I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИЗУЧЕНИЕ И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ УДЕЛЬНОЙ ЛИСТОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ РАСТЕНИЙ ГОРНОЙ ТУНДРЫ ХРЕБТА САРЫЧЕВА (ОЙМЯКОНСКИЙ РАЙОН РЕСПУБЛИКА САХА (ЯКУТИЯ))

• Авторы
• Файлы работы
• Наградные документы

Носикова Е.В. 1Юмагужина А.Р. 1

---

1МБОУ "УНГ"

Работа в формате PDF

295.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьника

I. Теоретическая часть 5

1.1.Удельная листовая поверхность, удельная масса листа 5

1.  

   1. Методы и материалы 8

II. Практическая часть 10

2.1. Методика изучения удельной листовой поверхности растений 10

2.2. Анализ УЛП высокогорных растений Оймяконского района 12

Заключение 14

Список использованной научной литературы 15

Приложения 16

Введение

Удельная листовая поверхность (УЛП) является одним из лучших сравнительных показателей в экологии растений. УЛП стали изучать в России недавно. В Якутии таких работ еще не было.Так же в условиях глобального изменения климата, актуальным является наблюдение за растениями высокогорий, так как влияние абиотических факторов среды там проявляется наиболее рельефно.

С учетом выше изложенного и представляется актуальность выбора темы исследования «Изучение и сравнительный анализ удельной листовой поверхности растений горной тундры хребта Сарычева (Оймяконский район Республика Саха (Якутия))».

Цель работы: изучение удельной листовой поверхности (УЛП, часть показателей для выявления функционального типа растений) высокогорных растений региона, отработать методику работы и заложить основу для дальнейшей работы.

Задачи:

1. изучить и проанализировать методику изучения удельной листовой поверхности(УЛП) растений;

2. собрать материал по растениям;

3. выявить по методике показатели УЛП высокогорных растений района исследования;

4. провести анализ полученных результатов, сделать сравнительный анализ с прошлогодними данными и с данными показателей УЛП высокогорий Кавказа.

Объекты исследования: растения собранные в высокогорных тундровых сообществах хребта Сарычева (25 км к северо-востоку от п. Усть-Нера)

Изучаемые нами показатели:

• площадь листьев (в см²)

• вес (в гр)

позволяют изучить реакцию растений на условия обитания.

Новизна. Изучение УЛП растений высокогорья Оймяконья ранее не проводились.

Настоящая работа выполнена в течении 2013-2015 гг. Полевой материал был собран в горной тундре хребта Сарычева (Оймяконский район РС (Якутия)).

Теоретическое значение. Исследование эколого-морфологических особенностей листьев высокогорных растений имеет большое теоретическое значение в современной высокогорной экологии, так как эти данные могут быть использованы для создания функциональной классификации высокогорных растений необходимых для понимания механизмов динамики тундровых сообществ.

Практическое значение. На основании полученных результатов в будущем возможна выработка практических рекомендаций по рациональному использованию и сохранению уникального биологического разнообразия высокогорных фитоценозов Оймяконья. Также результаты работы можно использовать при создании в перспективе «Биологической флоры Оймяконского района», включающей детальные данные по биологии и экологии отдельных видов растений.

Методологической основой исследования служат теоретические и практические исследования ученыхШидакова И.И., Онипченко В.Г., Елумеевой Т.Г.

Для решения задач данного исследования использовались следующие методы исследования: анализ научных работ по теме исследования, наблюдение, сравнение и анализ.

Задачи исследования, их решение и логическая последовательность определили структуру и содержание исследовательской работы: введение, две главы, заключение, список используемой литературы, приложения.

