Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологические аспекты физиологических процессов луговых сообществ Приишимья

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Никитина, Надежда Николаевна, Новосибирск

/ «Ч /у» 7 г—

, * X/ V чУ / "

Министерство общего и профессионального образования

Российской федерации Ишимский государственный педагогический институт

им. П.П.Ершова

На правах рукописи

Никитина Надежда Николаевна

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФИЗИОЛОГИЧЕКИХ ПРОЦЕССОВ ЛУГОВЫХ СООБЩЕСТВ ПРИИШИМЬЯ

03.00.16 - экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель доктор сельскохозяйственных наук, профессор Н.А. Калиненко;

Новосибирск -1999

Оглавление

Введение................................................................................................................ 3

Глава 1. Физико-географическая характеристика района

исследования......................................................................................................... 7

Глава 2. Материалы и методы исследования.................................................... 16

Глава 3. Анализ экологических аспектов физиологических процессов луговых сообществ Приишимья........................................................................ 32

3.1. Анализ экологических аспектов водного режима луговых растений Приишимья.......................................................................................................... 32

3.2. Особенности интенсивности транспирации луговых растений Приишимья.......................................................................................................... 57

3.3. Экологические аспекты фотосинтеза луговых растений

Приишимья.......................................................................................................... 85

3. 4. Экологические аспекты роста побега в связи с действием

солнечной радиации.............................................................................................99

3.5. Экологические аспекты физиологических выделений............................. 115

Глава 4. Экологический мониторинг луговых сообществ............................ 132

4.1. Локальный мониторинг почвы.................................................................. 133

4.2. Мониторинг водного режима луговых растений..................................... 134

4.3. Мониторинг подвижных форм тяжелых металлов

в почве и растениях........................................................................................... 144

4.4. Мониторинг толерантности луга к пастбищной нагрузке....................... 152

Выводы.............................................................................................................. 158

Библиографический список.......................................................................... 161

Приложение..................................................................................................... 177

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Луговые сообщества Приишимья по своему флористическому составу разнообразны и богаты и поэтому представляют значительный научный интерес. До настоящего времени специальных исследований по изучению эколого-физиологических аспектов луговых растений не проводилось. Чаще всего объектами исследования являются однолетние сельскохозяйственные растения, многолетние плодовые культуры. Водный режим луговых трав изучен не достаточно, а в луговых сообществах Приишимья не изучался совсем. Проблемы фотосинтеза являются выдающимися по своему интересу эколого-физиологическими аспектами. Под влиянием роста населения, индустриального прогресса катастрофически нарушаются естественные экосистемы и поэтому исследования необходимые для рациональной организации приобретают важнейшее теоретическое и практическое значение. Фотосинтез как процесс быстро реагирует на изменение внешних условий и отражает состояние растений в природной среде, что при изучении экологии луговых трав имеет определенное значение. Еще слабо освещены особенности пастбищной деградации лугов. Недостаточно охарактеризованы изменения их флористического состава. На лугах Приишимья такие исследования ранее не проводились, не выявлена степень устойчивости отдельных видов растений по отношению к отдельным экологическим факторам, в том числе антропогенным. Не изучалась и экологическая роль аллелопатии в луговых ценозах Приишимья. В то же время взаимоотношения растений в сообществах оказываются сложными и динамичными и с позиции конкуренции объяснить их не возможно. Общий объем воздействия человека на природную среду, осуществляемый в процессе интенсивного сельскохозяйственного производства превышает накопленный тысячелетиями восстановительный потенциал, что обуславливает необратимые изменения природной среды как локального, так и регионального масштаба. Возникает

существенная угроза необратимых нарушений природных процессов. В системе почва-растение мало изучено действие тяжелых металлов, экспериментальные материалы крайне не достаточны. До настоящего времени в нашей стране нет единой системы контроля агроэкологической ситуации, которая позволила бы оценить как положительное, так и негативное воздействие антропогенного фактора. Такой системой регулярного наблюдения в природной среде является экологический мониторинг. Многообразие природных условий, разнообразие антропогенных воздействий на почву, сложная структура почвенного контроля обусловливают необходимость закладки локального экологического мониторинга непосредственно в фитоценозе лугового сообщества Приишимья. В организации областного экологического мониторинга за биологической компонентой природной среды полностью отсутствуют наблюдения за растениями.

