Влияние абиотических факторов на содержание азота, пигментный комплекс и параметры водного обмена хвои Pinus sylvestris (Pinaceae) на посттехногенных землях

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Приведены результаты исследования содержания азота, показателей пигментного комплекса хвои 1-го и 2-го года жизни и параметров водного обмена в 30-летних культурах Pinus sylvestris L. на посттехногенных землях песчано-гравийного карьера и в естественных условиях среднетаежного сосняка брусничного (Республика Карелия). При рекультивации территории проводилась посадка однолетних сеянцев P. sylvestris в песчаный техногенный грунт (пробные площади ПП 1 и ПП 2) и улучшенный торфом субстрат (ПП 3). Наблюдения проводили в течение двух контрастных вегетационных сезонов 2021 г. (жаркий засушливый) и 2022 г. (теплый дождливый). Выявлено влияние фитоценотических условий и климатических факторов на исследуемые показатели. В ряду рекультивируемых участков более высокое содержание хлорофиллов и каротиноидов отмечено в хвое деревьев на улучшенном торфом техногенном субстрате (ПП 3). Низкое плодородие посттехногенных участков ПП 1 и ПП 2 относительно естественных условий произрастания в сосняке брусничном (ПП 4) определяет более низкое содержание азота, зеленых и желтых пигментов в молодой и зрелой хвое, и, напротив, более высокую долю Хл а для отношения Хл a/Хл b. Более высокое отношение Хл a/Хл b в хвое деревьев низкополнотных насаждений на ПП 1 и ПП 2 по сравнению с высокополнотными насаждениями на ПП 3 и ПП 4 отражает адаптивную перестройку пигментной системы к локальным условиям освещения. Показано негативное влияние высокого водного дефицита хвои на формирование пигментного комплекса в жарких засушливых условиях вегетационного периода 2021 г. Полученные данные свидетельствуют о схожих адаптивных механизмах пигментной системы молодой и зрелой хвои P. sylvestris при изменении условий внешней среды и могут быть использованы для мониторинга состояния и прогноза продуктивности экосистем на нарушенных землях.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. Б. Придача

Институт леса ФИЦ “Карельский научный центр Российской академии наук”

Автор, ответственный за переписку.
Email: pridacha@krc.karelia.ru
Россия, Петрозаводск

Н. В. Туманик

Институт леса ФИЦ “Карельский научный центр Российской академии наук”

Email: pridacha@krc.karelia.ru
Россия, Петрозаводск

Д. Е. Семин

Институт леса ФИЦ “Карельский научный центр Российской академии наук”

