ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2019, № 4, С. 243-256


ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ВАРЬИРОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ФЕНОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ В ХВОЕ ЕЛИ СЕВЕРОТАЕЖНЫХ ЛЕСОВ
Н. А. Артемкина1, М. А. Орлова2, Н. В. Лукина2
1Институт проблем промышленной экологии Севера, ФИЦ КНЦ РАН, Россия, 184209, г. Апатиты, Мурманской обл., ул. Академгородок, 14а
E-mail: artemkina@inep.ksc.ru
2Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН,
Россия, 117997, Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32


Поступила в редакцию 18.01.2018 г.
Выявлены закономерности горизонтального, внутрибиогеоценотического (между отдельными элементарными биогеоареалами) и межбиогеоценотического варьирования содержания вторичных метаболитов и элементов питания в разновозрастной хвое ели (Picea abies ssp. obovata (Ledeb.) Domin) северотаежных еловых лесов (Кольский полуостров) в геохимически сопряженном ландшафте. Для многолетней хвои подроста ели (30-40 лет) характерно более высокое содержание углерода, лигнина, высокомолекулярных фенольных соединений, связанных танинов и широкие отношения показателей "лигнин:целлюлоза" и "лигнин:N" по сравнению с деревьями старше 100 лет. В хвое деревьев ели старше 100 лет в транзитных и аккумулятивных позициях ландшафта содержится достоверно больше связанных танинов и низкомолекулярных фенолов, чем в автоморфных условиях. Содержание лигнина и показателя "лигнин:N" в 5-7-летней хвое достоверно выше у деревьев ели в автоморфных условиях, в то время как в хвое текущего года максимальные значения этих показателей демонстрируют деревья ели в транзитных и аккумулятивных позициях ландшафта. Причинами изменения химического состава хвои ели в ряду геохимического сопряжения являются: (1) различное содержание элементов питания и вторичных метаболитов в почвах; (2) повышение влажности почв по градиенту автоморфные - аккумулятивные условия; (3) особенности микробиологической активности почв; (4) экологические факторы (свет, температура и т.д.).
Ключевые слова: фенольные соединения, лигнин, элементы питания, северотаежные леса, возраст древостоя, внутривидовое изменение, химический состав хвои, Picea abies ssp. obovata.
Исследование выполнено в рамках Программы Президиума РАН (0110-2018-0005) и темы государственного задания ФИЦ КНЦ РАН (0226-2018-0111) и ЦЭПЛ РАН (0110-2018-0007).
DOI: 10.1134/S0024114819040028            


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



  • Артемкина Н.А. Cодержание фенольных соединений в V. vitis-idaea L. сосновых лесов Кольского полуострова // Химия растительного сырья. 2010. № 3. С. 153–160.

  • Артемкина Н.А., Горбачева Т.Т. Поступление мономерных фенольных форм в почву из растительного опада и подстилки в ельниках зеленомошных // Лесоведение. 2006. № 3. С. 50–56.

  • Артемкина Н.А., Лукина Н.В., Орлова М.А. Пространственное варьирование содержания вторичных метаболитов, углерода и азота в подстилках северотаежных ельников // Лесоведение. 2018. № 1. С. 37–47.

  • Артемкина Н.А., Орлова М.А., Лукина Н.В. Химический состав хвои Juniperus sibirica (CUPRESSACEAE) в экотоне лес–тундра, Хибинские горы // Экология. 2016. № 4. С. 243–250

  • Артемкина Н.А., Рощин В.И. Экстрактивные вещества хвои и побегов Picea abies (L.) Karst. 1. Фенольные соединения, их выделение и идентификация // Растительные ресурсы. 2004 . Т. 40. № 3. С. 77–87.

  • Артемкина Н.А., Рощин В.И. Экстрактивные вещества хвои и побегов Picea abies (PINACEAE). 3. Динамика содержания фенольных соединений // Растительные ресурсы. 2006. Т. 42. № 3. С. 66–73.

  • Васильев C.Н., Кушникова Е.А., Артемкина Н.А. Динамика содержания экстрактивных веществ в древесной зелени Picea abies (L.) Karst // Растительные ресурсы. 2001. Т. 37. № 1. С. 49–60.

  • Васильев С.Н., Рощин В.И., Артемкина Н.А. Состав водорастворимой фракции экстрактивных веществ древесной зелени Picea abies (L.) Karst // Растительные ресурсы. 1999а. Т. 35. № 2. С. 53–59.

  • Васильев С.Н., Рощин В.И., Артемкина Н.А. Фенольные экстрактивные вещества видов рода Picea A. DIETR // Растительные ресурсы. 1999б. Т. 35. № 2. С. 15–31.

  • Запрометов М.Н. Фенольные соединения: распространение, метаболизм и функции в растениях. М.: Наука, 1993. 272 c.

  • Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 440 с.

  • Казимиров Н.И, Морозова Р.М. Биологический круговорот веществ в ельниках Карелии. Л.: Наука, 1973. 174 с.

