Водный обмен Сосны Веймутовой
1. Литературный обзор
.1 Природные условия Воронежской области
Воронежская область расположена в пределах Среднерусской возвышенности (высота до 268 м); на востоке - Окско-Донская равнина. Главные реки: реки бассейна Дона (Хопёр, Битюг), Дон. На территории Воронежской области преобладают черноземные почвы. Растительность - крупные лесные массивы, в основном дубравы и сосновые боры; местами сохранились участки коренных степей (большей частью распаханные).
Климат Воронежа, как и климат большинства территорий, формируется под влиянием основных природных факторов, таких как солнечная радиация. Так же на него активно влияет циркуляция атмосферы, окружающая и внутригородская растительность, рельеф местности, почвы, около- и внутригородские водоёмы (в общем - подстилающая поверхность). Помимо вышеперечисленного, климат города зависит от некоторых антропогенных факторов - условий города и внутренней застройки отдельных его районов. Воронеж расположен в зоне умеренного климата. Зима морозная, с устойчивым снежным покровом. Часто бывают оттепели. Весна, как правило, начинается во второй половине марта, с переходом суточной температуры за 0°C. Апрель характеризуется неустойчивой погодой. В отдельные дни месяца температура может достигать 20°C и выше, однако в любой день может похолодать и пойти снег. Май может начаться с ночных заморозков, однако во второй половине месяца температура может подняться до 30 °C. Лето тёплое, часто - дождливое. Но может стоять и жара, и засуха. Это происходит при формировании антициклона: Воронеж легко могут достигнуть жаркие воздушные массы из Казахстана или Северной Африки. В этом случае дневная температура может превысить 30 °C, а в отдельных случаях и 35 °C. В истории города были зарегистрированы необычные факты, связанные с погодой. Например, в 1848 году воронежцы наблюдали северное сияние. Хотя средняя температура июля составляет около 20°C, реальная средняя температура превышает этот показатель уже в июне, а в июле средняя дневная температура может превысить 30°C. Так, например, средняя температура 28 июля 2010 года составила +31.2°C, что является абсолютным рекордом за последние несколько лет, в этот же день дневная температура достигла +39°C, а 2 августа 2010 года температура достигла +40.5°C, что является новым абсолютным рекордом города Осень тёплая, устойчивые заморозки начинаются после 10 ноября. Среднегодовая температура +6,9 C°; Среднегодовая скорость ветра 2,9 м/с; Среднегодовая влажность воздуха - 74%.
1.2 Краткая характеристика дендрария
Дендрарий ВГЛТА расположен в Центрально-Черноземном районе европейской части России, в лесостепной зоне с умеренно-континентальным климатом. Заложен он коллективом сотрудников и студентов в 1951-52 гг. с учебной и научной целью. Площадь дендрария - 4.2 га. Проектирование было выполнено дендрологами Воронежской лесотехнической академии доцентом, канд. с.-х. наук Д.Д. Даниловым и доцентом, канд. с.-х. наук В.И. Носковым. Планировка территории осуществлена в регулярном стиле с разделением территории на участки преимущественно прямолинейными аллеями.
В первые годы в коллекции насчитывалось около 150 видов. Здесь было посажено большое число экземпляров ели обыкновенной, лиственницы сибирской, туи западной, рябины обыкновенной, клена остролистного, липы мелколистной, вяза приземистого, груши обыкновенной, конского каштана обыкновенного, лоха узколистного, чубушника венечного, кизильника блестящего, ирги круглолистной, пузыреплодника калинолистного. В последующие годы вводились новые виды деревьев и кустарников.
К настоящему времени в коллекции насчитывается около 270 видов и форм деревьев и кустарников, большая часть интродуценты. Имеются хвойные и лиственные древесные растения. Наибольший интерес представляют: пихта белая, европейская, цельнолистная, сибирская, бальзамическая, одноцветная; ель Глена, ель сербская, а также коллекция кустарников, которые являются перспективными для озеленения: Вейгела ранняя, диервилла ручейная, дейция изящная, дейция шершавая, кизильник горизонтальный и многие другие.
