Работа 7. Динамика роста массы слоевища

Важнейшей характеристикой жизнедеятельности водорослей является прирост массы слоевища. Рост массы рассматривается как необратимое увеличение веса и размеров таллома, который связан с новообразованием структур организма. Рост может изучаться на разных уровнях организации – клетки, организма, совокупностей организма, популяции. Это комплексная и сложная проблема, решением которой занимаются разные дисциплины различными методами. В данной работе рассматривается один из подходов изучения роста макроскопических водорослей.

Анализ изменений во времени весовых (и линейных) характеристик организма часто проводится с использованием “кривых” роста. Анализ “кривых” роста проводят, представив их как графики некоторых функций – уравнений роста. Для описания роста организмов на протяжении жизни широко используется уравнение Берталанфи, уравнение логистической функции и другие. Уравнения рассчитывают с помощью статистических компьютерных программ.

Материал:  данные работы № 4 (измерения массы растений фукуса разного возраста).

Задание

Построить «кривую роста» сырой массы и оценить рост растений фукуса в онтогенезе в данных условиях среды.

Ход работы

1. Построить график возрастной структуры поселений фукуса.

2. Построить график изменения показателей сырой и сухой массы целого слоевища разновозрастных растений фукуса (Fucus vesiculosus).

 

Для характеристики возрастной структуры поселения фукуса строится график: по оси абсцисс откладывается возраст растений (в годах), по оси ординат - доля растений (в %) каждой возрастной группы.

Для построения кривой росты на графике по оси абсцисс откладывается возраст растений (в годах), по оси ординат – средние значения массы растений в данной возрастной группе. Вертикальными линиями показывают значения показателей изменчивости средней арифметической (среднее квадратичное отклонение или ошибка средней). Точки соединяют линией – так получают “кривые” роста водорослей в онтогенезе (рис. 13).

 

Рис. 13. Возрастная структура поселений фукуса и кривые роста массы и длины слоевища в верхнем и среднем горизонте литорали, губа Териберская (Шошина и др., 1990)

Проведите анализ полученных данных. Что вы можете сказать о росте массы фукуса за год?

 

Задачи

Задача 6. У ламинарии многолетний стволик и сменяющаяся ежегодно пластина, рост интеркалярный и осуществляется на границе стволика и пластины, на конце пластины идет постоянное ее разрушение. На Мурманском побережье интенсивный рост ламинарии начинается в полярную ночь – январе и продолжается до августа, затем преобладающими становятся процессы деструкции. Предположим, начальная (в июне) масса однолетних растений составила: стволик - 12 г, пластина – 28 г. Скорость роста: стволика - 0,9 г/сутки, пластины – 5,0 г/сутки, скорость разрушения пластины 0,2 г/сутки. Что вы можете сказать о массе растений в конце вегетационного сезона (августе, за 30 дней вегетативного роста)?

Задача 7. На рисунке 14 представлены данные по динамике фотосинтеза и дыханию ламинарии в условиях Мурманского побережья Баренцева моря на протяжении года.

Рис. 14. Годовая динамика валового (1), чистого (2) фотосинтеза и дыхания (3) (мл О₂/г сырого веса в сутки) бурой водоросли ламинарии (Laminariasaccharina, проростки) на Мурманском побережье Баренцева моря (Кузнецов, Шошина, 2003).

 

Сравните показатели интенсивности фотосинтеза и дыхания ламинарии зимой, весной, летом и осенью как доминирующего вида в сообществах прибрежной экосистемы. Полученные данные объясните с точки зрения условий продуцирования бурых водорослей в прибрежной экосистеме на протяжении года.