I. Теоретическая часть

1.1.Удельная листовая поверхность, удельная масса листа

Лист – основной ассимилирующий орган растения, в котором образуются

органические вещества, служащие структурно-энергетическим материалом для всего организма.¹

Особое место среди эколого-физиологических признаков, важных для изучения стратегии растений, описанных Ф. Граймом (Grime, 2001), занимает особенности строения листового аппарата, такие как толщина листа, содержание воды в насыщенном состоянии, площадь листа, и удельная листовая поверхность (площадь одного грамма листа). Различия по этим признакам связаны с адаптацией растений к местообитаниям разного почвенного богатства и разной продуктивности. Растения богатых почв обычно имеют более высокую относительную скорость роста, связанную с высокой интенсивностью фотосинтеза и высокой удельной листовой поверхностью (Shipley, 2002). По мнению F.Vendramini и др. (2002), для мировых сравнительных баз данных по экологическим свойствам растений удельная листовая поверхность – величина, обратная поверхностной плотности листьев (массе 1 см² листа), - является одним из лучших сравнительных показателей².

Удельная листовая поверхность (УЛП,specific leaf area (SLA)) является одним из лучших сравнительных показателей в экологии растений.

Удельная листовая поверхность показывает возможную площадь листьев того или иного растения, на образование которой затрачивается 1грам биомассы. Она может быть рассчитана на единицу живой (сырой) или сухой массы листа. Чаще используется последний показатель.

Одним из количественных показателей структуры листьев является сухая масса единицы их площади – LMA (leafmassperarea). Этот индекс, равно как и обратный ему – удельная листовая поверхность, зачастую используется в экологических исследованиях.

Масса одного квадратного сантиметра листа растения, LMA, – количественный показатель, отражающий затраты растения на построение этого квадратного сантиметра. LMA представляет собой сумму удельных масс функциональных, живых частей клеток и их механических компонентов, по соотношению вклада которых можно судить о функциональном состоянии растения в целом. LMA, равно как и его составляющие, меняется под воздействием света, влажности и других экологических факторов.Чем ниже LMA, тем меньше растение затрачивает продуктов фотосинтеза на формирования своих листьев, тем быстрее оно растет. Чем выше УЛП, тем больше площадь листа растения, тем тоньше лист, выше фотосинтетическая активность. Чем ниже УЛП, тем более плотные листья, тем более экономно создает вещество растение³.

Сухая масса листа (да и всего растения) складывается из массы cимпласта (протопластов всех живых клеток, соединенных между собой цитоплазматическими тяжами – плазмодесмами - в единый физиологический комплекс) и массы апопласта (фазы клеточных стенок). Симпласт, в котором находятся все внутриклеточные элементы, в том числе хлоропласты, является активным содержимым растительной клетки, ее функциональным компонентом. Апопласт можно рассматривать как среду обитания симпласта. Чем больше отношение симпласта к апопласту, тем выше функциональная активность клетки. В свою очередь это отношение зависит от размеров клеток, их количества на единицу площади листа, типа клеток и плотности их упаковки. Однако в симпласте (в хлоропластах) вследствие фотосинтеза происходит накопление крахмала, вклад которого может достигать более 40% LMA. В функциональном же смысле, крахмал – ближе к апопласту, поэтому и массу его стоит присоединять к массе апопласта.

Высокий уровень минерального питания при недостатке света вызывает снижение LMA: в этом случае происходит торможение фотосинтеза, и крахмал в листьях практически не запасается. При хорошем освещении и минеральном питании также может наблюдаться снижение LMA – за счет интенсивного роста растения и активного потребления крахмала.

Снижение минерального питания замедляет рост растений, отток крахмала в зоны роста приостанавливается, и этот оставшийся в листьях крахмал увеличивает LMA. Чем больше LMA, тем меньше содержания минеральных веществ в самих листьях, что подтверждает возрастание доли апопласта, в том числе и крахмала. Скудное минеральное питание приводит к измельчанию клеток в листьях и относительному увеличению массы клеточных стенок, т.е. апопласта, а также недостаток минеральных элементов сдерживает формирование симпласта, что влечет за собой уменьшение отношения симпласта к апопласту⁴.