2. Методика исследований
.1 Водный обмен
Водный ток обеспечивает связь между отдельными органами. Насыщенность клеток водой - тургор - обеспечивает прочность тканей и транспорт питательных веществ по растению.
По растению вода передвигается из области с высоким водным потенциалом (из почвы) в область с низким водным потенциалом (атмосфера) по градиенту водного потенциала.
Непрерывный водный ток растения начинается с поглощения воды поверхностью корней, проходит через все растение и заканчивается на испаряющейся поверхности листьев.
Водообмен растений складывается из трех этапов:
. 1. Поглощение воды корнем
. 2. Передвижение по сосудам
. 3. Испарение воды листьями
Поглощение воды корнями.
Вода и минеральные вещества поглощаются клетками эпидермиса корня в зоне поглощения. Вода поступает в клетки корня за счет осмотических сил, переходя из участков с высоким водным потенциалом в почве в участки с более низким водным потенциалом в клетках корня.
В корне также существует градиент водного потенциала. Он высокий в корневых волосках и низкий в клетках, примыкающих к ксилеме.. Поэтому вода проходит через корневые волоски к ксилеме, а затем передвигается вверх по растению.
Сосущая сила сосудов ксилемы выше, чем у окружающих клеток, поэтому в них развивается гидростатическое давление - корневое давление. Оно обеспечивает поднятие ксилемного раствора из корня вверх по растению в надземные части. Механизм поднятия воды по растению вследствие развивающегося корневого давления называется нижним концевым двигателем. Примером нижнего концевого двигателя служит «плач растений». Весной у деревьев с нераспустившимися листьями через надрезы ствола выделяется ксилемная жидкость. У вегетирующих растений при удалении стебля из пенька долго выделяется ксилемный сок или пасока. Другим примером нижнего концевого двигателя служит гуттация. При высокой влажности воздуха в результате деятельности нижнего концевого двигателя выделяется капельножидкая влага на концах листьев, как, например, у комнатного растения монстеры.
Передвижение воды по сосудам.
От корней вверх по растению вода поднимается по ксилеме. Сосуды ксилемы - это мертвые трубки с узким просветом
Согласно теории сцепления (когезии) подъем воды от корня обусловлен испарением воды из клеток листа. Испарение приводит к снижению водного потенциала клеток мезофилла листа, примыкающих к ксилеме. Вода входит в эти клетки из ксилемного сока и испаряется через устьица.
Сосуды ксилемы заполнены водой и по мере того, как вода выходит из сосудов, в столбе воды от корня к листьям создается натяжение. Оно передается вниз по стеблю на всем пути от листа к корню благодаря сцеплению молекул воды - когезии. Сцепление молекул воды происходит за счет их электрических сил и удерживается за счет водородных связей.
Молекулы воды также прилипают к стенкам сосудов за счет адгезии. Это препятствует образованию в сосудах ксилемы образованию полостей, заполненных воздухом и парами воды, что облегчает натяжение водного столба и транспорт воды.
В результате высокой когезии молекул воды натяжение водного столба настолько велико, что может тянуть весь столб воды вверх, создавая массовый поток.
Испарение воды листьями.
По сосудам ксилемы вода поступает вверх от корня к листьям, где испаряется через устьица листа. Процесс испарения воды называется транспирацией.
Транспирация слагается из 2 процессов:
. Передвижение воды из листовых жилок в поверхностные слои стенок клеток мезофилла.
. Испарение воды из клеточных стенок в межклеточные пространства с последующей диффузией в атмосферу через устьица (устьичная или кутикулярная транспирация).
Испарение происходит за счет того, что водный потенциал в клетках листа и межклетниках выше, чем в атмосферном воздухе. В межклетниках воздух насыщен водой наполовину, а водный поток межклетников уравновешен с водным потенциалом окружающих клеток. Поэтому молекулы воды покидают растения, перемещаясь в сторону более низкого водного потенциала в атмосферный воздух.
