Изучение динамики углерода и особенностей светоотражения древесных пород лесостепной зоны Западной Сибири Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 630.161:581.1(571.1) ГРНТИ 34.31.15

А.Н. Федин, М.Р. Шаяхметов

ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИКИ УГЛЕРОДА И ОСОБЕННОСТЕЙ СВЕТООТРАЖЕНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ПОРОД ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Представлены материалы исследования динамики выделения углекислоты почвами лесных биогеоценозов парка ФГБОУ ВО Омский ГАУ, показывающие отсутствие влияния древесных пород на вклад в общую эмиссию СО2 из почв. При измерении выделения углекислоты учитывались влажность и температура почвы, по которым можно сделать вывод об отсутствии влияния данных факторов на «дыхание» почвы в оба исследуемых срока, однако в сезонной динамике при падении температуры и влажности также уменьшается и выделение углекислого газа. Измерены основные параметры древостоя, построены диаграммы взаимосвязи высоты и диаметра деревьев исследуемых пород, которые говорят о достоверности эмпирических данных. Проведена математическая обработка с выявлением корреляционных зависимостей. Коэффициент детерминации колеблется в пределах от 0,860 до 0,937. По основным параметрам древостоя определялся объем фитомассы, который влияет на отражательную способность растительных объектов. Широко известны работы отечественных и зарубежных ученых в области дешифрирования мультиспектральных снимков различного разрешения с целью мониторинга лесных пожаров, выявления незаконных вырубок лесных насаждений, определения породного состава в горной и холмистой местности. Авторами представлены первые данные, посвященные изучению возможности применения космических снимков высокого пространственного разрешения КА WorldView-2 для целей дешифрирования хвойных и лиственных пород лесостепной зоны Западной Сибири. Изучался характер поглощения коротковолновой и длинноволновой частей спектра солнечной радиации, который показал, что породы в зависимости от общей биомассы поглощают различное количество солнечной энергии. Наибольшее различие наблюдалось при синтезе космического снимка с учетом инфракрасного диапазона съемки.

Ключевые слова: эмиссия углекислоты, лесные парцеллы, спектральная отражательная способность, дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ).

A.N. Fedin, M.R. Shayakhmetov

THE STUDY OF CARBON DYNAMICS AND LIGHT REFLECTION FEATURES OF TREE SPECIES IN FOREST-STEPPE ZONE OF WESTERN SIBERIA

The work presents research materials of the dynamics of carbon dioxide exhalation by soils of forest bio-geocenoses of the park of the Omsk Agricultural University, showing absence of the influence of tree species on the contribution to the total emission of CO2 from the soil. When measuring the carbon dioxide exhalation the humidity and temperature of the soil were taken into account, according to this we can conclude about the absence of the influence of these factors on the soil "breathing", however in seasonal dynamics when the temperature and humidity falls, also carbon dioxide emission reduces. Also, the main parameters of timber stand are measured; diagrams of interrelations of height and diameter of explored trees are constructed, that say about the reliability of empirical data. The mathematical treatment with the identification of correlations has been done. The determination coefficient ranges from 0.860 to 0.937. According to the main parameters of the timber stand the amount of biomass was determined, that affects the reflectivity of plant facilities. The works of native and foreign scientists in the field of different resolutions multispectral images decoding for monitoring of forest fires,

© Федин А.Н., ШаяхметовМ.Р., 2016

for detecting of illegal logging of forest plantations, for determining of the rock composition in the mountain and hilly terrain are widely known. This work presents first data devoted to studying of the possibility of high spatial resolution satellite images using КА WorldView-2, for decrypting the coniferous and deciduous species of Western Siberia forest-steppe zone. We studied the nature of the absorption of short-wave and long-wave part of solar radiation spectrum, that showed different species absorb different amounts of solar energy, the greatest difference was observed in the satellite image synthesis based on infrared shooting range.

Keywords: emission of carbon dioxide, the forest parcels, spectral reflectance, Earth remote sensing

(ERS).

Введение

Классик российского лесоводства Г.Ф. Морозов (1931) указывал: «все стороны жизни леса как сложного организма... характер живого и мертвого почвенного покрова, рост... и возобновление леса... все это находится под железной властью окружающих местных условий среды». Автор уникального учебника по лесному почвоведению А.А. Роде (1955) утверждал, что, поскольку нельзя объяснить источник водородного иона, определяющего кислотность лесных почв, разложением растительных остатков, «полагаем, что таковым. являются живые растения» [1]. Но до сих пор этот процесс изучен весьма слабо. Актуальной проблемой современности является обоснование гипотезы глобального потепления климата планеты и связь ее с выделением СО2 в атмосферу [2, 3]. В настоящее время для познания закономерностей природных явлений широко используются результаты дистанционного зондирования земли (ДЗЗ), однако при этом крайне мало работ, связанных с изучением породного состава лесных насаждений. Наиболее информативными можно считать исследования в работах A. Marx и R. Griesbach (2012), изучавших спектральные характеристики различных лесных пород [4].