Задача 8. Рассмотрим обеспеченность биогенными элементами морской плантации, на которой выращиваются бурые водоросли. Плантация ламинарии в бухте Дальнезеленецкой (Мурманское побережье Баренцева моря) расположена над глубинами 10-20 м в районе естественных зарослей этого вида. Размеры плантации 370х40 м², толщина слоя занятого пологом растений (длина субстратов по вертикали) составляет 5 м. Объём водной массы, занятой пологом растений, равен 7,4х10³ м³ (7,4*10^-6 км³). Водообмен в плантации происходит в основном за счет течений воды во время приливов и отливов. У входа в бухту средняя линейная скорость движения воды равна 0,16 м/мин. Для ориентировочных расчетов примем, что в районе плантации, вдали от входа в бухту, линейная скорость равна 0,016 м/мин и что приток воды в обитаемое пространство происходит с двух сторон, т.е. через сечение около 2000 м². В таком случае за год через такое сечение может пройти объём воды, равный 1,75*100⁷ м³ (1,75*10^-2 км³). Следовательно, водообмен в объёме полога составит:

^{H 2 O} μ _v = Δ V /(V * Δ t) = 2,4*10³*год^-1.

Полученная величина лежит в диапазоне, характерном для некоторых производственных аквакультурных систем, в том числе и при культивировании макрофитов. Она свидетельствует о высокой проточности воды на плантации, следовательно, и о высокой обеспеченности растений биогенными элементами (Хайлов, Силкин, 1988).

Используя данные, представленные выше, сделайте расчёты и ответьте на вопрос. Рассчитайте, сколько азота поступает в объём полога растений на плантации за год. Достаточно ли такое количество биогенных элементов для выращивания растений на плантации? Известно, что концентрация нитратного азота изменялась в течение года от 1 до 100 мкг N на литр, т. е. за среднегодовую можно принять величину из нижней трети этого диапазона - 30 мкг N на литр. В урожае двухлетней ламинарии на всей площади плантации содержится около 45 кг N.

Задача 9. На Белом море установлена плантация ламинарии сахаристой в районе Соловецких островов. Предположим, длина плантации составляет 50 м, ширина – 10 м, средняя урожайность ламинарии – 5 т с га. Скорость приливо-отливных течений в Онежском заливе составляет до 1,0 м/сек или 0,1 м/сек в районе плантации. Средняя концентрация нитратов в беломорской воде составляет 60 мг/м³, изменяясь от нуля весной в период «цветения» фитопланктона и до максимальных значений осенью. Примем среднюю концентрацию азота за год, равной 20 мг/м³. Рассчитайте интенсивность водообмена в пологе беломорской ламинарии. Что можно сказать об обеспеченности азотом водорослей на данной плантации?

Задача 10. У ламинариевых водорослей стволик является многолетним, а пластина сменяется ежегодно. Пластина представляет собой как бы движущуюся ленту: в основании идет постоянный рост, а на верхушке – разрушение. Сезонная динамика роста слоевища ламинарии наиболее ярко проявляется в развитии ее пластины (рис. 15). Весной и летом ростовые процессы являются преобладающими, и пластина (и слоевище в целом) увеличивает свои размеры и массу. Осенью и зимой преобладают процессы деструкции, масса растений уменьшается, хотя процессы роста не прекращаются и зимой в полярную ночь, но их интенсивность резко снижена. Интенсивный рост пластины ламинарии наблюдается весной и в начале лета, когда идёт увеличение длины дня, интенсивности света и температуры воды.

Представьте, что вы занимаетесь выращиванием ламинарии. Обоснуйте вашу стратегию сбора урожая ламинарии с плантации, учитывая особенности сезонного роста, используя данные, представленные на рис. 15.

Рис. 15. Сезонная динамика роста пластины ламинарии сахаристой разного возраста: А - 0+, Б - 1+, В - 2+ лет. Пунктирные линии показывают процент изменения параметра к максимальной величине в различные сроки промыслового сезона: июнь-середина августа – оптимальный, середина августа-середина сентября – неблагоприятный, середина сентября-октябрь – предельно допустимый период промысла (Макаров и др., 1997).

