Исследовательская работа «Определение устойчивости растений к засолению почвы и воздуха»

 МОУ ДОД «Центр дополнительного образования детей

 Георгиевского района»

Детское объединение «Исследователи природы»

Определение устойчивости растений

к засолению почвы и воздуха

                                                  Автор:   Писаренко Надежда Ивановна

                                          учитель биологии

                                                                  МОУ СОШ № 23 с.Новозаведенного

Введение

Практическая  значимость исследовательской работы заключается в том, что она может      быть использована службой жилищно - коммунального хозяйства при проведении озеленительных мероприятий, на уроках экологии при изучении антропогенного влияния на почву, а также при проведении занятий элективного курса «Физиология растений». 

        Цель: изучить устойчивость некоторых растений    произрастающих на территории села Новозаведенного к засолению почвы и воздуха.

Задачи:

1.   Оценить чувствительность растений к засолению почвы и воздуха;

2.   Определить влияние хлоридного и карбонатного засоления;

3.   Выделить  виды, обладающие относительной  устойчивостью к неблагоприятному воздействию солей.

Практическая  значимость исследовательской работы заключается в том, что она может      быть использована службой жилищно - коммунального хозяйства при проведении озеленительных мероприятий, на уроках экологии при изучении антропогенного влияния на почву, а также при проведении занятий элективного курса «Физиология растений». 

1.     Влияние засоления на растительные     организмы.

Растения,  приспособленные  к  существованию  в  условиях  избыточного засоления,  называют  галофитами  (от  греч.  «galos»  —  соль,  «phyton»  — растение). Это солеустойчивые растения, произрастающие на  различных  почвах по берегам соленых озер и морей, и особенно на засоленных почвах  в  степных и пустынных областях. Все галофиты можно разделить на три группы:    

  1) Настоящие   галофиты    (эвгалофиты)  —  наиболее    солеустойчивые растения, накапливающие в вакуолях значительные концентрации солей.

  2) Солевыделяющие галофиты  (криногалофиты),  поглощая  соли,  они  не накапливают их внутри тканей, а выводят  из  клеток  с  помощью  секреторных желёзок (гидатод), расположенных на листьях.                                  

3) Соленепроницаемые  галофиты  (гликогалофиты)  приспосабливаются  к произрастанию  на  засоленных   почвах   благодаря   накоплению   в   тканях органических  веществ.  Высокое   осмотическое   давление   в   их   клетках поддерживается за счет продуктов  фотосинтеза,  а  не  минеральными  солями. Клетки этих растений малопроницаемы для солей. ( Сергеева, 1971)                       Засоление приводит к созданию  в  почве  низкого  водного  потенциала, поэтому поступление воды в растение сильно  затруднено.  Важнейшей  стороной вредного влияния солей является также нарушение процессов  обмена.  Работами физиолога Б. П. Строганова показано, что  под  влиянием  солей  в  растениях нарушается азотный обмен, что приводит  к  интенсивному  распаду  белков,  в результате происходит накопление  промежуточных  продуктов  обмена  веществ, токсически действующих  на  растение,  таких  как  аммиак  и  другие,  резко ядовитые  продукты. Под   влиянием   солей   происходят   нарушения ультраструктуры клеток, в  частности  изменения  в  структуре  хлоропластов. (Строгонов, 1967)                           

Снижение  продуктивности  растений  в  условиях  хлоридного  засоления определяется   угнетением   их   роста,   который   является    интегральной характеристикой реакции растений  на  изменение  окружающей  среды.  Степень угнетения растений и снижения  биомассы  находится  в  прямой  коррелятивной зависимости от концентрации соли в субстрате и  продолжительности  засоления. Неясен  вопрос  о косвенном влиянии солей на рост растений. (Уоринг, Филлипс, 1984)    Некоторые авторы  утверждают,  что главной причиной замедления роста  растений  в  условиях  засоления  следует считать  не  прямое  влияние  избытка  солей  в  их  тканях,  а   ослабление способности корней поставлять в побеги необходимые  для  их  роста  продукты метаболизма,  т.  е.  замедление  поступления   питательных   элементов   из субстрата, угнетение их метаболизации в корнях  и  транспорта    в побеги. (Удовенко,1977)                                                                                 