Цель и задачи исследования. Целью работы было: уточнить экологические аспекты фотосинтеза, водного режима и взаимовлияния луговых растений Приишимья на юге Тюменской области.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1) выявить на примере растений доминантов закономерности и причины изменений фотосинтеза;

2) охарактеризовать показатели водного режима луговых трав и определить их толерантность к экологическим факторам;

3) изучить экологическую роль растительных выделений в формировании луговых фитоценозов;

4) организовать локальный мониторинг в луговом сообществе.

Научная новизна работы. Впервые проведены исследования

экологических аспектов физиологических процессов в луговых сообществах Приишимья на юге Тюменской области. Выделены типы луговых растений по толерантности к водному режиму и выпасу скота. Выявлены аллелопатически чувствительные виды луговых трав по отношению к растительным выделениям.

Практическая значимость. Результаты работы имеют значение для познания экологии луговых трав. Выявлены группы растений устойчивых и неустойчивых к повышенной пастбищной нагрузке. Обнаружено повышенное содержание тяжелых металлов в растениях и почве. Выявлены источники загрязнения лугов этими элементами. Организован экологический локальный мониторинг в луговом сообществе. Материалы работы используются при чтении лекционных курсов по физиологии растений и экологии для студентов биолого-географического факультета ИГПИ, при проведении полевых практик по физиологии растений и экологии. По материалам исследований подготовлены методические рекомендации для студентов и учителей биологии: "Руководство к проведению полевой практики по физиологии и экологии растений", "Экскурсии в природу по теме биоценоз луга".

Основные результаты работы доложены на районной экологической конференции по проблемам охраны окружающей среды (г. Ишиме, 1997 г.), I Межрегиональной научно-практической конференции "Проблемы сохранения биоразнообразия южной Сибири" (г. Кемерово, 1997 г.), научной конференции Ишимского государственного пединститута "Ершовские чтения"(1996-!999гг.), научных семинарах кафедры ботаники ИГПИ (1997-1999 гг.).

Материалы и методы исследования. Материалом исследования послужили дикорастущие высшие растения луговых сообществ Приишимья. Было заложено 5 опытных участков, на которых наблюдались доминирующие виды и исследовались почвенные образцы. При исследовании использовались литературные материалы. Опытные участки для исследования заложены в луговых сообществах южной лесостепи Тюменской области, в Ишимском и Казанском районах. Реперный участок для экологического мониторинга заложен в 1992 г. в Ишимском районе на сельскохозяйственном угодье подсобного хозяйства "Колос" на расстоянии 15 км от г. Ишима. Площадь реперного участка 98 га.

Научная новизна работы:

Впервые проведено специальное исследование экологических аспектов физиологических процессов в луговых сообществах Приишимья на юге Тюменской области. Выделены типы луговых растений по толерантности к водному режиму и выпасу скота. Организован экологический локальный мониторинг в луговом сообществе.

Основные положения выносимые на защиту:

1) параметры водного режима и закономерности фотосинтеза луговых трав;

2) толерантность луговых растений к экологическим факторам;

накопление тяжелых металлов в почве и луговых растениях.

Данная работа выполнена на базе биологической станции Ишимского государственного пединститута им. П.П. Ершова. Автор выражает признательность сотрудникам биостанции и кафедры ботаники ИГПИ за помощь и консультации во время работы над диссертацией.

Глава 1.

ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЮЖНОЙ ЧАСТИ ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

Биогеографическое положение. Исследования дуговых сообществ, их физиологических процессов проводилось в южной зоне Тюменской области. С севера на юг Тюменская область простирается на 2 100 км и с запада на восток максимальная протяженность достигает 1 400 км. Крайняя южная точка расположена в Сладковском районе, хорошо очерчена естественной границей, прилегая к водораздельной оси Уральского хребта (Бакулин, Козин, 1996)

Рельеф. Южный возвышенный фасад области образует Ишимская наклонная равнина со своеобразным гривистым рельефом. Здесь господствует рельеф, связанный с деятельностью водных потоков. Своеобразие суглинистым равнинам Тоболо-Ишимского междуречья придает гривноложбинный рельеф. В типичном виде он проявляется в пределах

Ишимской равнины. Длина грив колеблется от 0,9 до 9,0 км, ширина от 0,1 до

\

1,0 км, высота достигает 10-12 м. В крайних южных районах Тюменской области - Казанском, Бердюжском, Армизонском - развились иные озерно-котловинные формы рельефа, который резко контрастирует с плоскими равнинами. Почти вся территория южной части области представляет широко террасированную равнину со слабо выраженными широкими речными долинами и невысокими увалами (Будьков, Лезин, 1989). Равнинность обусловила зональное распределение ландшафтов в виде широтных географических зон: южно-таежной, подтаежной и лесостепной, вытянутых с запада на восток. Лесостепная зона охватывает южную часть Ялуторовского, Тюменского, Заводоуковского, Омутинского, Голышмановского районов, Исетский, Упоровский, Ишимский, Абатский, Армизонский, Бердюжский,

Казанский, Сладковский районы. Территория южной части лесостепи правобережья Ишима представлена денадутационной пластовой равниной с высотными отметками 130-150 м, представляющую собой северную окраину Ишимской равнины, которая на левом берегу р. Ишима постепенно переходит в террасы более низких уровней (Бакулин, Козин, 1996).

Климат. В общих чертах климат юга области характеризуется суровой зимой, теплым, но не продолжительным летом, короткими переходными сезонами весной и осенью, коротким безморозным периодом. Средняя дата прекращения заморозков в воздухе весной на ровных открытых местах - 17-20 мая. В низинах заморозки прекращаются позднее - в первой декаде июня. Продолжительность безморозного периода 126 дней. Устойчивый снежный покров образуется около 10 декабря. Продолжительность залегания снежного покрова составляет 150-155 дней. Мощность снежного покрова на открытых пространствах составляет всего 30см. Продолжительность периода с устойчивыми морозами 130 дней. Сроки наступления весны существенно различаются по годам. В южной лесостепи переход через 0° С наступает 11 апреля. Морозы на юге области прекращаются к середине мая. В конце мая и даже начале июня возможны снежные осадки, в то же время в южной зоне

весной нередки вторжения сухих, прогретых воздушных масс,

\

формирующихся на территории Казахстана, когда температура воздуха повышается до + 23 ... + 26°С, устанавливается теплая и даже засушливая погода. Период перехода на начало лета падает на срок от 10 до 20 мая. В летний период выпадает максимум осадков. За июль - август от годового количества осадки составляют до 47%. Годовое количество осадков не велико 300-450мм. За рубежи осени обычно принимают переход суточных температур через +10°С (начало) и через 0°С (окончание). В сентябре и октябре вслед за постепенным понижением температуры. На юге области в середине сентября день становится на 6 часов короче, в то лее время не редки ночные заморозки. В сентябре 1994, 1995, 1997 гг. наблюдался возврат теплой, солнечной и сухой

погоды. С началом октября, когда происходит быстрое снижение температуры, вегетация растений прекращается (Бакулин, Козин, 1996).

Воды и водные ресурсы. Гидрографическая сеть территории южной зоны хорошо развита и представлена такими крупными реками как Тобол, Тура, Вагай, Ишим, Туртас, Демьянка и менее крупными - Исеть, Пыжма, Носка, Алымак, Тюма. Первые из них имеют хорошо разработанные, террасированные долины с развитой поймой, вторые носят русловый характер и пойм почти не имеют. В связи с небольшим базисом эрозии реки слабо углубляют русло, преобладает боковой размыв, а это, в свою очередь, удлиняет протяженность рек и замедляет сброс воды. В результате реки не обеспечивают сброса и избытка влаги, да и сам равнинный рельеф не способствует дренированию. В конечном итоге, не смотря на развитую гидросеть, дренирующая роль рек не велика, что способствует самому широкому развитию почв гидроморфного ряда.

