Экологическая оценка и биоресурсный потенциал растений семейства fabaceae lindl в условиях ландшафтов Новгородской области




старонка1/6
Дата канвертавання25.04.2016
Памер0.81 Mb.
  1   2   3   4   5   6


На правах рукописи

Абдушаева Ярослава Михайловна
Экологическая оценка и биоресурсный потенциал растений семейства FABACEAE LINDL. в условиях ландшафтов Новгородской области

Специальность: 03.02.08– экология (биология)

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Москва – 2013

Работа выполнена в институте сельского хозяйства и природных ресурсов Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого
Научный консультант: Доктор биологических наук, профессор

Дзюбенко Николай Иванович
Официальные оппоненты: Шамсутдинов Зебри Шамсутдинович

доктор биологических наук, профессор ,



член-корреспондент Россельхозакадемии,

руководитель селекционного центра

по кормовым культурам ГНУ ВИК Россельхозакадемии

Прудников Анатолий Дмитриевич

доктор с.-х. наук, профессор,

заведующий кафедрой агрономии и экологии

Смоленской ГСХА



Степанов Алексей Львович

доктор биологических наук, профессор

кафедры биологии почв МГУ имени М.В.Ломоносова

Ведущее организация: ГНУ Владимирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Россельхозакадемии

Защита состоится « 20 » марта 2013 года в 14 час.30 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д.15




С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева.

Автореферат разослан «____» _______________ 2013 г.



Ученый секретарь

диссертационного совета





О.В. Селицкая




Общая характеристика работы

Актуальность темы. Устойчивость и стабильность экосистемы регулируется внутренними механизмами, что сказывается на продуктивности фитоценозов. Более объективную оценку существующим экосистемам могут дать комплексные геоботанические, экологические исследования особенностей фитоценотической приуроченности популяций и выявление разнообразия жизненных форм как механизмов устойчивости к воздействию различных факторов внешней среды. Такой подход является одним из составляющих современного экологического прогнозирования развития ландшафтных систем (Беккер А.А. и др., 1989; Исаченко А.Г., 1980; Уразаев и др., 2000; Черников В.А. и др., 2000).

В процессе естественного отбора сформировались виды и их сообщества, обладающие высокой экологической устойчивостью. Сохранение разнообразия растительных сообществ является необходимым условием достижения экологической безопасности. Во всем мире уделяется особое внимание сохранению in situ и ex situ местообитаний культурных растений и их дикорастущих родичей. Дикие родичи культурных растений (ДРКР) вместе с культурными растениями составляют основное богатство растительных ресурсов каждой страны, которое необходимо сохранять для последующих поколений (Вавилов, 1931, 1965; Дикие сородичи..., 1975; Коровина, 1980, 1985; Охрана дикорастущих..., 1985; Природный генофонд..., 1986; Брежнев и др., 1971, 1980).

В условиях биологизации земледелия важное экологическое значение имеют бобовые растения, способные фиксировать биологический азот за счет симбиотического аппарата. Они не требуют затрат на азотные удобрения, улучшают физические свойства почвы, накапливают большое количество органических остатков и являются источником кормового белка. При ограниченных материально-технических ресурсах актуальным становится наиболее полное использование биологического потенциала дикорастущих бобовых растений, адаптированных к конкретным природно-климатическим условиям. В связи с этим необходимо проведение экологических, ботанических, фитоценологических и популяционных исследований, которые позволят учесть генетические ресурсы и определить оптимальные экологические условия сохранения исследуемых видов.

Системный экологический анализ результатов полевых исследований последних лет и обобщение накопленных литературных, гербарных и геоботанических материалов дают возможность более полно выявить разнообразие растительных сообществ, в которых произрастают дикорастущие виды бобовых, выявить их экологическую пластичность и изучить особенности родового и видового разнообразия, получить сведения о распространении и состоянии популяций хозяйственно-ценных растений (кормовых, сидеральных, медоносных, декоративных и редких видов).