В результате потери воды клетками в них снижается водный потенциал и возрастает сосущая сила. Это приводит к усилению поглощения воды клетками листа из ксилемы жилок и поступлению воды из корня в листья. Этот механизм поступления воды называется верхним концевым двигателем. Он обеспечивает передвижение воды вверх по растению, а создается и поддерживается высокой сосущей силой транспирирующих клеток мезофилла. Чем активнее транспирация, тем больше сила верхнего концевого двигателя.
3. Определение оводненности тканей растений и содержания в них сухого вещества
Объекты исследования: листья и семена различных древесных растений.
Оборудование и реактивы: торзионные весы, сушильный шкаф, эксикатор, бюксы, пинцеты.
Ход выполнения работы. На торзионных весах взвесить листья, хвою. Или небольшое количество семян (до 2 г). Повторность взвешивания - четырехкратная.
Переложить навеску растительного материала в бюксы, записав предварительно их номера. Бюксы поместить в сушильный шкаф при температуре 105 С на 6 ч. После этого открытые бюксы с навеской листьев или семян перенести в эксикатор для охлаждения.
Повторное взвешивание высушенного растительного материала следует проводить быстро, сразу после его извлечения из эксикатора.
Х=((a-b)/a) 100%,
Где a-сырая масса; b-абсолютно сухая масса листьев или семян.
Содержание сухого вещества Y (%) в тканях листьев или семян определить по следующему уравнению:
Y=100-Х
Результаты обработать статистически. Полученные значения внести в таблицу.
Объект исследованийПовторности опытаОводненность %Достоверность различий. tСодержание сухого вещества.%Достоверность различий. tСемена сосны обыкновенной1 2 3 4 среднееХвоя сосны обыкновенной1 2 3 4 среднее
Каждая пара студентов проводит сравнительное определение содержания воды и сухого вещества в различных объектах исследования. С помощью преподавателя составить таблицу с обобщающими для всех объектов данными.
Для расчета средних значений и последующего их сравнения между собой необходимо полученные результаты опыта обработать стандартными методами вариационной свастики. Порядок поведения такой работы и примера приведены специальной главе «обработка результатов опытов стандартными методами вариационной статистики».
В выводах объяснить различную оводненность и содержание сухого вещества в исследованном материале.
Ответить на вопросы: почему для определения содержания воды в растительном материале необходимо использовать температуру 105 С; почему в листьях процент воды больше, чем сухого вещества, а в семенах - наоборот; есть ли различия в содержании воды в листьях верхней и нижней частей кроны дерева?
4. Ход выполнения работы
.1 Сосна Веймутова - Pinus strobes L.
Высота, м. Диаметр, м40-50 м 1.5 мКронаВ молодом возрасте узкопирамидальная. У старых деревьев широкая с горизонтально простертыми ветвямиКораГладкая, серая, у старых более темнаяПобегиБуровато-зеленые, голые или коротко-опушенныеПочки5-7 мм дл., яйцевидные, слабо-заостренные, бурые но краям белыеХвояПо 5 в пучках, сизовато-зеленая, 6-14 см дл. 0,5 мм толщ., мягкая, держится 2-3 годаШишкиУзкоцилиндрические, 8-15 см дл., 4-5 см в диам., изогнутые, светло-коричневые, пупок на конце апофизаСемена5-6 мм дл., 4 мм. Шириной, яйцевидные, буровато-коричневые крыло до 20 мм. с плавно скошенной вершиной, блестящее, сросшееся с семенемКорневая системаМощная, со стержневым корнемРазмножениеСеменамиЭколого-биологическая характеристикаБыстрорастущая, относительно теневынослива, ветроустойчива, более устойчива к дыму и газам. Растет на суглинистых и супесчаных почвах. Древесина мягкая легкая, не очень смолистая. Заболонь почти белая, ядро от кремово-белого до светло соломенно-красновато-коричневогоРодинаСеверная АмерикаЗначение и использованиеВ строительном, мебельном производстве. В парковых и лесопарковых посадках
4.2 Результаты исследований
Таблица 1
ОбъектОводненность хвои,%Содержание сухого вещества,%Сосна веймутова0,2599,75
На торсионных весах взвесить хвою (до 2 гр).