При дефиците воды LMA возрастает за счет апопласта, потому что у развивающегося листа могут уменьшаться размеры клеток и увеличиваться плотность их упаковки, а у взрослого листа усиливается отложение крахмала из-за снижения скорости оттока ассимилянтов.

В целом, LMA обычно увеличивается с возрастанием освещенности и концентрации CO₂, а также при недостатке влаги. Доступность минерального питания влияет на LMA по-разному, в зависимости от дополнительных факторов среды, однако его недостаток снижает отношение симпласта к апопласту. На степень изменчивости LMA влияют видовые особенности растений.

1.2 Методы и материалы

Изучение удельной листовой поверхности проводили по методике применяемой Онипченко В.Г, Шидаковым И.И.

Общая схема методики подсчета УЛП:

1. отбор образцов;

2. сканирование листьев (по 10-15 образцов каждого вида в каждом сообществе);

3. подсчет площади листьев через подсчет пикселей и перевод в см² по формуле: (число пикселей*6,4516)/90000;

4. измерение массы листьев;

5. подсчет УЛП по формуле: УЛП = площадь 1 листа : массу 1 листа ( в см² на грамм);

6. внесения полученных данных в таблицы Excel (таблица 1);

7. анализ результатов.

• Отбор образцов. С каждой особи изученных видов растений отбираются по одному среднему, хорошо развитому, не поврежденному фитофагами листу, при этом исследуемые особи растений должны располагаться на расстоянии не менее 0.5 мм друг от друга. В случае редко встречающихся видов растений, с каждого растения отбираются по два листа. Общее число листьев по каждому виду должно быть не менее 10-15-ти.

• Сканирование листьев. Отобранные листья расправляются, вкладываются в специально размеченный файл и сканируются с разрешением 300 dpi.

• Подсчет площади. Площадь поверхности определяется на основании подсчета доли темных пикселей по программе «PhotoShop» или «CorelPaintShopProX5». Площадь листа выводили по формуле: (число пикселей*6,4516)/90000.

• Измерение массы листа. Измерение массы проводят на базе СВФУ (Северо-Восточном Федеральном университете имени М.К.Аммосова) на специальных весах, которые позволяют узнать массу листа до одной десятитысячной грамма.

• Подсчет УЛП. Удельная листовая поверхность рассчитывалась по формуле: площадь листа делим на массу этого листа.

II. Практическая часть.

2.1. Методика изучения удельной листовой поверхности растений

Площадь Оймяконского района — 92,2 тыс. км². Это 14-й среди наибольших по размеру улусов республики Саха. Граничит на юго-западе с Усть-Майским улусом, на западе - с Томпонским улусом, на севере - с Момским улусом, на востоке - с Магаданской областью и на юге - с Хабаровским краем. Весь улус расположен южнее Северного полярного круга, следовательно, полярного дня и полярной ночи в улусе не наблюдается, притом, что летом день очень продолжительный, а зимой очень короткий.

Мы изучали растения хребта Сарычева- это горный хребет Якутии, расположенный в междуречье верхней Индигирки и её правого притока - реки Нера. Длина хребта составляет около 200 км, высота достигает 2341 м. Хребет сложен алевролитами (твердая осадочная горная порода) и аргиллитами (твёрдая, камнеподобная глинистая горная порода), гранитов (горная порода состоит из кварца, плагиоклаза, калиевого полевого шпата и слюд). В нижней части склонов растут редкостойные лиственничные леса.

Исследования проводили на территории Оймяконского района в 25 км к северо-востоку от п. Усть-Нера в составе экологической научно-исследовательского лагеря «Эндемик» (научно-образовательный высокогорный стационар). Где и занимаемся изучением высокогорных сообществ и растений хребта Сарычева, проводим исследовательские, учебные и мониторинговые исследования по экологии растений совместно с учеными МГУ, СВФУ, ИБПК СО РАН. К первым работам по данному проекту мы приступили летом 2013 года.