Email: pridacha@krc.karelia.ru
Россия, Петрозаводск

Список литературы

  1. IPCC Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. 2013. Cambridge. 1535 p. https://www.globalchange.gov/reports/ipcc-climate-change-2013-physical-science-basis
  2. Мониторинг биологического разнообразия лесов России: методология и методы. 2008. М. 453 с.
  3. Сумина О. И. 2013. Формирование растительности на техногенных местообитаниях Крайнего Севера России. СПб. 340 с.
  4. Государственный доклад о состоянии окружающей среды Республики Карелия в 2021 г. 2022. Петрозаводск. 263 с. http://resources.krc.karelia.ru/krc/doc/presentations/gosdoklad-rk-2021.pdf
  5. Федорец Н. Г., Соколов А. И., Крышень А. М., Медведева М. В., Костина Е. Э. 2011. Формирование лесных сообществ на техногенных землях северо-запада таежной зоны России. Петрозаводск. 130 с.
  6. Соколов А. И. 2016. Повышение ресурсного потенциала таежных лесов лесокультурным методом. Петрозаводск. 178 с. http://elibrary.krc.karelia.ru/303/1/povyshenie_il_2016.pdf
  7. Лиханова И. А., Кузнецова Е. Г., Новаковский А. Б. 2020. Формирование растительного покрова на карьерах после проведения лесной рекультивации в средней тайге Республики Коми. — Лесоведение. 5: 424–432. https://doi.org/10.31857/S0024114820050095
  8. Photosynthetic pigments – chemical structure, biological function and ecology. 2014. Syktyvkar. 448 p. https://ib.komisc.ru/rus/book-2014/1395-photosynthetic-pigments-chemical-structure-biological-function-and-ecology
  9. Lambers H., Oliveira R.S. 2019. Plant physiological ecology. Cham. 736 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-29639-1
  10. Слемнев Н. Н., Шереметьев С. Н., Маслова Т. Г., Цоож Ш., Алтанцоож А. 2012. Разнообразие фотосинтетического аппарата растений Монголии: анализ биологических, экологических и эволюционных рядов. — Бот. журн. 97(11): 1377–1396. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=18041535
  11. Маслова Т. Г., Марковская Е. Ф., Слемнев Н. Н. 2020. Функции каротиноидов в листьях высших растений (обзор). — Журнал общей биологии. 81(4): 297–310. https://doi.org/10.31857/S0044459620040065
  12. Valladares F., Niinemets Ü. 2008. Shade tolerance, a key plant feature of complex nature and consequences. — Ann. Rev. Ecol. Evol. Syst. 39: 237–257. https://doi.org/10.1146/annurev.ecolsys.39.110707.173506
  13. Gratani L. 2014. Plant phenotypic plasticity in response to environmental factors. —Advances in botany. 2014: 208747. https://doi.org/10.1155/2014/208747
  14. Poorter H., Niinemets Ü., Ntagkas N., Siebenkäs A., Mäenpää M., Matsubara S., Pons T. 2019. A meta-analysis of plant responses to light intensity for 70 traits ranging from molecules to whole plant performance. — New Phytol. 223(3): 1073–1105. https://doi.org/10.1111/nph.15754
  15. Суворова Г. Г., Оскорбина М. В., Копытова Л. Д., Янькова Л. С., Попова Е. В. 2011. Сезонные изменения фотосинтетической активности и зеленых пигментов у сосны обыкновенной и ели сибирской в оптимуме и экстремальных условиях увлажнения. — Сибирский экологический журнал. 18(6): 851–859. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17110126
  16. Major J. E., Mosseler A. 2021. Chlorophyll pigment and needle macronutrient responses and interactions to soil moisture and atmospheric CO2 treatments of eight pine and spruce species. — Trees. 35(6): 2069–2085. https://doi.org/10.1007/s00468-021-02173-0
  17. Ghazghazi H., Riahi L., Yangui I., Messaoud C., Rzigui T., Nasr Z. 2022. Effect of drought stress on physio-biochemical traits and secondary metabolites production in the woody species Pinus halepensis Mill. at a juvenile development stage. — J. Sustain. For. 41(9): 878–894. https://doi.org/10.1080/10549811.2022.2048263
  18. Тужилкина В. В. 2012. Пигментный комплекс хвои сосны в лесах Европейского Северо-Востока. — Лесоведение. 4: 16–23. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17929380
  19. Тужилкина В. В. 2017. Фотосинтетические пигменты хвои ели сибирской в среднетаежных лесах европейского Северо-Востока России. — Сиб. лесн. журн. 1: 65–73. https://doi.org/10.15372/SJFS20170107
  20. Судачкова Н. Е., Милютина И. Л., Романова Л. И. 2012. Биохимическая адаптация хвойных к стрессовым условиям Сибири. Новосибирск. 178 с.
  21. Новицкая Ю. Е., Чикина П. Ф., Софронова Г. И., Габукова В. В., Макаревский М. Ф. 1985. Физиолого-биохимические основы роста и адаптации сосны на Севере. Л. 156 с.