До настоящего времени не выделены экотипы, не достаточно сведений о разнообразии экотопов, осваиваемых видами сем. Fabaceae. Не затронута исследователями и не освещена в литературе изменчивость дикорастущих видов сем. Fabaceae, особенности варьирования морфологических и репродуктивных признаков, их кормовая и семенная продуктивность. Особый интерес представляют виды, находящиеся в Новгородской области на границах своих ареалов, в частности, популяция Medicago falcata L.

Цель исследований: экологическая оценка и выявление биоресурсного потенциала основных видов сем. Fabaceae в естественных условиях Новгородской области, анализ состояния популяций хозяйственно-ценных видов для сельскохозяйственного использования и сохранения их генофонда.

Задачи исследований: 1. Привести эколого-географическую характеристику растительности Новгородской области и установить долевое участие в ней представителей сем. Fabaceae.

2. Выявить эколого-ландшафтные особенности произрастания видов бобовых растений.

3. Провести системный анализ сем. Fabaceae на уровне экотипа, изучить фотосинтетическую деятельность их травостоев и оценить репродуктивный потенциал. Установить связи прироста урожая биомассы растений и агроэкологических условий их произрастания.

4. Провести анализ экотипических различий видового состава бобовых растений по срокам и продолжительности цветения и оценить возможности использования их в качестве медоносов.

5. Дать агроэкологическую оценку условий произрастания популяции Medicago falcata как перспективного растения для использования в сельскохозяйственном производстве.

6. Провести экологическую оценку адаптационного потенциала растений Astragalus cicer L., Onobrychis arenaria (Kit.) DC. и видов Medicago для последующего возделывания в условиях Новгородской области.

7. Оценить развитие бобово-ризобиального аппарата и надземной биомассы у различных видов бобовых в условиях культуры.

8. Изучить динамику содержания основных веществ определяющих питательную ценность изучаемых видов бобовых.

9. Провести агроэкологическую оценку биоресурсного потенциала различных видов бобовых с целью дальнейшего их использования.

Научная новизна работы. Проведена инвентаризация и эколого -географическая оценка дикорастущих бобовых растений на уровне родов, видов и экологических групп и определено их долевое участие в естественных фитоценозах. Дан анализ таксономического состава и региональных особенностей распределения дикорастущих родичей культурных растений (ДРКР) по Новгородской и Псковской областям.

Выявлены ресурсозначимые виды Astragalus cicer, Onobrychis arenaria и Medicago falcata, перспективные для дальнейшего использования в условиях Новгородской области.

Установлены ландшафтно-экологические особенности формирования надземной и подземной биомассы дикорастущих бобовых растений, определены количественные и качественные параметры морфологических и хозяйственных признаков. Созданы агроэкологические модели использования бобовых растений.

Показан характер варьирования и корреляционных связей элементов кормовой и семенной продуктивности, определяющий уровень стабильности важных признаков изучаемых популяций.

Особое внимание уделено изучению ценопопуляций Medicago falcata как перспективной сельскохозяйственной культуры.

Определена динамика цветения бобовых растений, которая обеспечивает возможность непрерывного медосбора.

Предложена и экспериментально обоснована стратегия интродукции для некоторых видов бобовых растений с учетом наиболее полного сохранения их природного генофонда.

На основании литературных, гербарных данных (1886-2008гг.) и собственных исследований создана база данных ресурсозначимых видов сем. Fabaceae для Новгородской области.



Основные положения, выносимые на защиту:

1. Региональные закономерности распространения и таксономическая принадлежность видов сем. Fabaceae на территории Новгородской области.

2. Агроэкологическая оценка основных ресурсозначимых видов бобовых растений в условия ландшафтов Новгородской области.

3. Эколого-популяционный анализ состояния Medicago falcata на основе численности и возрастного состава.

4. Адаптивные особенности Astragalus cicer, Onobrychis arenaria и видов Medicago и влияние агроэкологических условий на их рост и развитие.

5. Агроэкологическая оценка сохранения ресурсного потенциала видов сем. Fabaceae и растительных сообществ, в связи с влиянием антропогенных факторов на условия их произрастания.



