УДК 577.486:634.9

Мікроелементна характеристика компонентів фітоценозів штучних протиерозійних лісових насаджень

Тагунова Є. О., Цвєткова Н. М.

Дніпропетровський національний університет ім. О. Гончара,

факультет біології, екології та медицини,
кафедра геоботаніки, ґрунтознавства та екології

Вступ

Для сучасного етапу розвитку людства характерна позитивна зміна парадигми ставлення до лісів – від «ресурсної» до «біосферної», за якою лісові екосистеми розглядають як основний компонент біосфери, здатний стабілізувати та відновлювати її природну рівновагу, бути оберегом збереження біотичного різноманіття, місцем відпочинку людей [9]. Потужним засобом корегування негативних наслідків неврівноваженої господарської діяльності людини та несприятливих природних явищ, пов’язаних із змінами клімату, є лісомеліорація [7].

Одним з пріоритетних напрямків застосування лісомеліоративних заходів в Україні є збереження та підвищення родючості ґрунтів, яке на сьогодні являє собою найнагальнішу проблему не лише агропромислового, а й екологічного характеру. Особливо актуальною вона є для регіонів степової зони, де втрата верхніх гумусних шарів ґрунту призводить до розгортання процесів опустелювання, яке тягне за собою безліч негативних наслідків, серед яких вітрова ерозія (дефляція), що найбільш інтенсивно проявляється у вигляді пилових бур. Внаслідок недбалого природокористування, зокрема винищення великої кількості протиерозійних лісових насаджень, катастрофічна для навколишнього середовища дія пилових бур знову стала проявлятися після її зупинення протягом останніх 38 років і мала місце у квітні 2007 року, коли ними було охоплено майже 20 % площі України [4, 5, 10]. Усвідомлення на державному рівні необхідності здійснення невідкладних лісомеліоративних заходів, спрямованих на збереження та відновлення ґрунтової родючості, отримало своє відображення у затвердженому постановою НАН України № 55 від 16.02.2011 Національному інноваційному кластері «Родючість ґрунтів», одним із завдань якого є створення системи протиерозійних лісових насаджень з урахуванням сучасної трансформації структури посівних площ та стану лісомеліорації.

Створення стійких протиерозійних насаджень у степовій зоні має певну специфіку, пов’язану з екологічною невідповідністю існування лісів лісорослинним умовам степу, і, як зазначав О. Л. Бельгард (1986), потребує широкого, біогеоценотичного підходу. Лише всебічне вивчення компонентів штучних лісових угруповань надасть змогу керувати процесами сильватизації (обліснення) та гальмувати явища десильватизації [1].

Важливим аспектом дослідження штучних лісових біогеоценозів степової зони є вивчення особливостей біологічного кругообігу хімічних елементів, зокрема мікроелементів, у них [11]. Це обумовлюється, по-перше, вагомим біологічним значенням мікроелементів для усіх живих істот, зокрема деревних рослин, (мікроелементи беруть участь у перебігу ключових метаболічних процесів, таких як дихання, фотосинтез, фіксація та асиміляція деяких поживних речовин, а також у формування морозостійкості та посухостійкості, виступають кофакторами багатьох ферментів [6, 12]), по-друге, особливостями біокругообігу лісових угруповань у степу, який займає проміжне положення між типовим лісовим та степовим кругообігами [2], та, по-третє, важливістю для нормального існування рослинного організму збереження певного співвідношення кількості мікроелементів, враховуючи їх здатність виступати як антагоністи, зменшуючи фізіологічний ефект один одного, та призводячи до дефіциту того чи іншого елемента [3].

Метою роботи було дослідження мікроелементного складу компонентів фітоценозів штучних протиерозійних насаджень акації білої (Robinia pseudoacacia L.), розташованих у різних лісорослинних умовах.