Определенный  интерес  представляет  вопрос  о  различиях   в   уровне солеустойчивости разных органов  растений.  Отрицательное  действие  высокой концентрации солей сказывается раньше всего на  корневой  системе  растений. При этом в корнях страдают наружные клетки, непосредственно  соприкасающиеся с раствором соли. Характерной особенностью корневых систем  на  почвогрунтах с глубинным засолением является их поверхностное распространение.  Внезапное увеличение концентраций NaCl в среде приводит к  скачкообразному  увеличению ионной проницаемости корневой системы. Корни растений при избытке  солей теряют тургор, отмирают и, ослизняясь, приобретают темную окраску.       Исследования   показали,  что  корни   более   чувствительны   к засолению, чем надземные органы.  Однако  известны  и  факты  положительного влияния засоления субстрата  на  накопление  массы  корней  при  замедленном росте побегов.     В стебле наиболее подвержены действию солей клетки проводящей системы, по которым раствор солей поднимается к надземным органам. При натриево- хлоридном засолении побеги короткие, быстро заканчивают свой рост.       Листья также в значительной мере  чувствительны  к  засолению.  Общей  реакцией для многих сельскохозяйственных культур является отмирание  нижних  листьев, подсыхание  кончиков  листьев,  изменение окраски листьев от темно-зеленой  к  светло-зеленой  с  желтым оттенком — явный признак солевого повреждения. (Генкель,1982)                                               

С увеличением  концентрации  соли  наблюдается  тенденция  к  снижению суккулентности растений, что  свидетельствует  о  подавлении  способности  к осморегуляции. С увеличением концентрации  хлорида  натрия  растения теряют  способность  сохранять  оводненность  органов  и  это   отрицательно сказывается на их солеустойчивости. Но в то же время  разные  виды  растений обладают  различной  способностью  регулировать  содержание  воды  в   своих тканях. Так С3 растения регулирует содержание воды  в  своих  органах  хуже, чем С4. (Горышина, 1979)

      В результате обобщения данных  о  влиянии  засоления  среды  выделены  следующие факторы угнетения растении при засолении:

      1)  Затрудненно  водоснабжения  целого  растения  и,   следовательно,  отрицательные изменения в работе механизмов осморегуляции;

      2)  Дисбаланс  минерального  состава  среды,  в  результате  которого  происходят нарушения минерального питания растений;

      3) Стресс на сильное засоление;                                  

      4)Токсикация.     (Прокофьев, 1978)

       В  сельскохозяйственном  производстве  основным   методом   борьбы   с засолением является мелиорация засоленных почв, создание  надежного  дренажа и промывка почв после сбора урожая. На  солонцах  (почвы,  содержащие  много натрия) мелиорацию осуществляют с помощью  гипсования,  которое  приводит  к вытеснению натрия из  почвенного  поглощающего  комплекса  и  замещению  его кальцием.       Внесение в почву  микроэлементов  улучшает  ионный  обмен  растений  в условиях   засоления.   Солеустойчивость   растений   увеличивается    после применения предпосевного закаливания семян. Для семян хлопчатника,  пшеницы, сахарной свеклы достаточна обработка в течение часа 3%-ным раствором NaCl  с последующим промыванием  водой  (1,5  ч).   При  такой  «закалке»  снижается проницаемость протоплазмы для солей, повышается порог её коагуляции  солями, меняется характер обмена  веществ  -  растения,  выросшие  из  таких  семян, характеризуются  более  низкой  интенсивностью  обмена,  но  являются  более устойчивыми  к  хлоридному  засолению. Для  закалки   к   сульфатному засолению семена в течение суток вымачивают  в  0,2%-ном  растворе  сульфата магния.  ( Володько,1983)  

2.     Физико-географическая характеристика места исследования

      Георгиевский район расположен на юге Ставропольского края. Село Новозаведенное находится на востоке Георгиевского района, на левом берегу реки Кумы, на высоте 245 метров над уровнем моря. Географическое местонахождение – 44^о с. ш. и 43^о в. д., это южнее умеренного пояса.     Климат села – умеренно-континентальный. Лето - жаркое, средняя температура июля +26 ⁰С, максимальная температура июля +42⁰С. Зимы - малоснежные, средняя температура января -4⁰С, минимальная температура января -32⁰С. Село расположено в зоне недостаточного увлажнения, в год выпадает 400-500мм осадков. (Савельева, 2003)

