Функционирование листового аппарата, корневой системы и биологической продуктивности лиственницы сибирской на уровне организма в онтогенезе (на примере лиственничников Архангельской области)

УДК

581.43:631.811:630*161.32:676.032.14

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2018.3.9

Аннотация

Для получения количественных данных о работе листового аппарата и корневой системы, а также показателей биологической продуктивности и депонирования углерода растениями лиственницы сибирской в онтогенезе использованы экологические, физиологические, агрохимические и балансовые методы исследования, а также характеристики почвенно-климатических условий мест произрастания и собственные результаты модельных опытов авторов. Табличные данные массы корней, хвои, стволов и сучьев, приведенные на 1 га для древостоев Iа–V классов бонитета Архангельской области, пересчитывали на среднее (по массе) растение по возрастам. Биологическую продуктивность определяли по относительному увеличению сухой массы растения в сравниваемых периодах, чистую продуктивность фотосинтеза – по формуле, приведенной А.А. Ничипоровичем (1955), минеральную продуктивность – по В.М. Лебедеву (1998). Установлен характер реакции растений на истощение почвенных ресурсов с возрастом, затрагивающий физиологические, функциональные и морфологические процессы и биологическую продуктивность растений. В древостоях всех классов бонитета с 25 до 300 лет отмечено снижение чистой и биологической продуктивности фотосинтеза и депонирования углерода в зависимости от бонитета соответственно в 4,1–8,1; 15,7–19,9 и 5,6–10,7 раза, поглощения азота, фосфора и калия – соответственно в 20,4–42,2; 24,3–53,1 и 24,0–50,2 раза. Показатели резко изменялись до возраста 75–80 лет, после чего относительно стабилизировались, оставаясь на низком уровне. При этом отношение корневого потенциала к фотосинтетическому в течение онтогенеза увеличилось в 4,5–5,4 раза. За счет этого усилилось снабжение растения элементами питания для поддержания фотосинтеза, биологическая продуктивность снижалась не так резко, как чистая продуктивность фотосинтеза и минеральная продуктивность. Представленные материалы существенно дополняют знания о биологии древесных растений, способствуют расширению исследований в области экологии и физиологии древесных растений и служат теоретической основой для разработки агротехнических приемов управления продукционным процессом. Предложенный комплексный физиологический анализ таблиц фитомассы древостоев позволяет получать количественные данные о работе листового аппарата и корневой системы древесных растений на уровне организма в онтогенезе, устанавливать характер их взаимосвязи. В древостоях всех бонитетов в ответ на снижение поглощения минеральных элементов активизировалась неспецифическая адаптивная реакция, приводящая к росту активной части корневой системы относительно поверхности хвои для увеличения подачи элементов в надземную часть в целях поддержания фотосинтеза на жизненно необходимом уровне и стабилизации биологической продуктивности.

Сведения об авторах

В.М. Лебедев, д-р с.-х. наук, проф.
Е.В. Лебедев, канд. биол. наук, доц.
Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, пр. Гагарина, д. 97, г. Нижний Новгород, Россия, 603107; e-mail: proximus39@mail.ru, proximus77@mail.ru

Ключевые слова

лиственница, корневое питание, фотосинтез, уровень организма, продуктивность, онтогенез

Для цитирования

Лебедев В.М., Лебедев Е.В. Функционирование листового аппарата, корневой системы и биологической продуктивности лиственницы сибирской на уровне организма в онтогенезе (на примере лиственничников Архангельской области) // Лесн. журн. 2018. № 3. С. 9–19. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.3.9

