждения. По нашим исследованиям, все наземные остатки травянистых растений, особенно на верхних частях породных отвалов, за осенне-зимний период почти полностью уносятся ветром и смываются водой. Поэтому корни растений оказывают значительное влияние на преобразование породы и развитие в ней жизни.

Наблюдения за влажностью и температурным режимом позволяют нам сделать вывод, что с мая по сентябрь поверхностный слой породы угольных отвалов может по несколько раз терять доступные запасы влаги, что делает этот период экстремальным для жизни растений. В таких условиях порода нивелирует индивидуальные особенности корневых систем растений, хотя растительный покров породных отвалов почти наполовину составляют рудеральные виды. По мнению многих авторов, сорные растения имеют большую корневую систему, значительная масса которой расположена в глубоких слоях материнской породы, достигая уровня грунтовых вод, что делает их более стойкими и конкурентоспособными [12]. Но экстремальность почвенных условий породы подчеркивается отсутствием горизонта грунтовых вод. Поэтому при достаточном увлажнении, согласно Н. З. Станкову [1], корень под воздействием силы тяжести растет вниз. Главный корень углубляется в почву в отвесном направлении, боковые корни первого и второго порядка растут почти горизонтально, а корни третьего порядка - во всех направлениях. По нашим наблюдениям, основная масса корней сосредотачивается в поверхностном слое породы, выполняя мелиоративную функцию, переплетая и удерживая мелкие частички породы. При потере породой влаги корень растет в сторону большей увлажненности. Рост корня в сухой породе приостанавливается. Так как осадки в этот период носят ливневый характер, то вода в большей степени будет устремляться по склону вниз, насыщая только верхний слой породы влагой. Влага также будет уменьшаться вверх по склону, как показали наши измерения, будучи некоторое время доступной для растений. Поэтому часто наблюдаются изогнутые до угла 45 корневые системы многих видов, как со стержневым, так и мочковатым типом. У тысячелистника паннонского (Achillea pannonica Scheele) основная масса корней сосредоточена в слое 0-8 см с диффузным отклонением от оси на протяжении 20 см. Корневая система щирицы белой (Amaranthus albus L.) отклоняется с 14 см от поверхности породы до 30 см длины, причем основная масса корней формируется в слое 0-14 см. Отклонение корневой ситемы у амброзии полынолистной (Ambrosia artemisiifolia L.) начинается с 5 см от поверхности почвы протяженностью 16 см, основная масса корней формируется в слое 5-10 см. У таких видов, как морковь дикая (Daucus carota L.) и щавель конский (Rumex confertus Willd.) отклонение корневой системы начинается с 16-45 см, причем у моркови дикой основная масса тонких корней фиксируется в слое 11-17 см, у щавеля конского слабое покрытие на протяжении до 30 см. Вид паслен черный (Solanum nigrum L.) формировал основную массу корней в слое 0-5 см. С 3 до 20 см наблюдается отклонение корневой системы. Приведенные данные показывают, как в экстремальных условиях породных отвалов индивидуальные особенности корневых систем при адаптации выравниваются, принимая сходные закономерности, такие, как: формирование корневой системы в слое породы 0-20 см, прекращение роста корня в глубину при отсутствии влаги, диффузное отклонение корневых систем, вызванное движением влаги. Согласно данным таблицы 1, для видов рудеральной растительности характерной особенностью является концентрация корневых систем от 59,7 % у пастушьей сумки обыкновенной (Capsella bursa-pastoris L. Medik.) до 95,3 % у латука татарского (Lactuca tatarica L. C.A. Mey.) во фракциях более 5 и 5-1 мм и 97,7 % у чернокорня лекарственного (Cynoglossum officinale L.). Кроме гулявника высокого (Sisymbrium altissimum L.), чистотела большого (Chelidonium majus L.), василька растопыренного (Centaurea diffusa Lam.), пастушьей сумки обыкновенной (Capsella bursa-pastoris L. Medik.), остальные виды имеют корни длиной в пределах до 3 м.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблица 1 - Развитие корневых систем видов ценоморф породных отвалов угольных шахт