     Преобладают восточные, северо-восточные, западные ветры. С климатом связаны такие явления природы как туманы. Ежегодно, в последние пять лет, выпадает град     Рельеф села – холмистая равнина, к северу от села  начинаются  Прикумские высоты до 260 м, к юго – востоку Терско – Кумская низменность. Природная зона – степь. Село находится в переходной зоне – от чернозёмных до каштановых почв, в долине реки Кумы почвы аллювиальные. (Вишнякова, 2000)

3 .  Место, материал, методика исследования

При  выполнении работы  была использована методика, предложенная Федоровой А. И.(Практикум по экологии..,2001). Данная работа выполнялась в трех вариантах.

Объекты исследования: шелковица черная (Morus nigra), вяз мелколистный (Ulmus laevis), груша обыкновенная (Pyrus communis), черешня (Cerasus avium), вишня садовая (Cerasus vulgaris), абрикос обыкновенный(Armeniaca vulgaris), сирень обыкновенная (Syringa vulgaris), снежная ягода  (Symphoricarpos albus), спирея  иволистная (Spiraea salicifolia), бирючина  обыкновенная (Ligustrum vulgaris), чубушник душистый (Philadelphus coronarius).

  Оборудование, реактивы, материалы: цилиндры на 100мл; штативы к пробиркам; мерные пробирки; весы; разновесы; острая бритва; соли Na₂CO_3, NaCl; вода; веточки разных растений с 3-4 одинаковыми небольшими листьями.

Вариант 1. Влияние опудривания растений солями на их устойчивость (иллюстрирует влияние на растения ветровых отложений).                     

Ход работы: Ветки разных древесных растений взвешивали и уравнивали (пу­тем подрезания) до одинаковой массы, выдерживали в воде 15 мин до их насыщения влагой, вынимали, обсушивали фильтровальной бумагой, обрабатывали смачивателем (1% раствор зеленого мыла). Роль смачивателя в естественной обста­новке выполняют растворы некоторых солей, образующих гель, гуминовые и фульвокислоты, содержащиеся в эоловых переносах, а главное - выделения самих растений. После этого срез ветки быстро обновляли бритвой и ставили в со­суд большую пробирку со строго дозированным ко­личеством водопроводной отстоянной воды. Отверстие сосуда плотно закрывали листочком станиоля, пробирки надписывали. Соли (NaCI, Na₂C0₃) растирали в ступке до мелкодисперсного состояния. Кусочки ваты рыхло накручивали  на палочку, затягивали ниткой и использовали как кисточку, которой опудривали равно­мерно листья, черешки, подопытных растений солями. Контроль - растения без опудривания. Ветки выставляли на рассеянный свет на 1 неделю, избегая сильного их нагревания. Затем учитывали такие признаки, как по­теря тургора, появление инфильтрационных просвечивающих пя­тен, появление некрозов (отмершей ткани), подсыхание краев листа, их скручивание и др. Одновременно измеряли поглощение воды из пробирок, используя мерную пробирку.

Вариант 2. Влияние солевых осадков  на листья растений (имитирует влияние солевых осадков на лист или выпавшей росы на солевой покров листа,  т.е. действие на лист раствора солей).

Ход  работы: Ветки разных видов древесных растений с одинаковым числом листьев выравнивали путем взвешивания, как в предыдущем опы­те, выдерживали путем полного погружения в 5%-ных растворах солей (NaCI, Na₂C0₃) в течение 15 минут. Контрольные ветви выдерживали в воде. Для опыта использовали не менее четырех веток каждого вида. После этого срезы быстро об­новляли бритвой и ветви ставили в воду (одинаковое количество во всех опытах и контрольных вариантах). Испарение воды из проби­рок предотвращали изолированием фольгой. Через 1  неделю про­изводили оценку состояния растений и измеряли поглощение воды.

Вариант 3. Поглощение растениями растворов из засоленных почв (опыт имитирует состояние растений и поглощение ими ра­створов из засоленных почв, которое вызвано близко лежащими к поверхности засоленными грунтовыми водами).