Практическая значимость и реализация результатов исследований. Проведение эколого-флористических исследований на региональном уровне дает возможность реализовать основные положения государственной Стратегии сохранения редких и находящихся под угрозой исчезновения ви­дов (2004) и Экологической док­трины Российской Федерации (2002), поскольку основная практическая дея­тельность ведется в рамках административных территорий. Сведения о дикорастущих бобовых растениях и их биологии могут быть использованы для разработки мер охраны природных местообитаний или режима хозяйственного использования. Результаты анализа морфологических признаков и экологической приуроченности выявленных экотипов бобовых с ценными признаками послужили теоретической базой для обоснования рациональных методов сохранения их ресурсного потенциала.

Результаты по изучению корреляционной и факторной структурам варьирования признаков в популяциях позволили выявить основные информационные показатели по признакам кормовой и семенной продуктивности.

Флористические исследования стали базовыми для подготовки Красной книги и организации комплексной работы осо­бо охраняемых природных территорий Новгородской области. Пополнен гербарный фонд кафедр: растениеводства, биологии и биологической химии ИСХПР НовГУ им. Ярослава Мудрого, ботаники Санкт-Петербургского государственного университета, а также гербариев Ботанического института РАН им. В.Л. Комарова, Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н.И. Вавилова. Созданная информационно-поисковая система и компьютерная база данных используется при работе с гербарием на кафедрах растениеводства, биологии и биологической химии ИСХПР НовГУ им. Ярослава Мудрого.

Образцы редких видов Astragalus arenarius L., A. glycyphyllus L., A. danicus Retz., Anthyllis macrocephala Wend., Lathyrus vernus ( L.) Bernh. переданы в отдел кормовых культур Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н.И. Вавилова, а виды Medicago varia Martyn., M. falcata, Melilotus albus Medic., M. officinalis (L.) Pall. и Lotus corniculatus L. проходят производственное испытание на полях Новгородской области. По инициативе и непосредственном участии автора произведена закладка коллекционного питомника, а в СПК «Коммунар» Чудовского района Новгородской области заложены семенные посевы Medicago falcata и Lotus corniculatus на площади 50 га.



Результаты исследований представлены в монографии «Дикие и одичавшие многолетние бобовые растения Новгородской области», методических указаниях: к учебной практике по растениеводству для агрономических и биологических специальностей, «Селекция и семеноводство полевых культур», «Технология растениеводства». В учебных пособиях «Биологические основы сельского хозяйства», «Селекция и семеноводство», которые используются в учебном процессе при преподавании курсов «Селекция и семеноводство полевых культур», «Частная генетика и селекция полевых культур», «Биологические основы сельского хозяйства» и «Технология производства продукции растениеводства».

Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях: Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого (1997...2011 гг.); «Научно-методические, организационные и инновационные аспекты семеноводства с/х культур в Северо-Западном регионе РФ» (Санкт-Петербург, 1999); «Эколого-экономические принципы эффективного использования мелиорируемых земель» (Белорус. гос. с.-х. акад., Горки, 2005), «Биологизация интенсификационных процессов – перспективное направление в земледелии и растениеводстве на Северо-Западе РФ» (СПб-Пушкин, 2001); «Генетические ресурсы культурных растений» (С-Петербург, 2001); Научные чтения «Белые ночи» (С.-Петербург, 2002); «Эффективность использования природных ресурсов» (В. Новгород, 2003); «Разнообразие, функционирование, продуктивность и охрана биосистем в Новгородской области» (В. Новгород 2003); «Актуальные проблемы современной науки» – 4-ая межд. конф. Молодых ученых и студентов ( Самара, 2003); «International Annual Meetings of the American Society of Agronomy» (Seattle, Washington, 2004); «Международной конференции молодых ботаников» ( С-Петербург, 2006); «Актуальные проблемы современной науки»9-ая межд. конф. (Самара, 2008); «Проблемы эволюции и систематики культурных растений» ( С-Петербург, 2009); Полевой сезон-2012: Исследования и природоохранные действия на особо охраняемых природных территориях Новгородской области (Национальный парк «Валдайский», 2012).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 90 научных работ, из них 18 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, монография, 26 статей в материалах Международных и Всероссийских научных конференций , 4 в иностранных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 376 страницах текста, состоит из введения, обзора литературы, материала и методик исследований, результатов собственных исследований и их обсуждения, выводов и рекомендаций для производства, списка использованной литературы и приложений. Работа иллюстрирована 63 таблицами, 46 рисунками. Содержит 22 приложения. Библиографический список использованной литературы включает 500 наименований, в том числе 126 на иностранных языках.