  • Кашулин П.А., Калачева Н.В., Артемкина Н.А., Черноус С.А. Фотохимические процессы в растениях на Севере и окружающая среда // Вестник Мурманского государственного технического университета. 2009. Т. 12. № 1. С. 137–142.

  • Лузиков А.В., Трофимов С.Я., Загоскина Н.В. Взаимосвязь между запасами ионов аммония в почвах и содержанием фенольных соединений в хвое ели (на примере ненарушенных ландшафтов Центрально-Лесного заповедника) // Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение. 2005. № 3. С. 42–47.

  • Лукина Н.В., Никонов В.В. Биогеохимические циклы в лесах Севера в условиях аэротехногенного загрязнения. В 2-х частях. Апатиты: Изд-во Кольского НЦ РАН, 1996. Ч. 1. 213 с.

  • Манаков К.Н., Никонов В.В. Биологический круговорот минеральных элементов и почвообразование в ельниках Крайнего Севера. Л.: Наука, 1981. 196 с.

  • Маракаев О.А., Целебровский М.В., Николаева Т.Н., Загоскина Н.В. Некоторые аспекты роста подземных органов пальчатокоренника пятнистого и накопления в них фенольных соединений на генеративном этапе онтогенеза // Известия РАН. Серия биологическая. 2013. № 3. С. 315–323.

  • Медведев С.С. Физиология растений: учебник. СПб: Изд-во Санкт-Петербургского гос. университета, 2004. 336 с.

  • Орлова М.А. Элементарная единица лесного биогеоценотического покрова для оценки экосистемных функций лесов // Труды Карельского НЦ РАН. Серия "Экологические исследования". 2013. № 6. С. 126–132.

  • Орлова М.А., Лукина Н.В., Смирнов В.Э., Артемкина Н.А. Влияние ели на формирование кислотности и плодородия почв в северотаежных ельниках кустарничково-зеленомошных // Почвоведение. 2016. № 11. С. 1355–1367.

  • Плаксина И.В., Судачкова Н.Е., Романова Л.И., Милютина И.Л. Сезонная динамика фенольных соединений в лубе и хвое сосны обыкновенной и кедра сибирского в посадках различной густоты // Химия растительного сырья. 2009. № 1. С. 103–108.

  • Aitkenhead-Peterson J.A., Alexander J.E., Albrechtová J., Krám P., Rock B., Cudlín P., Hruška J., Lhotaková Z., Huntley R., Oulehle F., Polák T., McDowell1 W.H. Linking foliar chemistry to forest floor solid and solution phase organic C and N in Picea abies [L.] Karst stands in northern Bohemia // Plant and Soil. 2006. V. 283. N 1–2. P. 187–201.

  • Barbehenn R.V., Constabel C.P. Tannins in plant–herbivore interactions // Phytochemistry. 2011. V. 72. N 13. P. 1551–1565.

  • Barton K.E., Koricheva J. The ontogeny of plant defense and herbivory: Characterizing general patterns using meta‐analysis // The American Naturalist. 2010. V. 175. N 4. P. 481–493.

  • Berg B. Foliar Litter Decomposition: A Conceptual Model with Focus on Pine (Pinus) Litter—A Genus with Global Distribution // ISRN Forestry. 2014. V. 2014. Article ID 838169. 22 pages.

  • Blanco J.A. The representation of allelopathy in ecosystem-level forest models // Ecological modeling. 2007. V. 209. N 2–4. P. 65–77.

  • Boege K., Marquis R.J. Erratum: Facing herbivory as you grow up: the ontogeny of resistance in plants // Trends in Ecology and Evolution. 2005. V. 20. N 10. P. 441–448.

  • Bryant J.P., Chapin F.S. III, Klein D.R. Carbon:nutrient balance of boreal plants in relation to vertebrate herbivory // Oikos. 1983. V. 40. N 3. P. 357–368.

  • Close D.C., Mcarthur C. Rethinking the role of many plant phenolics – protection from photodamage not herbivores? // Oikos. 2002. V. 99. № 1. P. 166–172.

  • Cheynier V., Comte G., Davies K.M., Lattanzio V., Martens S. Plant phenolics: Recent advances on their biosynthesis, genetics, and ecophysiology // Plant Physiology & Biochemistry. 2013. V. 72. P. 1–20.

  • Croft H., Chen J.M., Noland T.L. Stand age effects on Boreal forest physiology using a long time-series of satellite data // Forest Ecology & Management. 2014. V. 328. Р. 202–208.

  • Fritz C., Palacios-Rojas N., Feil R., Stitt M. Regulation of secondary metabolism by the carbon–nitrogen status in tobacco: nitrate inhibits large sectors of phenylpropanoid metabolism // The Plant Journal. 2006. V.46. N 4. Р. 533–548.

  • Giertych M.J., Karolewski P., de Temmerman L.O. Foliage age and pollution alter content of phenolic compounds and chemical elements in Pinus nigra needles // Water, Air, & Soil Pollution. 1999. V. 110. N 3–4. P. 363–377.