В 2013 году было собрано 15 видов растений, в 2014 было собрано 43 вида растений, в 2015 году было собрано 37 вида.

Лесных растений было собрано 16 видов, тундровых кустарниковых и травянистых растений – 14 видов, тундровых полукустарничковых растений – 5видов. Всего изучили 29 видов растений.

Объектами исследований стали:

1. Багульник болотный Ledumpalustre

2. Береза повислаяBétulapéndula

3. Брусника обыкновенная Vacciniumvitis – idaea

4. Голубика обыкновенная Vacciniumuliginosum

5. Грушанка круглолистная Pyrolarotundifolia

6. Ива БеббаSalixbebbiana

7. Ива миртовая Salixmyrsinites

8. Ива сизая Salixglauca

9. Иван-чай узколистый Chamaenerionangustifolium

10. Лиственница ДаурскаяLarixdahuricasubsr.cajanderi

11. Малина обыкновенная Rubusidaeus

12. Ольховник кустарниковый Duschekiafruticosa

13. Полынь арктическая ЭрендрофераArtemisiaarcticaLess. Subsp. ehrendorferi

14. СмородинадушистаяRibesfragrans

15. ТопольдушистыйPopulussuaveolens

16. ШикшаEmpertrumnigrum

17. БерезаЭрманиBetulaermanii

18. БерезакарликоваяBetulaexilis

19. Иван-чайшироколистныйChamaenerionlatifolium

20. КедровыйстланникPinuspumila

21. КассиопеячетырехграннаяCassiopetetragona

22. Рододендрон золотистый Rhododendronaureum

23. Дриада точечная Dryaspunctata

24. Плаун колючий Lycopódiumannotinum

25. Мытник болотный Redicularispalustric

26. Камнеломка Нельсона Saxifraganelsoniana

27. Горец птичий Polygonumavicularia

28. Калужница арктическая Calthaarctica

29. Тофиельдия багряная Tofieldiacoccinea

По методике изучения удельной листовой поверхности растений определили УЛП растений (ПриложенияА-Г).

2.2. Анализ УЛП высокогорных растений Оймяконского района

По полученным данным 2013 - 2015 годов мы провели сравнительный анализ полученных результатов с результатами работ, которые проводились учеными в высокогорном стационаре Кавказа, в местности Малая Хатипара.Для сравнения мы взяли три растения, широко распространенных в высокогорной местности: дриада точечная (Dryas punctata), голубика обыкновенная (Vaccínium uliginósum), кассиопея четырехгранная (Cassiope tetragona).

У нас получились такие показатели (ПриложенияД-Е): УЛП у дриады точечной равно 131 см²/г, у голубики обыкновенной 114 см²/г, у кассиопеи четырехгранной 10см²/г.

Средняя величина УЛП для холодных и высокогорных областей – 180 см²/г, для высокогорий Кавказа это 187 см²/г, что существенно выше выявленных нами (131-10).

Хотя голубика обыкновенная является широкораспространенным видом, встречается в таежных условиях, его показатель также ниже средних (114 против 180).

Два тундровых вида (кассиопея четырехгранная и дриада точечная) имеют показатели намного ниже (10-131), многих выявленных в других регионах мира (180-187).

Данные по растениям Кавказа взяты из статьи Шидакова и Онипченко (2007).

Сравнительный анализ температурного режима (Приложение Ж) высокогорий Кавказа и Оймяконья показывает, что когда наступает вегетационный период на Кавказе в Оймяконье еще холодно. Вегетационный период на Кавказе длится с середины марта по ноябрь, в Оймяконском районе он начинается в середину июня и длится до середины августа. Хоть и высокогорные растения развиваются в течение короткого периода, они успевают пройти все жизненные этапы и накапливают в себя столько же питательных веществ, сколько накапливают растения других регион мира. Мы считаем, что это связано с «белыми ночами», которые в нашем районе длятся с 1мая по 13августа и с особенностями листовой пластинки (небольшие толстые листочки).