Содержание работы

1. Эколого-географические особенности агроландшафтов Новгородской области

Становлению и развитию экологического мышления в России способствовали экспедиции, проведенные в XVIII в. Санкт-Петербургской Академией Наук. Ряд экспедиций положили начало изучению видового состава растений, что совпало с программой описания растительного покрова России. Первые сведения о состоянии ландшафтов Новгородской губернии приводятся в отчетах Falk, (1786), Guldenstadt, (1787-1791), Gmelin, (1770-1784), Pallas, (1773). Х.Я. Гоби в 1876 году дал подробное описание географического положения данной территории, геологического строения, почв, климата, привел некоторые факты распространения растений в западной части Новгородской губернии, флористический список этой части губернии, который включает около 700 видов высших растений. В конце XIX – начале XX века изучение Новгородской губернии продолжают А.А. Антонов, В.Л. Комаров, А.И. Колмовский, И.И. Бородин, Р. Регель, В.А. Траншель, П. Курский.

Значительный вклад в изучение видового разнообразия растительности естественных ценозов в зависимости от изменения внешних условий Новгородской губернии внесли В.А. Траншель (1894, 1898), В.И. Верещагин (1905) - флористические экскурсии в Валдайском уезде - и Курский П. (1907, 1908) - в Старорусском уезде. По данным А.А. Антонова (1897), флора Новгородской губернии насчитывала 827-830 видов цветковых и сосудистых споровых растений, из них 14 видов составляли бобовые. Комплексные исследования пойм оз. Ильмень и р. Волхова, проводились в 1919-1927гг. под руководством С.С. Ганешина. Начиная с 1966 г. фитоценотические исследования и особенности распространения на территории редких и охраняемых видов растений изучали Н.А. Миняев, Н.И. Орлова, В.М. Шмидт, Н.Е. Варгина, Е.В. Симачев. Исследования конкретных флор проводили Н.А. Спасская (1971-1980), Ю.Д.Гусев (1971, 1973, 1975, 1978, 1980), Н.И. Цвелев (1964, 1969, 1973, 1979, 1981, 1982, 1985, 1986), Л.И. Крупкина (1985, 1986), Г.Ю. Конечная и др., (1998). По данным Л.И. Крупкиной (1987), на долю аборигенных растений приходится 965 видов (408 родов и 101 семейство).

Дальнейшие флористические и фитоценологические исследования проводились в основном Э.А. Юровой (1982-2005); Е.М. Литвиновой (1993-2007); Н.Г. Уральской (1996-2007); Я. М. Абдушаевой (1998-2012); А.Н. Сенниковым (2005).



2. Условия, объекты и методы исследований

Территория современной Новгородской области простирается с запада на восток на 385 км, а с севера на юг — на 250 км, ее площадь составляет 55,3 тыс. км2. На севере и северо-западе Новгородская область граничит с Ленинградской, на западе – с Псковской, на юге и юго-востоке – с Тверской, на востоке – с Вологодской областями. В течение 15 лет (1998 – 2012 гг.) проведения экспериментов четыре года (25 %) (1999, 2002, 2010, 2011 гг.) были засушливые: ГТК от 0,7 до 1,0, самый сухой из них – 2010 г. (ГТК - 0,7); три года 35 %: ( 1998, 2003, 2004) - избыточно увлажненные: ГТК – 1,6 – 2,8, где самым влажным был 1990 г. (ГТК – 2,8); остальные восемь (40%): (2000, 2001,2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2012) - с нормальным увлажнением вегетационных периодов (ГТК – 1 – 1,5).