Исходя из анализа современных проблем лесного хозяйства была поставлена цель исследования - «Изучить факторы, определяющие динамику эмиссии углекислоты почвами лесных насаждений для оценки поглощения ими солнечной радиации».

Рабочая гипотеза, высказанная О.В. Меняйло (2007), заключалась в необходимости изучения процессов формирования и потребления парниковых газов в почве под основными лесо-образующими породами Сибири, высаженными в идентичных условиях.

Объекты и методы

Определение выделившегося СО2 из почв проводилось по методу изучения «дыхания почвы» В.И. Штатнова (1952), который заключается в поглощении щелочью углекислого газа, последующем связывании его ВаСЬ и титровании избытка щелочи HCl на изолированных микроплощадках. Измерения проводились в период максимального солнцестояния с 12 до 16 часов местного часового пояса. Повторность наблюдений в течение 1 часа экспозиции 5 -кратная. Учетная изолируемая от окружающей среды емкость поглощения СО2 помещалась в устройство [5]. Растительность и лесная подстилка на учетных площадках удалялась непосредственно перед установкой изоляторов, с тем чтобы в почве сохранилась активность корневого и микробиологического дыхания.

Спектральные характеристики лесных парцелл измерялись на основе дешифрирования мультиспектрального снимка сверхвысокого разрешения WorldView-2 (США) (пространственное разрешение 0,5 м в пикселе). Привязка изучаемых объектов на местности при установке вешки проводилась с помощью навигатора Garmin E-Trex системы GPS+Glonas.

Для определения объема фитомассы измерения диаметра стволов проводятся мерной вилкой с точностью до 0,5 см двукратно на высоте 1,3 м во взаимно перпендикулярных направлениях. При установлении диаметра предусматривалась возможность ориентации мерной вилки по нанесенным меткам на вешке, а также соблюдение при установке вешки определенного расстояния от основания ствола с тем, чтобы исключить влияние прикомлевого микроповышения.

Запас насаждений рассчитывался по формуле

V = h • g • f, (1)

где V - объем ствола; h - высота дерева; g - площадь сечения; f - видовое число.

После определения основных параметров древостоя (высота, диаметр, запас) производился перевод в объем фитомассы по методу Усольцева (2001), в котором леса Омской области находятся в зоне E - Западно-Сибирская провинция, VII - южная граница лесостепи (таблица).

Результаты исследований

Исследования проводились в лесопарке ФГБОУ ВО Омский ГАУ, поскольку здесь в идентичных условиях с 1926 г. произрастают различные по биологическим лесохозяйствен-ным качествам древесные породы: липа (Tilia cordata Mill.), береза (Betula pendula Roth.), сосна (Pinus sylvestris L.), лиственница (Larix sibirica Ledeb.).

Определение СО2 проводилось в два срока (первый срок - 23, 24 мая; второй срок - 25, 26 сентября) с измерением факторов температуры (рис. 1) и влажности (рис. 2).

1-й срок 2-й срок

I I Лиственница | Береза □ Сосна Q Липа

_ Температура почвы

Рис. 1. Влияние температуры почвы и вида лесной породы на выделение углекислого газа

На первом сроке наблюдений (23-24 мая) существенных различий эмиссии СО2 почвами не наблюдается. На втором сроке (25-26 сентября) при понижении температуры окружающей среды выделение СО2 из почвы существенно снизилось, но и тогда не проявилось заметных различий в динамике углекислого газа в разных лесных парцеллах. В данном случае температурный фактор оказывает существенное влияние на «дыхание почвы», поскольку при падении температуры во втором сроке произошло резкое падение интенсивности выделения углекислоты почвами лесных парцелл - на 36-40 %.

1-й срок 2-й срок

I I Лиственница Ц Береза Ц Сосна Q Липа

- Влажность

Рис. 2. Влияние влажности почвы и вида лесной породы на выделение углекислого газа

Фактор влажности не оказал существенного влияния на обоих сроках во всех парцелах, однако в сезонной динамике при падении влажности также уменьшается выделение углекислого газа из почв в лесных парцеллах.

Для проверки данных, полученных в процессе измерения древесных пород, были построе -ны диаграммы взаимосвязи высоты и диаметра деревьев различных пород (рис. 3-6), по которым получены уравнения линейной зависимости.

Рис. 3. Диаграмма высоты и диаметра на высоте 1,3 м березы (Betulapendula Roth.)

Рис. 4. Диаграмма высоты и диаметра на высоте 1,3 м лиственницы (Larix sibirica Ledeb.)

Коэффициент детерминации R2 = 0,936 свидетельствует, что существует зависимость между высотой и диаметром, так как R2 > 0,9.

Коэффициент детерминации R2 = 0,860 свидетельствует, что существует зависимость между высотой и диаметром, так как R2 > 0,8.