Навеску поместить в бумажный пакет, записав объект и вес.
Пакеты положить в сушильный шкаф при t = 105°C на 6 часов. После чего пакеты перенести в эксикатор для осложнения. Повторите взвешивание растительного материала проводить быстро, сразу после извлечения из эксикатора.
Содержание воды (оводненость) рассчитывается по формуле:
где а - сырая масса, b - абсолютная сухая масса.
Содержание сухого вещества = 100% - с%
Таблица 2. Количество поглощенной (А) и транспирируемой воды(Т) побегом сосны обыкновенной
ОбъектПоглощенная вода, г.Испаренная вода, г.а1а2Аm1m2TСосна веймутова3253141135234210
Таблица 3. Трансперирующая поверхность побега сосны обыкновенной
ОбъектВес хвои, г.Площадь хвои(S), см2Сосна веймутова133
Таблица 4. Интенсивность транспирации, г/м2 час
ОбъектТранспир. воды (Т), гПоверхность хвои, см2Продолжительность опыта, часыИнтенсивность транспирации г/м2 чСосна веймутова103316850909,09
Таблица 5. Водный баланс, г
ОбъектПоглощенная вода(А), гИспарен. вода (Т), гВодный баланс, гСосна веймутова11101
Таблица 6. Скорость водного тока(V), г/см2
ОбъектПоглощенная вода, гИспарен ная вода, гСреднее из поглощенной и испаренной водыПоперечное сечение древесины, см2Скорость водного тока, г/см2Сосна веймутова111010,50,1289,17
Таблица 7. Экономичность транспирации% (Этр)
ОбъектТранспир. Вода Т, гПродолжительность Опыта, t (часы)Масса всей хвои% в хвое, СЭтр %Сосна веймутова1016810,250,02
Выводы
По данным изучения водного режима сосны веймутовой:
содержание воды составило - 0,25%;
содержание сухого вещества - 99,75%;
скорость водного тока - 89,17 г./см2;
интенсивность транспирации - 50909,09 г./м2 ч;
Список литературы
1. Булыгин, Н.Е. Дендрология. [Текст]/ Н.Е. Булыгин, В.Т. Ярмишко - Санкт-Петербург. - Наука, 2001 г. - 526 с.
. Пчелин, В.И. Дендрология. [Текст]: доп. УМО по образованию в обл. лесн. дела в качестве учеб. для студентов высш. учеб. заведений, обучающихся по направлению «Лесн. хоз-во и ландшафт. стр.-во» / В.И. Пчелин. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2007. - 520 с.
3. Дорофеева, В.Д. Дендрология. Голосеменные [Текст]: лаб. практикум: [для студентов специальностей 250201 - Лесн. хоз-во, 250203 - Садово-парковое и ландшафт. стр.-во] / В.Д. Дорофеева, Ю.В. Чекменева; Фед. агентство по образованию, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования «Воронеж. гос. лесотехн. акад.». - Воронеж, 2009. - 55 с. - электронная версия
4.Дегтярева, С.И. Дендрология. Эколого-биологическая характеристика покрытосеменных древесных растений [Текст]: лабораторный практикум [Текст]: лаб. практикум: [для студентов лесохозяйств. фак. специальностей 250201 - Лесн. хоз-во, 250203 - Садово-парклвое и ландшафт. стр.-в, 020802 - Природопользование] / С.И. Дегтярева, В.Д. Дорофеева; Фед. агентство по образованию, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования «Воронеж. гос. лесотехн. акад.». - Воронеж, 2010. - 80 с. - электронная версия.
5.Дорофеева, В.Д. Дендрология. Основные лесообразующие породы Европейской части России [Текст]: учеб. пособие: [для студентов специальностей 250201 - Лесн. хоз-во, 250203 - садово-парково и ландшафт. стр.-во] / Д.В. Дорофеева, Ю.В. Чекменена; М-во образования и науки Рос. Федерации, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования «Воронеж. гос. лесотехн. акад.». - Воронеж, 2010. - 115 с. - электронная версия.
дендрарий водообмен растение сосна