  22. Загирова С. В. 1999. Структура ассимиляционного аппарата и СО2-газообмен у хвойных. Екатеринбург. 108 с.
  23. Плюснина С. Н., Тужилкина В. В. 2021. Структурно-функциональная характеристика фотосинтетического аппарата подроста Pinus sylvestris (Pinaceae) в подзоне средней тайги европейского Северо-Востока. — Бот. журн. 106(11): 1072–1084. https://doi.org/10.31857/S0006813621110077
  24. Новицкая Ю. Е., Чикина П.Ф. 1980. Азотный обмен у сосны на Севере. Л. 166 с.
  25. Судачкова Н. Е., Гирс Г. И., Прокушкин С.Г . 1990. Физиология сосны обыкновенной. Новосибирск. 248 с.
  26. Helmisaari H. S. 1992. Spatial and age-related variation in nutrient concentrations of Pinus sylvestris needles. — Silva Fennica. 26(3): 145–153. https://doi.org/10.14214/sf.a15643
  27. Бобкова К. С., Загирова С. В. 1999. Некоторые аспекты структурно-функциональной организации сосновой хвои разного возраста. — Лесоведение. 4: 58–63.
  28. Придача В. Б., Сазонова Т. А. 2004. Возрастные изменения содержания и соотношения азота, фосфора и калия в органах Pinus sylvestris и Piсеа abies (Pinaceae). — Бот. журн. 89(9): 1486–1496. https://elibrary.ru/item.asp?id=17076074
  29. Придача В. Б., Сазонова Т. А. 2013. Макроэлементный состав Pinus sylvestris (Pinaceae) в зависимости от этапа онтогенеза дерева и жизненного состояния ветвей. — Раст. ресурсы. 3: 319–330. https://elibrary.ru/item.asp?id=19139456
  30. Казимиров Н. И., Волков А. Д., Зябченко С. С., Иванчиков А. А., Морозова Р. М. 1977. Обмен веществ и энергии в сосновых лесах Европейского Севера. Л. 304 с.
  31. Цельникер Ю. Л., Малкина И. С., Ковалев А. Г., Чмора С. Н., Мамаев В. В., Молчанов А. Г. 1993. Рост и газообмен СО2 у лесных деревьев. М. 256 с.
  32. Чернобровкина Н. П. 2001. Экофизиологическая характеристика использования азота сосной обыкновенной. СПб. 175 с.
  33. Суворова Г. Г. 2009. Фотосинтез хвойных деревьев в условиях Сибири. Новосибирск. 194 с.
  34. Сазонова Т. А., Болондинский В. К., Придача В. Б. 2011. Эколого-физиологическая характеристика сосны обыкновенной. Петрозаводск. 210 с.
  35. Kattge J., Bönisch G., Díaz S., et al. 2020. TRY plant trait database – enhanced coverage and open access. — Glob Change Biol. 26(1): 119–188. https://doi.org/10.1111/gcb.14904
  36. Цандекова О. Л., Неверова О. А. 2015. Анализ содержания эфирных масел и пигментов в хвое Pinus sylvestris L. в условиях породного отвала угольного разреза. — Изв. Самарского НЦ РАН. 17(4): 226–231. http://www.ssc.smr.ru/media/journals/izvestia/2015/2015_4_226_231.pdf
  37. Лукина Н. В., Чукина Н. В., Филимонова Е. И., Глазырина М. А., Учаев А. П., Борисова Г. Г. 2022. Морфофизиологические особенности Pinus sylvestris L. в искусственных насаждениях на дражном отвале после золотодобычи. — Лесохозяйственная информация. 3: 145–157. https://doi.org/10.24419/LHI.2304-3083.2022.3.13
  38. Козубов Г. М., Муратова Е. Н. 1986. Современные голосеменные (морфолого-систематический обзор и кариология). Л. 192 с.
  39. Farjon A., Filer D. 2013. An atlas of the world's conifers: an analysis of their distribution, biogeography, diversity and conservation status. Brill. 512 p. https://doi.org/10.1163/9789004211810
  40. Рысин Л. П. 2015. Биогеоценология лесов сосны обыкновенной. М. 303 с.
  41. Kuznetsova T., Mandre M., Klõseiko J., Pärn H. 2010. A comparison of the growth of Scots pine (Pinus sylvestris L.) in a reclaimed oil shale post-mining area and in a Calluna site in Estonia. — Environ. Monit. Assess. 166: 257–65. https://doi.org/10.1007/s10661-009-0999-1
  42. Bęś A., Warmiński K., Adomas B. 2019. Long-term responses of Scots pine (Pinus sylvestris L.) and European beech (Fagus sylvatica L.) to the contamination of light soils with diesel oil. — Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 26(11): 10587–10608. https://doi.org/10.1007/s11356-019-04328-6
  43. Peel M. C., Finlayson B. L., McMahon T. A. 2007. Updated world map of Köppen-Geiger climate classification. — Hydrol. Earth Syst. Sci. 11(5): 1633–1644. https://doi.org/10.5194/hess-11-1633-2007
  44. Назарова Л. Е. 2021. Климатические условия на территории Карелии. — В кн.: Современные исследования водоемов Севера. Петрозаводск. С. 7–16. https://www.cnshb.ru/Vexhib/vex_news/2022/vex_220305/04059743.pdf