Ш Размещено на http://www.allbest.ru/

Эти особенности формировать корни сравнительно толстых фракций позволяют им пережидать стрессовые ситуации, возникающие при нарушении водно-минерального питания. Насыщаемость породы корнями одного растения составляет от 0,00065 % у латука дикого (Lactuca serriola L.) до 0,01000 % у гулявника высокого (Sisymbrium altissimum L.). Поверхность корневых систем у растений со стержневой корневой системой невысокая: от 22,9 см² у горца птичьего (Polygonum aviculare L.) до 139,1 см² у василька растопыренного (Centaurea diffusa Lam.), что также дает возможность им закрепиться в породе, устоять, проявлять анкерность, больше экономить воду и питание, при этом обладая слабой мелиоративной функцией. У степантов основная масса корней принадлежит мелким фракциям (1,0-0,5 и < 0,5 мм). Формирование большой массы мелких корней позволяет им постоянно добывать воду и минералы. У перловника трансильванского (Melica transsilvanica Schur) в этих фракциях сосредоточено 89,4 % корневой массы, у костреца берегового (Bromopsis riparia Rehm. Holub) - 95,4 %, у овсяницы бороздчатой (Festuca rupicola Heuff.) - 100 %. Для степантов характерна большая поверхность и длина корневых систем. Так, у перловника трансильванского поверхность корневой системы составляет 265,70 см² и ее длина 2872,46 см, у костреца берегового - 303,21 см² и 3786,70 см, у овсяницы бороздчатой - 328,27 см² и 4208,70 см, а у тысячелистника благородного (Achillea nobilis L.) - 941,53 см² и 11712,38 см соответственно. Адаптация в сторону отмирания и образования корней выделяет степанты среди других видов как средообразователи с хорошей мелиоративной функцией. Пратанты, сильванты, псаммофиты и петрофиты занимают промежуточное положение между рудерантами и степантами по организации водоминерального потребления корневыми системами. Так, у мятлика узколистного (Poa angustifolia L.) корневая система разделилась между фракциями 1,0-5,0 и 1,0-0,5 мм (56 %) и < 0,5 мм (44 %), причем поверхность корневой системы равнялась 571,60 см², а длина составляла 6205,47 см. У такого представителя сильвантов, как ястребинка волосистая (Hieracium pilosella L.), четверть (24,3 %) массы корневой системы приходится на мелкие фракции, при этом их поверхность составляет 1088,31 см² (от общей поверхности 1416,10 смІ) и их длина - 13374,92 см (от общей длины 13672,90 см).

Авторами проведено сравнение корневых систем видов, произраставших в разных водных и питательных условиях: стабильных (чернозем обыкновенный) и экстремальных (породный отвал). В условиях стабильного водопотребления и питания доля массы мелких корней у полыни обыкновенной (Artemisia vulgaris L.) уменьшилась и составила 27,0 %, тогда, как у этого вида, произраставшего на породном отвале, она равнялась 43,3 %, но при этом площадь поверхности и длина корней оставались выше (таблица 2).

Так, у фракции корней < 0,5 мм, поверхность в стабильных условиях составляла109,95 см², длина равнялась 1409,68 см, в экстремальных - 103,96 см² и 1332,87 см соответственно. Растения вида пастушья сумка обыкновенная в условиях чернозема активно развивали мелкие фракции корней. Доля массы фракции < 0,5 мм составляла 50,7 %, что больше на 15,2 %, чем у растений с породного отвала, где растениям необходимо иметь запас воды и питательных веществ в крупной фракции, на долю которых выпадает 59,7 % всей массы корневой системы. У вида тысячелистник благородный, произрастающего в стабильных и экстремальных условиях, в целом пропорции распределения корневой массы по фракциям аналогичны. Небольшое увеличение массы всех фракций за счет уменьшения массы фракции < 0,5 мм связано с улучшением водно-питательного режима.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблица 2 - Сравнительная характеристика корневых систем видов некоторых эдатопов

Размещено на http://www.allbest.ru/

В свое время Н. А. Качинский [7] разделял корни на две группы: тонкие - деятельные в поглощении веществ и толстые - недеятельные, накапливающие запас. По его мнению, функцию поглощения выполняют тонкие корни или корни, покрытые корневыми волосками. Можно предположить, что на породных отвалах угольных шахт основную роль в поглощении элементов питания играет доля корней диаметром < 1 мм. Анализ показал, что на эти корни (фракция 1-0,5 мм 11,9 % + фракция < 0,5 мм) среди изучаемых видов приходится 32,7 % (рисунок 1). Доля корней крупной фракции (> 5 мм) составляет 26,4 % всей корневой массы.