Грунтовые воды приурочены к песочным или опесчаненным аллювиальным и озерно-аллювиальным отложениям, подстилаемыми водоупорными глинами. Глубина залегания грунтовых вод меняется в зависимости от геоморфологических уровней. Общая закономерность такова, что происходит поднятие к поверхности зеркала грунтовых вод при движении от водораздела к пойме. Грунтовые воды обычно пресные, минерализация, как правило, не превышает 1 г на литр. По составу солей воды преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые, реже натриевые и магниевые.

Наряду с грунтовыми водами в южной части области очень широкое распространение, особенно на высоких террасах и водоразделах, имеет почвенно-грунтовое верховодье, залегающее на водоупорных прослоях на глубине 2-4 м. Верховодье чаще всего пресное, но встречается и с повышенной минерализацией (Будьков, Лезин, 1989).

Почвы. Почвенный покров южной зоны сложен и разнообразен, представлен различными сочетаниями и комплексами зональных и интразональных, автоморфных, гюлугидроморфных и гидроморфных почв. В

Приишимье преобладают сочетания черноземов, лугово-черноземных и серых лесных почв. На остальной части на водоразделах и низких террасах ведущее место занимают комплексы луговых, лугово-черноземных лугово-болотных почв различной степени засоленности. Не редко эти почвы комплексируются с солонцами и солодями. На увалах встречаются массивы серых лесных почв и черноземов. Торфяно-болотные почвы имеют ограниченное распространение. В пределах землепользования хозяйств наибольший удельный вес имеют луговые почвы - 24 %, черноземы и лугово-черноземные - 16%, столько лее занимают торфяные и лугово-болотные почвы, по 11-13% - серые лесные, солонцы и солоди. В южной лесостепи доминирует в земельном фонде почвы лугового типа с различной степенью солонцеватости, осолодения или солончаковатости, крупные контуры черноземных и серых лесных весьма редки. Менее благоприятен здесь и механический состав почв, поскольку значительно чаще встречаются тяжелосуглинистые и глинистые разновидности. Часть юленых районов лежит в зоне недостаточного увлажнения. Под пашню на юге области заняты преимущественно луговые почвы, их удельный вес достигает 36-61%. В таблице 1 представлен качественный состав сельскохозяйственных угодий юленой лесостепи Тюменской области.

В таблице 1 (прилолсение) приведены средние показатели основных свойств главных типов почв Приишимья. Следует отметить, что большинство типов обладает сравнительно высоким потенциальным плодородием и имеет удовлетворительные физико-химические свойства. Наименьшим плодородием обладают подзолистые, солоди и пойменные почвы.

По механическому составу различные типы почв заметно отличаются друг от друга (табл. 2). Наиболее благоприятный механический состав имеют лесные и черноземные почвы, среди которых чаще всего встречаются средние и легкие суглинистые разновидности. Луговые почвы и солонцы чаще всего глинистые и тяжело суглинистые.

Таблица 1

Качественный состав земельного фонда угодий лесостепной зоны Тюменской

области (по Каретину, 1984) (% общей площади угодий)

Почвы Пашня Сенокос Пастбище Прочее

Серые лесные 15,8 2,3 2,1 4,1

Черноземы и лугово-черноземные 24,7 3,2 1,5 1,3

Луговые и черноземно-луговые 45,9 27,5 26,7 5,8

Солонцы и их комплексы 7,3 32,3 45 зд

Солоди 0,7 8,6 6,1 29,3

Солончаки 0,3 3,1 2,7 од

Пойменные од 0,1 0,2 од

Лугово-болотные, торфяные и про