Объектом исследования являлись растения сем. Fabaceae, представленные 8 родами, 27 видами и 31 экотипом, произрастающие в естественных местах обитания.  Распространение и таксономическая принадлежность видов сем. Fabaceae на территории Новгородской области уточнены по литературным данным, определителям (Миняев Н. А., 1981, Цвелев Н. Н., 2000), материалам гербарных коллекций Ботанического института РАН им. В.Л. Комарова (г. Санкт-Петербург, LE), Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н.И. Вавилова (WIR), Санкт-Петербургского государственного университета (LECB) в количестве 3568 листов.

В период с 1998 по 2012 гг. в 15 районах Новгородской области нами были проведены широкие геоботанические исследования с использованием метода конкретных флор, предложенного А. И. Толмачевым (1931, 1932-35, 1974). Сбор фактического материала осуществлялся в ходе маршрутно-рекогносцировочных обследований территории Новгородской области. Автором лично выполнено более 2400 описаний в течение полевых сезонов.

Ценопопуляционные исследования Medicago falcata проводились в различных по составу фитоценозах с различной степенью антропогенной нагрузки. Все особи в ценопопуляции подвергались анализу по морфометрическим показателям надземных побегов (вегетативных и генеративных органов).

Экспериментальную работу проводили на опытных полях НГСХА, ИСХПР НовГУ имени Ярослава Мудрого. Были заложены коллекционный и интродукционный питомники, в которые вошли местные ДРКР (35 образцов), 75 образцов из генофонда коллекции ВИР им. Н.И. Вавилова, в том числе 12 видов донника, 4 вида Medicago, а также 12 интродуцентов (образцы Astragalus cicer, Onobrychis arenaria, Lotus corniculatus, Medicago sativa, M. lupulina L.), привезенных из США. Повторность опытов трехкратная. Учетная площадь 3 м2

Полевые исследования проводили по методике геоботанических исследований ВНИИК им. В.Р. Вильямса (1971). Периодизацию онтогенеза и выделение возрастных состояний растений проводили по методикам предложенным Работновым Т.А., (1950, 1992); Заугольновой Л. Б. и др., (1988); Ценопопуляции растений ..., (1977). Структурный анализ проводили у 50 растений в период уборки, измеряли длину побега, подсчитывали количество побегов в кусте, количество ветвей первого порядка, длину междоузлия, количество междоузлий, длину и толщину главного побега. Определяли массу растения, массу семян с растения, степень облиственности растений (%). Потенциальную, реальную и условно-реальную семенную продуктивность проводили по методике Вайнагий В. И., (1974), Ходачек Е. А., (2000). Уборку на семена производили при побурении 30-40 % бобов, подсчитывали количество кистей на побеге, цветков в соцветии, число завязавшихся цветков и бобов в кисти, количество семян в бобе. Отбирали пробы на массу тысячи семян со 100 кистей. Учет числа клубеньков на корнях растений проводили методом монолитов (Посыпанов Г.С., 1991).

Полученный экспериментальный материал обработан с помощью пакета программ Statistica 6.0, предоставляющий очень широкие возможности и охватывающий все необходимые статистические методы анализа. При этом использовались следующие модули программы: Basic Statistics/Tables, ANOVA и Multivariate Exploratory Techniques. Для регрессионного анализа использовалась программа CurveExpert (© 1995-1997 Daniel Hyams).

Составлена база данных сем. Fabaceae для Новгородской области в формате Microsoft Excel, а также точечные цифровые карты распространения видов в формате системы Arc View.
3 Эколого-ресурсный потенциал во флоре Новгородской области

Инвентаризация растительных ресурсов на региональном уровне необходима для сохранения биоразнообразия, которое является стабилизирующим фактором экосистемы и способствует дальнейшему сохранению видов, в том числе редких и исчезающих.

Антропогенное влияние на разнообразие растительного покрова имеет две основные тенденции: уменьшение числа видов в аборигенной фракции и увеличение числа видов за счет роста адвентивной фракции флоры. Из анализа истории освоенности Новгородской области установлено, что наибольших масштабов антропогенное разрушение естественной растительности происходило с 1916 по 1970 годы в результате интенсивного окультуривания сельскохозяйственных угодий, а темпы внедрения адвентивных видов в это время существенно не увеличились. В настоящее время на формирование видового состава и количественное соотношение компонентов агрофитоценоза оказывают влияние климатические, почвенные условия и антропогенные факторы, определяющие как динамику количественных показателей (обилие и встречаемость), так и изменения видового состава фитоценоза.