Об’єкти і методи дослідження

У якості об’єктів дослідження було обрано штучні протиерозійні насадження білої акації (Robinia pseudoacacia L.), розташовані на території Присамарського міжнародного біосферного стаціонару ім. О. Л. Бельгарда
(с. Андріївка, Новомосковський район Дніпропетровської області, Україна) у межах привододільно-балочного ландшафту, з різним типом лісорослинних умов:

насадження білої акації на пристіні сухуватого типу зволоження, розташоване у верхній третині схилу південної експозиції правого корінного берегу р. Самари. Тип лісорослинних умов за О. Л. Бельгардом – СГ_0-1 – сухуватий суглинок. Зімкненість крон 0,6. У трав'яному покриві превалюють степові, лучні та бур'янисто-польові види: Marrubium praecox Janka., Hierochloe odorata (L.) Beauv, Elytrigia repens (L.) Nevski, Artemisia scoparia Waldst. et kit та інші. Покриття 65 %. Підстилка з листя та плодів акації, а також залишків трав'янистого покриву. Ґрунт – чорнозем звичайний лісопокращений, карбонатний, малогумусний, середньосуглинистий, сильнозмитий на червоно-бурій глині. Ґрунтові води на глибині близько 17 м, зволоження атмосферне;

насадження білої акації свіжуватого типу зволоження, розташоване в нижній третині схилу південної експозиції правого берега
р. Самари. Крутизна схилу від 12 до 15°. Тип лісорослинних умов за О. Л. Бельгардом – свіжувата супісь, СП_1-2. Зімкненість крон – 0,8. Травостій з коротковегетуючих багаторічників та однорічників має плямистозаростеву структуру. Плями з Poa bulbosa L. чергуються з Berteroa incana (L.) DC. У «вікнах» – Elytrigia repens (L.) Nevski, Calamagrostis epigeios L., Galium aparine L., G. ruthenicum Wild. та інші. Ґрунт – чорнозем звичайний лісопокращений, вилужений, середньогумусовий, супіщаний, на делювіальних відкладеннях.

Вік насаджень 48 років. Вихідний тип садіння для обох типів насаджень – рядові культури білої акації та ясену звичайного з подеревним змішуванням у ряду через 0,5 м. Через три роки після садіння, повне вимирання ясеня звичайного привело до панування у насадженнях білої акації.

У якості методологічної основи роботи були використані типологічні принципи лісів України О. Л. Бельгарда (1971). Відбір та обробка експериментального польового матеріалу, розрахунок показників біологічного кругообігу здійснювалися за загальноприйнятими методиками [8]. Визначення вмісту мікроелементів у рослинному матеріалі проводилося методом атомно-абсорбційної спектрофотометрії за допомогою спектрофотометра ААС-30 у пропановому полум’ї. Отримані результати опрацьовувалися за загальноприйнятими методами варіаційної статистики з використанням програми MS Excel 2010; прийнятий рівень значущості – 0,05.

Результати та їх обговорення

Мікроелементний склад фітоценозів штучних білоакацієвих протиерозійних насаджень досліджено з урахуванням динаміки вмісту елементів у рослинному організмі залежно від його видових особливостей та типу лісорослинних умов. Визначалася концентрація слідових елементів в окремих частинах як деревних, так і трав’янистих рослин. Середньостатистичні дані результатів порівняльного аналізу наведені у табл. 1, 2.

За даними атомно-абсорбційного аналізу встановлено, що кількість мікроелементів у деревних породах та трав’янистих рослинах штучних насаджень відмінна навіть в однакових фазах вегетації, що пов’язано із видовими особливостями рослин та умовами їх місцезростань.

Встановлено, що концентрація мікроелементів у вегетативних органах білої акації варіює у доволі широких межах: Міді – від 8,0 до 17,0 мг/кг повітряно-сухої проби, Хрому – від 3,7 до 11,2, Марганцю – від 20,0 до 102,0, Нікелю – від 3,6 до 6,8, Свинцю – від 1,0 до 12,0 мг/кг. Вміст Хрому, Міді та Марганцю в органах Robinia pseudoacacia L. вищий для насадження свіжуватого типу.