Задание 11. Ламинария сахаристая выращивалась на субстратах (веревках) на плантации в губе Дальнезеленецкой (Баренцево море). После закрепления субстратов на тросе длина субстратов составила 5 м. Верхние растения располагались вблизи поверхности воды, закрепленные на середине – на глубине 2–3 м, нижние – 4–5 м. При обработке данных измеренные растения делились на три группы в зависимости от расположения на субстрате: верх, середина и низ субстрата. Основной фактор, по-разному влияющий на эти группы, – свет. В таблице 3 приведены средние значения длины ламинарии сахаристой, развивавшейся на разных частях веревочного субстрата

Таблица 3

Длина пластины ламинарии сахаристой (n=158) в зависимости положения растений на искусственном субстрате и времени вегетации (Шмелева и др., 1990)

Дата	Кол-во суток	Длина пластины, см
		Верх субстрата	Середина субстрата	Низ субстрата
9.06	0	41,6	-	-
19.07	40	67,7±27,9	90,0±31,3	78,1±20,1
25.07	45	69,2±19,0	79,2±16,1	87,5±23,1
7.09	91	99,1±18,6	103,3±19,2	69,3±18,3
31.10	144	57,5±27,15	81,8±25,5	77,8±23,5
15.11	159	85,7±24,25	95,1±26,7	71,3±21,92
24.12	198	65,7±20,63	-	-

 

Постройте график изменения длины пластины ламинарии при выращивании на разной глубине (на различных частях субстрата) в зависимости от времени проведения измерений. Охарактеризуйте рост ламинарии на разной глубине выращивания в условиях плантации в течение периода наблюдений (летом, осенью и зимой).

Задание 12. Размеры пластины ламинарии сахаристой в различные сроки вегетации при выращивании на искусственном субстрате представлены в таблице 4. Представлены средние значения для выборки из 20-30 одновозрастных растений.

Постройте график изменения морфологических параметров пластины ламинарии сахаристой от времени проведения измерений. Охарактеризуйте сезонную динамику роста пластины в связи сезонными изменениями факторов среды.

 

Таблица 4

Морфологические параметры пластины ламинарии, выращенной на искусственных субстратах в губе Дальнезеленецкой, Баренцево море

(Шмелева и др., 1990)

Дата	Длина, см	Ширина, см	Площадь, см2
20.07	80,6	10,0	17,11
18.08	102,1	14,5	26,05
05.09	106,9	20,5	2780
31.10	72,4	17,6	1523
15.11	84,0	20,2	20,15
24.12	65,7	11,2	860

 

 

Контрольные вопросы к главе 3

1. Дайте определение биологической продуктивности, первичной и вторичной продукции.

2. Обоснуйте положения и приведите примеры. Биологическая продуктивность водоёмов зависит от совокупности живых организмов, населяющих водоём - их разнообразия, биотических взаимоотношений организмов друг с другом и со средой обитания, от климатических факторов. Биологическая продуктивность зависит и от параметров самого водоёма, а также интенсивности водообмена в водоёме,

3. Перечислите факторы, влияющие на величину первичной продукции в северных морских экосистемах?

4. Какие внешние и внутренние факторы влияют на биологическую продуктивность водоёмов?

5. Объясните связь биологической продуктивности с параметрами водоёма.

6. Поясните причины зависимости биологической продуктивности от граничных поверхностей: атмосфера–водное зеркало и водная толща–дно водоёма.

7. Обоснуйте материальные основы биологической продуктивности водных экосистем и её зависимость от интенсивности обмена воды. Что важнее для процесса биологической продуктивности – высокие концентрации биогенных элементов или их быстрый приток и отток? Приведите примеры.

8. Охарактеризуйте связь биологической продуктивности водных экосистем с интенсивностью поступления биогенных элементов и параметра (S/V); что притекает и оттекает из системы через граничные поверхности или разделы фаз в водоёме?

9. Охарактеризуйте сезонную динамику процессов продукции и деструкции на протяжении годового цикла на примере макроводорослей в условиях северной части бореальной зоны.

10. Какие внешние факторы определяют сезонную динамику продукционного процесса в фитосообществах в условиях северных морей? Охарактеризуйте рост массы выращиваемого организма в связи с условиями среды. Какие факторы среды являются определяющими?