Литература

1. Бессчетнов В.П., Лебедев Е.В. Фотосинтез и биологическая продуктивность лесообразующих пород Волго-Вятского региона // Актуальные проблемы лесного хозяйства и рациональное использование природных ресурсов Нижегородской области. Н. Новгород: НГСХА, 2002. С. 107–116.
2. Бобкова К.С., Тужилкина В.В., Кузин С.Н. Углеродный цикл в еловых эко-системах северной тайги // Экология. 2006. № 1. С. 23–31.
3. Географический энциклопедический словарь: Географические названия. М.: Сов. энцикл., 1983. 528 с.
4. Ильин В.Б. Элементарный химический состав растений. Факторы его опре-деляющие // Изв. Сиб. отд. АН СССР. Сер. «Биол. науки». 1977. № 10, вып. 2. С. 3–14.
5. Курнаев С.Ф. Лесорастительное районирование СССР. М.: Наука, 1973. 203 с.
6. Лавриченко В.М. Соотношение элементов питания в растениях как видовое генотипическое понятие // Вестн. с.-х. науки. 1971. № 7. С. 129–134.
7. Лебедев В.М. Минеральное питание и биологическая продуктивность яблони: дис. … д-ра с.-х. наук. Мичуринск, 1985. 553 с.
8. Лебедев В.М. Определение активной поверхности и минеральной продуктивности корневой системы плодовых и ягодных культур // Методика исследования и вариационная статистика в научном плодоводстве: сб. докл. междунар. науч.-практ. конф., Мичуринск, 25–26 марта 1998 г. Мичуринск: Изд-во МГСХА, 1998. Т. 2. С. 39–42.
9. Лебедев В.М., Лебедев Е.В. Сравнительное определение продуктивности лес-ных пород // Нетрадиционные и редкие растения, природные соединения и пер-спективы их использования: VII междунар. симпозиум, Белгород, 24–27 мая 2006 г. Белгород: Политерра, 2006. Т. 1. C. 213–216.
10. Лебедев В.М., Лебедев Е.В. Морфологические, функциональные и физио-логические особенности активной части корневой системы лесообразующих пород Волго-Вятского региона // Агрохимия. 2011. № 4. С. 38–44.
11. Логунов Д.В. Экологические особенности роста и развития представителей рода лиственница (Larix Mill.) в условиях антропогенных ландшафтов Нижегород-ской области: дис. … канд. биол. наук. Н. Новгород, 2002. 287 с.
12. Ничипорович А.А. О методах учета и изучения фотосинтеза как фактора урожайности // Тр. ИФР АН СССР. 1955. Т. 10. С. 210–249.
13. Погода и климат. Режим доступа: http://www.pogodaiklimat.ru/climate/22550.htm (дата обращения: 01.03.2018).
14. Придача В.Б. Соотношение N:P:K как гомеостатический показатель функционального состояния хвойных растений в разных экологических условиях: автореф. дис. … канд. биол. наук. Петрозаводск, 2002. 24 с.
15. Усольцев В.А. Фитомасса лесов Северной Евразии: нормативы и элементы географии. Екатеринбург: УрО РАН, 2002. 762 с.
16. Begon M., Harper J.L., Townsend C.R. Ecology: Individuals, Populations and Communities. Wiley-Blackwell, 1996. 1068 p.
17. Cox G.W., Atkins M.D. Agricultural Ecology. An Analysis of World Food Production Systems. San Francisco: W.H. Freeman and Company, 1979. 721 p.
18. Lundmark T., Bergh J., Strand M., Koppel A. Seasonal Variation of Maximum Photochemical Efficiency in Boreal Norway Spruce Stands // Trees. 1998. Vol. 13, iss. 2. Pp. 63–67.
19. Nye P.H., Tinker P.B. Solute Movement in the Soil-Root System. Berkeley: University of California Press, 1977. 342 p.
20. Pollmer W.G., Eberhard D., Klein D., Dhillon B.S. Genetic Control of Nitrogen Uptake and Translocation in Maize // Crop Science. 1979. Vol. 19, iss. 1. Pp. 82–86.
21. Rosenvald K., Ostonen I., Truu M., Truu J., Uri V., Vares A., Lõhmus K. Fine-root Rhizosphere and Morphological Adaptations to Site Conditions in Interaction with Tree Mineral Nutrition in Young Silver Birch (Betula Pendula Roth.) Stands // European Journal of Forest Research. 2011.Vol. 130, iss. 6. Pp. 1055–1066.

Поступила 06.03.18

Ссылка на английскую версию:

Functioning of the Leaf Apparatus, Root System and Biological Productivity of Siberian Larch on the Level of the Organism in Ontogeny (the Case of Larch Forests of the Arkhangelsk Region)

UDC 581.43:631.811:630*161.32:676.032.14
DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.3.9

Functioning of the Leaf Apparatus, Root System and Biological Productivity of Siberian Larch on the Level of the Organism in Ontogeny (the Case of Larch Forests of the Arkhangelsk Region)

V.M. Lebedev, Doctor of Agricultural Sciences, Professor
E.V. Lebedev, Candidate of Biological Sciences, Associate Professor
Nizhny Novgorod State Agricultural Academy, pr. Gagarina, 97, Nizhny Novgorod, 603107, Russian Federation; e-mail: proximus39@mail.ru, proximus77@mail.ru