Таблиця 1

Вміст мікроелементів (c + σ) в окремих частинах
Robinia pseudoacacia L. білоакацієвих протиерозійних насаджень

Тип лісорослинних умов насадження	Частина рослини	Мікроелементи, мг/кг
		Cu	Cr	Mn	Ni	Pb
Суховатий суглинок, СГ0-1	Листя	8±3	3,9±0,5	28±2	3,6±1,7	10,8±1,5
	Гілки	13±7	6,1±0,8	56±15	5,7±2,5	12,7±8,3
	Кора	12±4	3,7±0,1	20±15	4,3±0,8	6,4±3,5
Свіжувата супісь, СП1-2	Листя	18±2	4,0±0,7	54±13	5,1±1,8	3,3±0,3
	Гілки	17±2	11,2±2,1	102±71	6,8±4,4	3,5±0,4
	Кора	12±1	4,3±0,7	22±4	6,3±0,7	1,0±0,1

Для з’ясування використання окремих слідових елементів певними видами трав’янистих рослин протиерозійних насаджень були розраховані коефіцієнти біологічного поглинання мікроелементів (КБП), які являють собою відношення кількості елемента в рослині до його кількості у ґрунті. Зі збільшенням КБП зростає інтенсивність накопичення хімічного елемента в організмі рослини.

Таблиця 2

Коефіцієнт біологічного поглинання та вміст мікроелементів у трав’янистих рослинах білоакацієвих протиерозійних насаджень

Вид	Мікроелементи, мг/кг				КБП
	Pb	Mn	Cr	Ni	Pb	Mn	Cr	Ni
Hierochloe odorata (L.) Beauv	3,0±0,3	370±91	2,1±0,1	9,5±1,9	1,5	0,7	0,04	0,18
Marrubium praecox Janka	5,7±0,4	106±60	7,1±0,2	0,4±0,1	2,9	0,2	0,12	0,01
Salvia verticillata L.	8,0±1,0	193±76	13,3±0,3	1,0±0,3	4,6	0,4	0,22	0,02
Stipa capillata L.	3,0±0,4	330±99	8,1±0,1	1,0±0,2	1,2	0,7	0,05	0,02

Отримані дані свідчать про найбільш інтенсивне поглинання трав’янистими рослинами протиерозійних білоакацієвих насаджень Свинцю, КБП якого коливається в інтервалі 1,5–4,6, найменш інтенсивне – Нікелю (КБП – 0,02–1,18) та Хрому (КБП – 0,04–0,22) та відображають пристосованість трав’янистих рослин до умов місцезростання. Коефіцієнти біологічного поглинання мікроелементів трав’янистими рослинами утворюють низхідний ряд: КБП Свинцю, КБП Марганцю, КБП Хрому, КБП Нікелю.

Важливою характеристичною величною біологічного кругообігу елементів деревного насадження, що відображає його стійкість, і, відповідно, перспективність протиерозійного застосування, є фітомаса, що продукується біогеоценозом, та відповідна кількість мікроелементів у ній. Результати проведених досліджень узгоджуються з даними М. О. Альбицької, О. Б. Мороз та Н. М. Сидельника (1976), за якими у сухуватому типі лісорослинних умов білоакацієвого насадження приживлюваність культур значно нижча, ніж у свіжуватому типі, що призводить до зменшення запасів стовбурової деревини.

Таблиця 3

Фітомаса деревостану білоакацієвих протиерозійних насаджень, т/га

Тип зволоження, площа насадження, га	Фракція				Загальна фітомаса
	Листя	Плоди	Гілки	Стовбури
Сухувате, 0,2	0,948	0,168	1,292	1,591	3,999
	0,027	0,0	0,023	0,103	0,153
	0,975	0,168	1,315	1,694	4,152
Свіжувате, 0,1	3,287	0,770	8,879	18,157	31,093
	0,181	0,0	0,169	0,446	0,796
	3,468	0,770	9,048	18,603	31,889

Кількісні показники фітомаси білої акації (табл. 3) вищі у насадженні свіжуватого типу, що свідчить про його більш високу продуктивність та сприятливість його лісорослинних умов. Аналіз кількості мікроелементів у листках акації білої у насадженні свіжуватого типу (табл. 4) виявив їх більше утримання, ніж у листках насадженні сухуватого типу зволоження.