  45. Костина Е. Э., Ахметова Г. В., Пеккоев А. Н., Харитонов В. А., Крышень А. М. 2022. Формирование растительного покрова при лесной рекультивации песчано-гравийного карьера в Республике Карелия. — Раст. ресурсы. 3: 290–310. https://elibrary.ru/item.asp?id=49420236
  46. Pridacha V. B., Akhmetova G. V., Semin D. E. 2024. Effect of forest reclamation on carbon stocks and respiration of soils of natural and technogenic ecosystems of southern Karelia. —Eurasian Soil Sci. 57(2): 301–312. https://doi.org/10.1134/S106422932360286X
  47. Lichtenthaler H. 1987. Chlorophylls and carotenoids – pigments of photosynthetic biomembranes. — Methods in Enzymol. 148: 350–382.
  48. Гавриленко В. Ф., Жигалова Т. В. 2003. Большой практикум по фотосинтезу. М. 256 с.
  49. Махонина Г. И. 2003. Экологические аспекты почвообразования техногенных экосистем Урала. Екатеринбург. 356 с.
  50. Иванов Л. А., Иванова Л. А., Ронжина Д. А., Юдина П. К. 2013. Изменение содержания хлорофиллов и каротиноидов в листьях степных растений вдоль широтного градиента на Южном Урале. — Физиология растений. 60(6): 856–864. https://doi.org/10.7868/S0015330313050072
  51. Дымова О. В., Головко Т. К. 2018. Фотосинтетические пигменты в растениях природной флоры таежной зоны европейского северо-востока России. — Физиология растений. 65(3): 294–300. https://doi.org/10.1134/S0015330319030035
  52. Бендер О. Г., Горошкевич С. Н. 2020. Газообмен и содержание фотосинтетических пигментов у широтных экотипов кедра сибирского в опыте ex situ. — Сиб. лес. журн. 5: 28–36. https://doi.org/10.15372/SJFS20200503
  53. Esteban R., Barrutia O., Artetxe U., Fernández-Marín B., Hernández A., García-Plazaola J. I. 2015. Internal and external factors affecting photosynthetic pigment composition in plants: a meta-analytical approach. — New Phytol. 206(1): 268–280. https://doi.org/10.1111/nph.13186
  54. Simkin A. J., Kapoor L., Doss C. G. P., Hofmann T. A., Lawson T., Ramamoorthy S. 2022. The role of photosynthesis related pigments in light harvesting, photoprotection and enhancement of photosynthetic yield in planta. — Photosynth. Res. 152(1): 23–42. https://doi.org/10.1007/s11120-021-00892-6
  55. Тютерева Е. В., Дмитриева В. А., Войцеховская О. В. 2017. Хлорофилл b как источник сигналов, регулирующих развитие и продуктивность растений (обзор). — Сельскохозяйственная биология. 52(5): 843–855. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2017.5.843rus
  56. Brodribb T. J., Cochard H. 2009. Hydraulic failure defines the recovery and point of death in water-stressed conifers. — Plant Physiol. 149(1): 575–584. https://doi.org/10.1104/pp.108.129783
  57. Urli M., Porté A. J., Cochard H., Guengant Y., Burlett R., Delzon S. 2013. Xylem embolism threshold for catastrophic hydraulic failure in angiosperm trees. — Tree Physiol. 33(7): 672–683. https://doi.org/10.1093/treephys/tpt030
  58. Воронин П. Ю., Рахманкулова З. Ф., Тарнопольская Е. Е., Кузнецов В. В. 2018. Закрывание устьиц хвои сосны в условиях водного дефицита определяется снижением водного потенциала апопласта мезофилла подустьичной полости. — Физиология растений. 65(4): 294–300. https://doi.org/10.7868/S001533031804005X
  59. Дымова О. В., Головко Т. К. 2018. Фотосинтетические пигменты: функционирование, экология, биологическая активность. — Изв. Уфимского НЦ РАН. 3(4): 5–16. https://doi.org/10.31040/2222-8349-2018-4-3-5-16
  60. Khorobrykh S., Havurinne V., Mattila H., Tyystjärvi E. 2020. Oxygen and ROS in photosynthesis. — Plants. 9(1): 91. https://doi.org/10.3390/plants9010091
  61. Song Y., Feng L., Alyafei M. A. M., Jaleel A., Ren M. 2021. Function of chloroplasts in plant stress responses. — Int. J. Mol. Sci. 22(24): 13464. https://doi.org/10.3390/ijms222413464
  62. Li M., Kim C. 2022. Chloroplast ROS and stress signaling. — Plant Commun. 3(1): 100264. https://doi.org/10.1016/j.xplc.2021.100264
  63. Сазонова Т. А., Придача В. Б. 2015. Влияние влагообеспеченности песчаных почв на параметры водообмена сосны обыкновенной в Южной Карелии. — Лесоведение. 6: 470–477. https://elibrary.ru/item.asp?id=25067432
  64. Сазонова Т. А., Болондинский В. К., Придача В. Б. 2019. Сопротивление движению влаги в проводящей системе сосны обыкновенной. — Лесоведение. 6: 556–566. https://doi.org/10.1134/S0024114819060081
  65. Сазонова Т. А., Болондинский В. К., Придача В. Б. 2017. Влияние водного дефицита хвои сосны обыкновенной на фотосинтез в условиях достаточного почвенного увлажнения. — Лесоведение. 4: 311–318. https://doi.org/10.7868/S0024114817040076