The ecological, physiological, agrochemical, balance methods of investigation, characteristics of soil and climatic conditions of habitats and the results of model experiments carried out by the authors, are used to obtain quantitative data on the operation of the leaf apparatus, root system and indicators of biological productivity and carbon deposition by plants of Siberian larch in ontogeny. Tabular data of the root, needle, trunk and branches mass given per one hectare for the stands of Iа–V yield classes of the Arkhangelsk region are converted to an average (by weight) plant by age. Biological productivity is determined by a relative increase in the dry weight of a plant in the comparison periods, net productivity of photosynthesis according to the formula given by A.A. Nichiporovich (1955), and mineral productivity by the method of V.M. Lebedev (1998). The nature of the plant reaction on the depletion of soil resources with age, affecting physiological, functional and morphological processes and biological productivity of plant sis established. In the forest stands of all yield classes from 25 to 300 years, we observe a decrease in the net and biological productivity of photosynthesis and carbon deposition, depending on the yield class, by 4.1–8.1, 15.7–19.9, 5.6–10.7 times, respectively, and the absorption of nitrogen, phosphorus and potassium by 20.4–42.2, 24.3–53.1, and 24.0–50.2 times, respectively. The indicators change dramatically to the age of 75–80 years, and then they relatively stabilize, remaining at a low level. The ratio of the root potential to the photosynthetic potential during ontogeny in creases by 4.5–5.4 times. The supply of plants with nutrients to maintain photosynthesis has increased, the biological productivity has not decreased as sharply as the net productivity of photosynthesis and mineral productivity. The presented data significantly supplement our knowledge of biology of woody plants, contribute to the expansion of research in the field of ecology and physiology of woody plants and serve as a theoretical basis for the development of agricultural methods for managing the production process. The proposed complex physiological analysis of tables of plant phytomass allows us to obtain quantitative data on the operation of the leaf apparatus and the root system of woody plants at the level of the organism in ontogeny, and to establish the nature of their interconnection. In the forest stands of all yield classes a nonspecific adaptive reaction is activated in response to a decrease in the absorption of mineral elements. This leads to the growth of the active part of the root system relative to the surface of needles to increase the supply of elements to the aerial part of the plant in order to maintain photosynthesis at the vital level and stabilize biological productivity.

Keywords: larch, root nutrition, photosynthesis, level of organism, productivity, ontogeny.