Таким образом, максимальная удельная листовая поверхность (УЛП) отмечается у дриады (131), почти такие же показатели УЛП у голубики (114). Минимальная УЛП у кассиопы (типичного тундрового растения) - 10, что характерно для медленно растущих видов, имеющих плотные листья. Стандартная ошибка у всех видов в пределах 10%, что соответствует стандарту и может быть оценена как положительное явление.

Мы вполне соответствуем требованиям, которые предъявляются учеными для оценки качества работы.

Заключение.

Нами изучена и проведена отработка методики изучения удельной листовой поверхности (УЛП) растений, заложена основа для дальнейшей работы.

В результате работы в научно – исследовательском лагере «Эндемик» собран материал по высокогорным растениям Оймяконья, на хребте Сарычева.

Выявлены по методике показатели УЛП высокогорных растений района исследования, а также проведен сравнительный анализ полученных результатов с результатами работ, которые проводились учеными в высокогорном стационаре Кавказа, в местности горы Малая Хатипара.

По результатам трехлетней работы выявлено, что УЛП высокогорных растений Оймяконья гораздо ниже показателей по другим регионам России, это говорит о приспособленности растений к суровым климатическим и природным условиям Полюса Холода.

Собранный нами материал может быть использован для выработки практических рекомендаций по рациональному использованию и сохранению уникального биологического разнообразия высокогорных фитоценозов Оймяконья. Также результаты работы можно использовать при создании в перспективе «Биологической флоры Оймяконского района», включающей детальные данные по биологии и экологии отдельных видов растений. А также собранный гербарий растений высокогорья может быть использован на уроках биологии и географии.

Для дальнейшей работы заложены опытные участки, трансекты для изучения изменения УЛП высокогорных растений при внесении удобрений.

Список использованной научной литературы.

1. Елумеева Т.Г. Разногодичная динамика и конкуренция на альпийских лишайниковых пустошах и пестроовсяницевых лугах Тебердинского заповедника. // диссертация, Москва, 2006 год.

2. Шидаков И.И., Онипченко В.Г. Сравнение параметров листового аппарата растений альпийского пояса Тебердинского заповедника// Бюлл. Моск. о-ва испытателей природы. Отд. Биол., 2007,-т. 112, вып. 4,- с.42-49.

3. Шидаков И.И., Онипченко В.Г. «Бюллетень МОИП», 2007, отд. биол.

4. www.herba.msu.ru

Приложение А

Таблица 1

Фрагмент таблицы расчет УЛП дриады точечной в высокогорных сообществах хребта Сарычева (система хребтов Тас-Кыстабыт)

ПриложениеБ

Таблица 2

Таблица 3

Приложение В

Таблица 4

Таблица 5

Приложение Г.

Таблица 6

Приложение Д

Таблица 7

Таблица 8

Средние показатели видов высокогорных сообществ хребта Сарычева (система хребтов Тас-Кыстабыт)

Приложение Е

Таблица 9

Приложение Ж

Рисунок 1

1^Конлов Н.Ф. Математические методы определения площади листьев растений / Н.Ф. Конлов//Доклады ВАСХИИЛ – 1970. – № 9. – С. 5–11.

2^Шидаков И.И., Онипченко В.Г. «Бюллетень МОИП», 2007, отд. биол.

3^Шидаков И.И., Онипченко В.Г. Сравнение параметров листового аппарата растений альпийского пояса Тебердинского заповедника// Бюлл. Моск. о-ва испытателей природы. Отд. Биол., 2007,-т. 112, вып. 4,- с.42-49.

4^Елумеева Т.Г. Разногодичная динамика и конкуренция на альпийских лишайниковых пустошах и пестроовсяницевых лугах Тебердинского заповедника. // диссертация, Москва, 2006 год