 Ход работы: Приготавливали 5 % растворы солей (NaCI, Na₂C0₃). Наливали равное количество этих растворов в боль­шие пробирки. Контроль - вода. Ветви растений взвешива­ли и уравнивали путем подрезания. Сосуды изолировали от испарения воды фольгой. Через 1  неделю про­изводили оценку состояния растений и измеряли поглощение воды.

4.     Результаты исследования

4.1.          Влияние опудривания  растений солями на их устойчивость.  В данном варианте  мы наблюдали влияние на растения ветровых отложений, которые содержат различные соли и переносятся ветром. Эффект засоления оценивали по визуальным наблюдениям  за внешним видом растений, сравнивали их с контрольными растениями. Результаты наблюдений представлены в таблице 1.                                                                           Таблица 1

Повреждение листьев растений при опудривании солями                                                                                                           .                                                                                                                                                                                                                 

Потеря тургора у растений наблюдается на второй день после опудривания NaCl и Na₂CO₃. Признаки токсичности проявляются на листьях на 3-5 день при опудривании Na₂CO₃, и на 2-3 день NaCl.  На листовых пластинках появляются некротические пятна, наблюдается сворачивание и усыхание листьев, потемнение в области жилок, выпадение некротических пятен и образование  «дыр».  Изменения  листовых пластинок в большей степени наблюдается  у  чубушника, шелковицы, вяза, сирени. У вишни и  бирючины листовые пластинки претерпели меньше изменений. Сравнивая степень повреждения листьев при действии NaCl и Na₂CO₃ можно сказать, что хлоридное  засоление   оказывает более сильное влияние на листья растений, чем карбонатное.  Процесс поглощения воды  растениями нарушается при опудривании солями. Результаты наблюдений представлены на рисунке 1.

Рис.1 Поглощение воды    растениями при их опудривании солями

Из представленных на рисунке данных видно, что  при опудривании солями процесс поглощения воды у большинства опытных растений нарушается. Высокая интенсивность поглощения  воды  при хлоридном засолении  сохраняется у груши,   у шелковицы  процесс поглощения  не происходит совсем.   Превышение контрольных показателей   на   13 % наблюдается у груши при карбонатном засолении,  у шелковицы и черешни они ниже контрольных и составляют соответственно  12% и 13%.

Сравнивая  полученные данные по изменению внешнего вида листьев  и поглощению воды, были определены наиболее устойчивые к засолению воздуха растения – это вишня, груша, черешня и бирючина, менее устойчивы шелковица,  абрикос, вяз, чубушник , сирень.

4.2.          Влияние солевых растворов на листья растений.    В этом варианте  изучалось влияние солевых осадков на лист или выпавшей росы на покров листа,  т.е. действие на лист раствора солей. Результаты наблюдений  за изменениями  внешнего вида  растений представлены в таблице 2.

Таблица 2

Повреждение листьев растворами солей

 Изменение   окраски листьев, и потеря тургора  у  большинства растений происходит на следующий день после обработки побегов растворами солей. По краю листьев появляются светло-зеленые пятна. Некроз впервые же дни быстро разрастается. Цвет листьев становится бурым, края загибаются, происходит опускание кончиков побегов вниз, верхняя часть побега быстро засыхает. На 5-7-й день наблюдается опадание листьев. По степени поражения листовой пластинки  относительную устойчивость к раствору карбоната натрия проявляют  черешня, вишня, спирея  не устойчивы чубушник, шелковица, вяз. К хлориду натрия  устойчивы  вишня и бирючина. В этом варианте, как и в первом, действие хлорида натрия  на опытные растения  проявляется в большей степени, что  заметно по  морфологическим изменениям на листовых пластинках.

Результаты  поглощения воды растениями  после их обработки растворами солей представлены на рисунке 2.

Рис.2  Поглощение воды растениями при действии на листья 5% растворов солей

Проведенные измерения показали, что интенсивность поглощения воды  у большинства растений выше при обработке  их раствором NaCl. Следовательно, в условиях карбонатного засоления у растений более явно  выражено снижение процесса поглощения  воды. В большей степени поглощение воды   снизилось у чубушника  и спиреи, у черешни, снежной ягоды, груши поглощение воды снизилось  в меньшей степени.

Сопоставляя  полученные данные можно сказать, что наиболее устойчивы к влиянию солевых растворов  растения черешни, снежная ягода, груша.  