Таблиця 4

Середні запаси мікроелементів у деревостані білоакацієвих протиерозійних насаджень

Тип зволоження насадження	Микроелементи, г/га
	Листя					Загальна фітомаса деревостану
	Cu	Cr	Mn	Ni	Pb	Cu	Cr	Mn	Ni	Pb
Сухувате	7,5	5,8	26,4	34,0	10,3	44	20	136	60	40
Свіжувате	57,5	14,4	173	16,3	10,6	495	218	1860	186	93

Висновки

1. Визначена концентрація мікроелементів у надземних частинах Robinia pseudoacacia L. штучних протиерозійних лісових насаджень. З’ясовано, що вміст мікроелементів варіює у широкому інтервали: Марганець – від 20 до 102 мг/кг повітряно-сухої проби; Мідь – 8–17, Хром – 3,7–11,2, Нікель – 3,6–6,8, Свинець – 1,0–12,7.

2. Досліджено вміст слідових елементів у надземній частині трав’янистих рослин білоакацієвого насадження. Виявлено, що кількість Марганцю варіює у межах 106–370 мг/кг, Свинцю – 3,0–8,0, Хрому – 2,1–13,0, Нікелю – 0,4–2,5 мг/кг повітряно-сухої проби.

3. Встановлено, що вміст Марганцю, Хрому та Нікелю у надземній частині травостою білоакацієвого насадження сухуватого типу (СГ_0-1) у два рази перевищує вміст даних елементів у травостої насадження свіжуватого типу (СП_1-2), що може бути пов’язане з інтенсифікацією процесу фотосинтезу у травостої насадження сухуватого типу та його лісорослинними умовами.

4. Розраховані коефіцієнти біологічного поглинання мікроелементів трав’янистими рослинами штучних протиерозійних насаджень акації білої, які утворюють наступний ряд із зменшенням значення: КБП Свинцю, КБП Марганцю, КБП Хрому, КБП Нікелю.

5. Отримані результати можуть бути використані при створенні штучних протиерозійних білоакацієвих насаджень у степових умовах.

Література

1. Бельгард А. Л. Искусственный лес в степи в биогеоценотическом освещении / А. Л. Бельгард // Вопросы степного лесоведения и лесной рекультивации земель. – 1986. – С. 21–26.

2. Бельгард А. Л. Степное лесоведение / А. Л. Бельгард. – М.: Лесная промышленность, 1971. – 336 с.

3. Битюцкий Н. П. Микроэлементы и растение / Н. П. Битюцкий. – СПб.: Изд-во
С.-Петерб. ун-та, 1999. – 232 с.

4. Булигін С. Ю. Сучасна еволюція орних темно-каштанових ґрунтів у системі полезахисних лісосмуг / С. Ю. Булигін, Д. О. Тімченко // Ґрунтознавство. – 2007. – Т. 8, № 1–2. – С. 59–71.

5. Зубец М. В. Эрозия грунтов – угроза их плодородию / М. В. Зубец // Голос Украины. – 2008. – № 32 (4282). – С. 9.

6. Кабата-Пендиас А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. – М.: Мир, 1990. – 439 с.

7. Касьянов А. Е. Гидротехнические мелиорации лесных земель / А. Е. Касьянов. – М.: МГУЛ, 2000. – 83 с.

8. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах / [Н. И. Базилевич, А. А. Тилянова, В. В. Смирнов, Л. Е. Родин и др.] : под ред. А. А. Роде. – М.: Мысль, 1978. – 184 с.

9. Середін В. І. Ліс – база відпочинку / В. І. Середін, В. І. Парпан. – Ужгород: Карпати, 1988. – 107 с.

10. Травлеев А. П. Лес как фактор почвообразования / А. П. Травлеев, Н. А. Белова // Ґрунтознавство. – 2008. – Т. 9, № 3–4 (13). – С. 6–26.

11. Цветкова Н. Н. Особенности миграции органо-минеральных веществ и микроэлементов в лесных биогеоценозах степной Украины / Н. Н. Цветкова. – Д.: Изд-во ДГУ, 1992. – 236 с.

12. Школьник М. Я. Микроэлементы в жизни растений / М. Я. Школьник. – Л.: Наука, 1974. – 323 с.