Рисунок 1 - Распределение корневой массы видов, произрастающих на породных отвалах, по фракциям

Выводы

По отношению к водно-минеральному питанию и мелиоративным функциям в рамках исследуемых видов, произрастающих в экологических условиях породных отвалов, и в сравнении с местообитанием их на черноземах обыкновенных можно выделить три типа растений:

- растения с преобладанием корней тонкой фракции - мелиоранты-средообразователи, способные быстро отрастать после восстановления условий водно-минерального питания;

- растения с преобладанием корней крупных фракций - мелиоранты анкерные, способные закрепляться в породе и выживать за счет накопления запаса воды и питательных элементов, и при возобновлении условий водно-минерального питания продолжают поддерживать запас;

- растения, обладающие свойствами обоих типов корневых систем, способные к формированию запасов воды и питательных элементов и быстрому отрастанию при наступлении благоприятных условий водно-минерального питания.

В экстремальных условиях породных отвалов, угольных шахт растения усиливают как биологические функции приспособления, так и эколого-мелиоративные. По мелиоративным функциям ценоморфы делятся на следующие группы:

- растения с хорошей мелиоративной функцией, средообразующий тип растений составляют степанты;

- растения со слабой мелиоративной функцией, анкерный тип растений составляют рудеранты;

- переходной тип составляют пратанты, степанты, сильванты, псаммофиты, петрофиты и реже рудеранты.

Список использованных источников

1 Станков, Н. З. Корневая система полевых культур / Н. З. Станков. - М.: Колос, 1964. - 280 с.

2 О рекультивации земель в Степи Украины / Н. Е. Бекаревич [и др.]. - Днепропетровск: Промінь, 1971. - 218 с.

3 Снакин, В. В. Экология и охрана природы: словарь-справочник / В. В. Снакин. - М.: Amedia, 2000. - 384 с.

3 Волкова, В. Г. Устойчивость растений в условиях техногенного воздействия щелочного типа / В. Г. Волкова // География и природные ресурсы. - 1989. - № 3 - С. 34-39.

5 Чибрик, Т. С. Культур-фитоценозы на отвалах угольных месторождений Урала / Т. С. Чибрик, Н, А. Саламатова, А. В. Трамбицких // Растения и промышленная среда: сб. науч. тр. - Свердловск: УрГУ, 1990. - С. 48-71.

6 Рекультивация нарушенных земель как устойчивое развитие сложных техноэкосистем: монография / И. Х. Узбек [и др.]. - Днепропетровск: Пороги, 2010. - 263 с.

7 Качинский, Н. А. Изучение физических свойств почв и корневых систем растений / Н. А. Качинский. - М.: Сельхозгиз, 1930. - 101 с.

8 Доспехов, Б. А. Методика полевого опыта / Б. А. Доспехов. - М.: Колос, 1979. - 416 с.

9 Шевченко, П. Д. Практическое руководство по методике проведения опытов на степных агроландшафтах / П. Д. Шевченко, Г. В. Ольгаренко, Н. А. Иванова. - Новочеркасск, 2001. - 114 с.

10 Гурина, И. В. Особенности выбора культур для растительных мелиораций золоотвалов / И. В. Гурина // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - 2011. - № 1-1. - С. 96-103.

11 Узбек, И. Х. Метод определения биологических характеристик корневых систем травянистых растений / И. Х. Узбек // Почвоведение. - 2006. - Т. 7. - № 3-4. - С. 133-136.

12 Доспехов, Б. А. Практикум по земледелию / Б. А. Доспехов, И. П. Васильев, А. М. Туликов. - М.: Агропромиздат, 1987. - 383 с.

Чайка Николай Иванович

Ученая степень: кандидат сельскохозяйственных наук

Ученое звание: доцент

Должность: преподаватель

Место работы: Харьковский национальный аграрный университет имени В. В. Докучаева

Адрес организации: п/о Докучаевское, Харьковский район, Харьковская область, Украина, 62483

E-mail: chaycka-nikolay@yandex.ru

Гурина Ирина Владимировна

Ученая степень: доктор сельскохозяйственных наук

Ученое звание: доцент

Должность: заместитель директора по научно-инновационной работе; профессор кафедры техносферной безопасности, мелиорации и природобустройства

Место работы: Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова Донского государственного аграрного университета

Адрес организации: ул. Пушкинская, 111, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346428

E-mail: i-gurina@mail.ru

Размещено на Allbest.ru