4.3.          Поглощение растениями растворов солей из засоленных почв

Данный опыт имитирует  состояние растений и поглощение ими растворов из засоленных почв, которое вызвано близко лежащими к поверхности засоленными грунтовыми водами. Результаты повреждения листьев при поглощении растворов NaCl и Na₂CO₃ представлены в таблице 3.

Таблица  3

Повреждение листьев при поглощении растворов

NaCl и Na₂CO₃ 5%концентрации

При поглощении  растениями растворов  NaCl и Na₂CO₃  5% концентрации потеря тургора происходит на следующий день после закладки опыта у всех растений кроме спиреи. Изменения  на листьях в  5%растворе  хлористого натрия появляются на 3-5 день, в  растворе карбоната натрия на следующий день. Более   сильное действие карбоната натрия можно объяснить тем, что сода  распадается,  образуя  сильную  щелочь (гидроксид натрия). (Алешин, 1985) Черешки  и жилки листьев опытных растений приобретают коричневый цвет. В меньшей степени изменения листьев   наблюдается у спиреи,   вишни, черешни, груши   у остальных растений заметны более значительные повреждения у бирючины на листьях появился белый солевой налет.

Поглощение  растениями растворов солей  вызывает не только изменение листовых пластинок, но и нарушает процесс поглощения воды в растениях. Результаты  поглощения воды растениями   в данном опыте представлены на рисунке  3.

Рис. 3  Поглощение воды растениями из растворов   солей 5% концентрации

При поглощении растворов растения в большей степени теряют  способность    поглощать воду,  и  это   отрицательно сказывается на солеустойчивости. Из представленных на рисунке данных видно, что в большей степени  на поглощение  воды  растениями влияет 5% раствор Na₂CO_{3 ,} в то же время  разные  виды  растений обладают  различной  способностью к поглощению воды в условиях засоления. Вяз, вишня, снежная ягода, поглощают больше воды, следовательно, они более солеустойчивы.

Таким образом, фактор засоления отрицательно сказывается на жизнедеятельности растений. Засоление приводит к  изменению анатомо-морфологической структуры листьев, снижению поглощения воды. Солеустойчивость растений связана с их способностью накапливать в клетках и тканях минеральные соли или подвижные органические соединения

.

5.     Выводы

         После анализа результатов полученных  в ходе исследования можно сделать выводы:

1.     Чувствительность разных растений к засолению неодинакова, она не совпадает при оценке разных показателей, при засолении  воздуха наиболее чувствительны листовые пластинки,  при засолении почвы в большей степени нарушается поглощение воды;

2.     При засолении воздуха в большей степени проявляется действие хлоридного засоления, при засолении почвы карбонатного;

3.     Среди опытных растений можно выделить  виды, обладающие относительной  устойчивостью к засолению почвы спирея, вишня,  снежная ягода, вяз;

4.     Относительной устойчивостью к засолению воздуха обладают вишня, груша, черешня, бирючина,  сирень, абрикос, снежная ягода.

6.     Литература

1.   Алешин Е.П. Физиология растений.- М.: Агропромиздат,1985

2.     Володько И.К. Микроэлементы и устойчивость растений к неблагоприятным условиям.- Минск: Наука и техника, 1983

3.     Вишнякова В.Ф. Экология Ставропольского края. – Ставрополь, 2000.

4.     Горышина Т.К. Экология растений. уч. Пособие для ВУЗов,-  М.: В. школа, 1979

5.     Генкель П.А. Физиология жаро - и засухоустойчивость  растений.- М.:,  Наука,1982

6.     Прокофьев А.А. Проблемы засухоустойчивости растений.- М.: Наука, 1978

7.     Савельева В.В. География Ставропольского края. – Ставрополь, 2003.

8.     Сергеева К.А. Физиологические и биохимические основы зимостойкости древесных растений.- М.: Наука, 1971

9.     Строгонов Б. П. Физиология сельскохозяйственных растений. т. 3, - М.; 1967

10. Уоринг Ф., Филлипс И. Рост растений и дифференцировка. - М.: Мир, 1984

11. Удовенко Г. В., Солеустойчивость культурных растений. -  Л.; 1977

12. Фёдорова А.И., Никольская А.Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды. – М.: Владос, 2001.