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изменчивость температуры воздуха (Т) и количества атмосферных осадков (Р) в период с мая (V) по сентябрь (IX) 2021 и 2022 гг. по фактическим среднемесячным (1) и среднемноголетним среднемесячным данным за период 1991–2020 гг. (2) для Карелии. По горизонтали – месяц и год исследования; по вертикали – температура воздуха, С (основная ось), атмосферные осадки, мм (вспомогательная ось).

Скачать (93KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Содержание азота в хвое 1-го (А) и 2-го года жизни (В) у Pinus sylvestris на посттехногенных землях (ПП 1, ПП 2, ПП 3) и в естественных условиях сосняка брусничного (ПП 4) в июле 2021 и 2022 гг. По горизонтали – год исследования; по вертикали – содержание элемента, % сухой массы.

Скачать (53KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Содержание Хл а (I), Хл b (II), Хл (а+b) (III), Кар (IV), отношение Хл а/Хл b (V) и ССК (VI) в хвое 1-го (А) и 2-го года жизни (В) у Pinus sylvestris на посттехногенных землях (ПП 1, ПП 2, ПП 3) и в естественных условиях сосняка брусничного (ПП 4) в июле 2021 и 2022 г. По горизонтали – год исследования; по вертикали – содержание пигмента, мг/г сырой массы, ССК, %.

Скачать (416KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Величины предрассветного (max) и полуденного (min) водного потенциала охвоенного побега Pinus sylvestris на посттехногенных землях (ПП 1, ПП 2, ПП 3) и в естественных условиях сосняка брусничного (ПП 4) в июле 2021 и 2022 г. По горизонтали – год исследования; по вертикали – водный потенциал, МПа.

Скачать (113KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024