Флористический состав и анализ дикорастущих родичей культурных растений (ДРКР) Необходимость изучения и анализа видового разнообразия представляет большую ценность для восстановления истории формирования растительного покрова на Северо-Западе РФ. Флора высших сосудистых растений Новгородской области включает 554 рода и 1590 видов, объединенных в 113 семейств. Основу флоры составляют покрытосеменные (97,4%), среди которых преобладают двудольные (75,3%). Ведущее положение по числу родов в семействе во флоре Новгородской области занимают следующие: Asteraceae Dumort. 76 (14,4%), Poaceae Barnh. 48 (9,1%), Brassicaceae Burnett. 33 (6,3%), Rosaceae Juss. 29 (5,2%), Apiaceae Lindl. 28 (5,0%), Caryophyllaceae Juss. 24 (4,6%), Lamiaceae Lindl. 20 (3,8%), Ranunculaceae Juss. 18 (3,4%), Fabaceae 17 (3,4%) и Cyperaceae Juss. 16 (3,0%). Наиболее крупными семействами по числу видов являются Asteraceae Dumort. 223 (14,0%), Rosaceae 130 (8,2%), Poaceae 116 (7,3%), Ranunculaceae 84 (5,3%), Brassicaceae 75 (4,7%), Fabaceae 51 (3,2%), Caryophyllaceae 60 (3,8%).

Виды ДРКР неравнозначны как по степени редкости, уязвимости в местах их произрастания, так и по степени их востребованности человеком и экономической важности (Смекалова и др., 2005). Возникла необходимость в подготовке списка ДРКР для Новгородской области, так как без тщательного анализа и инвентаризации невозможно проводить работу по их сохранению. Сохранение ДРКР необходимо в составе естественных природных сообществ, в пределах ареала вида в разных географических зонах и экологических условиях его популяции, со всеми компонентами экосистемы и с окружающей средой, что обеспечивает естественный характер эволюционного процесса. Большая часть ДРКР представлена широко распространенными видами, популяции которых находятся в стабильно равновесном состоянии и являются перспективными для хозяйственного использования.

ДРКР во флоре Новгородской области представлены 33 семействами, 102 родами и 268 видами. По числу родов в первую тройку вошли Poaceae 24 (23,5%), Fabaceae и Rosaceae по 10 (9,8%), и по количеству видов 61(22,7%), 42 (15,7%) и 36 (13,4%) соответственно. Такая же тенденция характерна и для Псковской области (рис.1).

Рис. 1- Количество ДРКР во флоре Новгородской и Псковской областей


Полученные данные свидетельствуют о том, что наиболее богатыми по количеству видов во флоре и ДРКР Новгородской области является Мстинский, Нижне-Ловатский и Ильменский флористические районы, что обусловлено, прежде всего, географическим положением, а также наличием больших луговых массивов разного уровня увлажнения. Анализируя флору Псковской области, можно сказать, что самым богатым флористическим районом по числу видов является Псково-Изборский. В целом для района характерна высокая степень карбонатности почвенного покрова и наличие известняковых обнажений. В него входят бассейны нижнего течения р. Великой и ее притоков Псковы и Черехи с городами Псков, Печоры, Изборск и Остров.

Семейство Fabaceae имеет достаточно высокую долю участия родов (3,1 %), видов (4,1%) и занимает 6-е место в десятке ведущих семейств флоры Новгородской области. Проанализировав видовой состав бобовых растений в областях, соседних с Новгородской, находящихся на территории Северо- Запада, можно сделать вывод, что по составу они практически одинаковы. Во флоре Новгородской и Псковской области сем. Fabaceae занимает 6 – е место, и 5 – е в Ленинградской области.


  1   2   3   4   5   6


База данных защищена авторским правом ©shkola.of.by 2016
звярнуцца да адміністрацыі

    Галоўная старонка