  • Hamilton J.G., Zangerl A.R., DeLucia E.H., Berenbaum M.R. The carbon-nutrient balance hypothesis: its rise and fall // Ecology Letters. 2001. V. 4. N 1. P. 86–95.

  • Hatcher P.E. Seasonal and age-related variation in the needle quality of five conifer species // Oecologia. 1990. V. 85. N 2. P. 200–212.

  • Hättenschwiler S., Vitousek P.M. The role of polyphenols in terrestrial ecosystem nutrient cycling // Trends in Ecology & Evolution. 2000. V. 15. N 6. P. 238–243.

  • Helmisaari H.-S. Spatial and age-related variation in nutrient concentrations of Pinus sylvestris needles // Silva Fennica. 1992. V. 26. N 3. P. 145–153.

  • Herms D.A., Mattson W.J. The dilemma of plants: to grow or defend // The Quarterly Review of Biology. 1992. V. 67. N 3. P. 283–335.

  • Horner J.D., Cates R.G., Gosz J.R. Tannin, nitrogen, and cell wal composition of green vs. senescent Douglas-fir foliage // Oecologia. 1987. V. 72. N 4. P. 515–519.

  • Kanerva S., Kitunen V., Loponen J., Smolander A. Phenolic compounds and terpenes in soil organic horizon layers under silver birch, Norway spruce and Scots pine // Biology & Fertility of Soils. 2008. V. 44. N 4. P. 547–556.

  • Kivimäenpää M., Riikonen J., Sutinen S., Holopainen T. Cell structural changes in the mesophyll of Norway spruce needles by elevated ozone and elevated temperature in open-field exposure during cold acclimation // Tree Physiology. 2014. V. 34. N 4. P. 389–403.

  • Koricheva J. The Carbon-Nutrient Balance Hypothesis is dead; long live the carbon-nutrient balance hypothesis? // Oikos. 2002. V. 98. N 3. P. 537–539.

  • Kraus T.E.C., Dahlgren R.A., Zasoski R.J. Tannins in nutrient dynamics of forest ecosystems – a review // Plant & Soil. 2003. V. 256. N 1. P. 41–66.

  • Lukina N.V., Orlova M.A., Steinnes E., Artemkina N.A., Gorbacheva T.T., Smirnov V.E., Belova E.A. Mass-loss rates from decomposition of plant residues in spruce forests near the northern tree line subject to strong air pollution // Environmental Science & Pollution Research. 2017. V. 24. N 24. P. 19874–19887.

  • Makkonen M., Berg M.P., Handa I.T., Hättenschwiler S., van Ruijven J., van Bodegom P.M., Aerts R. Highly consistent effects of plant litter identity and functional traits on decomposition across a latitudinal gradient // Ecology Letters. 2012. V. 15. N 9. P. 1033–1041.

  • Mandre M. Relationships between lignin and nutrients in Picea abies L. under alkaline air pollution // Water, Air & Soil Pollution. 2002. V. 133. N 1–4. Р. 361–377.

  • Matyssek R., Koricheva J., Schnyder H., Ernst D., Munch J.C., Oßwald W., Pretzsch H. The balance between resource sequestration and retention: a challenge in plant science. Growth and defense in plants. // Ecological Studies. In: Matyssek R, Schnyder, H, Oßwald W, Ernst D, Munch C, Pretzsch H (eds). Berlin: Springer, 2012. V. 220. P. 3–24.

  • Ossipova S., Ossipov V., Haukioja E., Loponen J., Pihlaja K. Proanthocyanidins of mountain birch leaves: quantification and properties // Phytochemical Analysis. 2001. Vol. 12. N 2. P. 128–133.

  • Preston C.M., Nault J.R., Trofymow J.A., Smyth C., CIDET Working Group. Chemical Changes During 6 Years of Decomposition of 11 Litters in Some Canadian Forest Sites. Part 1. Elemental Composition, Tannins, Phenolics, and Proximate Fractions // Ecosystems. 2009. V. 12. N 7. Р. 1053–1077.

  • Rowland A.P., Roberts J.D. Lignin and cellulose fractionation in decomposition studies using acid-detergent fibre methods // Communications in Soil Science & Plant Analysis. 1994. V. 25. N 3–4. P. 269–277.

  • Rummukainen A., Julkunen-Tiitto R., Ryyppö A., Kaunisto S., Kilpeläinen J., Lehto T. Long-term effects of boron and copper on phenolics and monoterpenes in Scots pine (Pinus sylvestris L.) needles // Plant & Soil. 2013. V. 373. N 1. P. 485–499.

  • Stamp N. Out of the quagmire of plant defense hypotheses // The Quarterly Review of Biology. 2003. V. 78. N 1. P. 23–55.

  • Wam H.K., Stolter C., Nybakken L. Compositional changes in foliage phenolics with plant age, a natural experiment in boreal forests // Journal of Chemical Ecology. 2017. V. 43. N 9. P. 920–928.

  • Zhang D., Hui D., Luo Y., Zhou G. Rates of litter decomposition in terrestrial ecosystems: global patterns and controlling factors // Journal of Plant Ecology. 2008. V. 1. N 2. P. 85–93.