REFERENCES

1. Besschetnov V.P., Lebedev E.V. Fotosintez i biologicheskaya produktivnost' lesoobrazuyushchikh porod Volgo-Vyatskogo regiona [Photosynthesis and Biological Productivity of Forest-Forming Species of the Volga-Vyatka Region]. Aktual'nye problem lesnogo khozyaystva i ratsional'noe ispol'zovanie prirodnykh resursov Nizhegorodskoy oblasti [Actual Problems of Forestry and Rational Use of Natural Resources of the Nizhny Novgorod Region]. Nizhny Novgorod, NNSAA Publ., 2002, pp. 107–116. (In Russ.)
2. Bobkova K.S., Tuzhilkina V.V., Kuzin S.N. Uglerodnyy tsikl v elovykh ekosistemakh severnoy taygi [Carbon Cycle in Spruce Ecosystems of the Northern Taiga Subzone]. Ekologiya [Russian Journal of Ecology], 2006, no. 1, pp. 23–31.
3. Geograficheskiy entsiklopedicheskiy slovar': Geograficheskie nazvaniya [Geographical Encyclopedic Dictionary: Geographical Names]. Moscow, Sovetskaya entsiklopediya Publ., 1983. 528 p. (In Russ.)
4. Il'in V.B. Elementarnyy khimicheskiy sostav rasteniy. Faktory ego opredelyayushchie [Elementary Chemical Composition of Plants. Determinal Factors]. Izvestiya Sibirskogo otdeleniya AN SSSR. Ser.: Biologicheskie nauki, 1977, no. 10, iss. 2, pp. 3–14.
5. Kurnaev S.F. Lesorastitel'noe rayonirovanie SSSR [Plant Zoning of the USSR]. Moscow, Nauka Publ., 1973. 203 p. (In Russ.)
6. Lavrichenko V.M. Sootnoshenie elementov pitaniya v rasteniyakh kak vidovoe genotipicheskoe ponyatie [The Ratio of Nutrients in Plants as a Species Genotypic Concept].Vestnik sel'skokhozyaystvennoy nauki, 1971, no. 7, pp. 129–134.
7. Lebedev V.M. Mineral'noe pitanie i biologicheskaya produktivnost' yabloni: dis. … d-ra s.-kh. nauk [Mineral Nutrition and Biological Productivity of Apple Tree: Dr. Agric. Sci. Diss.]. Michurinsk, 1985. 553 p.
8. Lebedev V.M. Opredelenie aktivnoy poverkhnosti i mineral'noy produktivnosti kornevoy sistemy plodovykh i yagodnykh kul'tur [Determination of the Active Surface and Mineral Productivity of the Root System of Fruit and Berry Crops]. Metodika issledovaniya i variatsionnaya statistika v nauchnom plodovodstve: sb. dokl. mezhdunar. nauch.-prakt. konf., Michurinsk, 25–26 marta 1998 g. T. 2 [Methods of Research and Variation Statistics in Scientific Fruit Growing: Proc. Intern. Sci. Practical Conf., Michurinsk, March 25–26, 1998. Vol. 2]. Michurinsk, MSAA Publ., 1998, pp. 39–42.
9. Lebedev V.M., Lebedev E.V. Sravnitel'noe opredelenie produktivnosti lesnykh porod [Comparative Determination of the Forest Species Productivity]. Netraditsionnye i redkie rasteniya, prirodnye soedineniya i perspektivy ikh ispol'zovaniya: materialy mezhdunar. nauch. konf. [Non-traditional and Threatened Species of Plants, Natural Compounds and Prospects for Their Use: Proc. Intern. Sci. Conf.]. Belgorod, Politerra Publ., 2006, vol. 1, pp. 213–216.
10. Lebedev V.M., Lebedev E.V. Morfologicheskie, funktsional'nye i fiziologicheskie osobennosti aktivnoy chasti kornevoy sistemy lesoobrazuyushchikh porod Volgo-Vyatskogo regiona [Morphological, Functional, and Physiological Features of Active Roots of Forest-Forming Species in the Volga-Vyatka Region]. Agrokhimiya [Agricultural Chemistry], 2011, no. 4, pp. 38–44.
11. Logunov D.V. Ekologicheskie osobennosti rosta i razvitiya predstaviteley roda listvennitsa (Larix Mill.) v usloviyakh antropogennykh landshaftov Nizhegorodskoy oblasti: dis. … kand. biol. nauk [Ecological Features of Growth and Development of Representatives of the Genus Larch (Larix Mill.) in the Anthropogenic Landscapes of the Nizhny Novgorod Region: Cand. Biol. Sci. Diss.]. Nizhny Novgorod, 2002. 210 p.
12. Nichiporovich A.A. O metodakh ucheta i izucheniya fotosinteza kak faktora urozhaynosti [On the Methods of Recording and Studying Photosynthesis as a Yield Factor]. Trudy Instituta Fiziologii Rasteniy AN SSSR, 1955, vol. 10, pp. 210–249.
13. Pogoda i klimat [Weather and Climate]. Available at: http://www.pogodaiklimat.ru/ climate/22550.htm (accessed 01.03. 2018).
14. Pridacha V.B. Sootnoshenie N:P:K kak gomeostaticheskiy pokazatel' funktsional'nogo sostoyaniya khvoynykh rasteniy v raznykh ekologicheskikh usloviyakh: avtoref. dis. … kand. biol. nauk [The N:P:K Ratio as a Homeostatic Indicator of the Functional State of Coniferous Plants in Different Environmental Conditions: Cand. Biol. Sci. Diss. Abs.]. Petrozavodsk, 2002. 24 p.
15. Usol'tsev V.A. Fitomassa lesov Severnoy Evrazii: normativy i elementy geografii [Phytomass of Northern Eurasia Forests: Standards and Elements of Geography].Yekaterinburg, Ural Branch RAS Publ., 2002. 763 p.
16. Begon M., Harper J.L., Townsend C.R. Ecology: Individuals, Populations and Communities. Wiley-Blackwell, 1996. 1068 p.
17. Cox G.W., Atkins M.D. Agricultural Ecology. An Analysis of World Food Production Systems. San Francisco, W.H. Freeman and Company,1979. 721 p.
18. Lundmark T., Bergh J., Strand M., Koppel A. Seasonal Variation of Maximum Photochemical Efficiency in Boreal Norway Spruce Stands. Trees, 1998, vol. 13, iss. 2, pp. 63–67.
19. Nye P.H., Tinker P.B. Solute Movement in the Soil-Root System. Berkeley, University of California Press, 1977. 342 p.
20. Pollmer W.G., Eberhard D., Klein D., Dhillon B.S. Genetic Control of Nitrogen Uptake and Translocation in Maize.Crop Science, 1979, vol. 19, iss. 1, pp. 82–86.
21. Rosenvald K., Ostonen I., Truu M., Truu J., Uri V., Vares A., Lõhmus K. Fine-root Rhizosphere and Morphological Adaptations to Site Conditions in Interaction with Tree Mineral Nutrition in Young Silver Birch (Betula Pendula Roth.) Stands. European Journal of Forest Research, 2011, vol. 130, iss. 6, pp. 1055–1066.

Received on March 06, 2018

---

For citation: Lebedev V.M., Lebedev E.V. Functioning of the Leaf Apparatus, Root System and Biological Productivity of Siberian Larch on the Level of the Organism in Ontogeny (the Case of Larch Forests of the Arkhangelsk Region). Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2018, no. 3, pp. 9–19. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.3.9