Рис. 5. Диаграмма высоты и диаметра на высоте 1,3 м сосны (Pinus sylvestris L.)

Рис. 6. Диаграмма высоты и диаметра на высоте 1,3 м липы (Tilia cordata Mill.)

Коэффициент детерминации R2 = 0,937 свидетельствует, что существует зависимость между высотой и диаметром, так как R2 > 0,9.

Коэффициент детерминации R2 = 0,907 свидетельствует, что существует зависимость между высотой и диаметром, так как R2 > 0,7.

Проведенные впервые в условиях лесостепной зоны Западной Сибири исследования показали по анализу поглощения солнечной радиации хвойными и лиственными породами возможность использования данных дистанционного зондирования в целях определения породного состава древостоя.

При камеральной обработке проводился синтез изображения (рис. 7). Были выбраны следующие варианты: Red-Green-Blue (синтез естественных цветов); NiR-edge-Red-Blue (синтез длинноволновой и коротковолновой частей спектра солнечной радиации). Спектральные характеристики объектов проводились в пятикратной повторности для выявления среднего значения светоотражения по каждому варианту синтеза.

Из полученных результатов (таблица) видно, что при анализе спектральных характеристик древесных пород в видимом диапазоне съемки особых различий не наблюдалось, за исключением сосны. В данном случае выявить различия пород при синтезе естественных цветов не удается, таким образом, при проведении космического мониторинга лесных насаждений для выявления породного состава нельзя использовать данные, находящиеся в свободном доступе в интернет-ресурсах. При анализе с учетом инфракрасных диапазонов спектра было установлено, что лиственница и береза, имея приблизительно равную биомассу, практически не отличаются на снимке, возможно, в результате того, что одинаково поглощают энергию солнечной радиации для произрастания. Сосна, имея наибольшую биомассу, поглощает меньше солнечной радиации. На мультиспектральном снимке с учетом инфракрасного диапазона спектра возможно выделение данной породы в целях мониторинга. Наименьшее поглощение солнечной радиации, возможно, связано с возрастом породы, так как нет необходимости накапливать фитомассу. При анализе данных спектральных характеристик липы нужно сказать следующее: 1) имея наименьшую биомассу, липа поглощает наибольшее количество солнечной энергии в инфракрасном диапазоне, так как требуется больше энергии для роста; 2) при мониторинге с использованием данных ДЗЗ возможно выделение данной породы, так как она хорошо различается на мультиспектральных снимках с использованием длинноволновой части спектра.

Рис. 7. Синтезированный мультиспектральный снимок ИСЗ ШогИУ1е%ч2, США (пространственное разрешение 0,5 м в пикселе), территории ФГБОУ ВО Омский ГАУ с географическими координатами измерения светоотражения изученных лесных парцелл: 1 - лиственница; 2 - липа; 3 - сосна; 4 - береза

Разница светоотражения древесных пород с учетом биомассы

Порода Среднее светоотражение Среднее светоотражение Биомасса, т/га

Red Green Blue NiR-edge Red Blue

Лиственница 38 50,8 40,8 151,6 34,4 40,6 187,4

Береза 42,4 55 47,8 159 22,2 28 188,6

Липа 46,8 61,6 45,2 244 47,4 50,4 57,8

Сосна 16,6 26,2 23,6 118,2 30,8 36,6 244,6

Выводы

Согласно общим принципам дешифрирования лесных насаждений известно, что на тон и цвет изображения изучаемых лесных насаждений оказывает свое влияние много факторов, в том числе выделение СО2 из растительных объектов. Не установлено влияние древесных пород на эмиссию углекислоты из почв, однако при этом, учитывая объем фитомассы различных пород и используя данные ДЗЗ, были установлены различия в светопоглощении солнечной радиации.

Список литературы

1. Березин Л.В., Шаяхметов М.Р. Проблемы преподавания лесного почвоведения и решения научных проблем в аграрном университете // Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве : доклады V Всероссийской конференции, посвященной памяти выдающихся учен-ных-лесоводов В.И. Сухих и Г.Н. Коровина (Москва, 22-24 апреля 2013 г.). М. : ЦЭПЛ РАН, 2013. С. 15-19.

References

1. Berezin L.V., Shayahmetov M.R. Problemy piepodavaniya lesnogo pochvovedeniya i resheniya nauchnyh problem v agrarnom universitete // Aehrokosmicheskie me-tody i geoinformacionnye tekhnologii v lesovedenii i lesnom hozyajstve : dokl. V Vserossijskoj konferencii, posvyashchen-noj pamyati vydayushchihsya uchenyh-lesovodov V.I. Suhih i G.N. Korovina (Moskva, 22-24 aprelya 2013 g.). M. : CEHPL RAN, 2013. S. 15-19.

2. Федин А.Н. Изучение «Дыхания почв» в лесных парцеллах южной лесостепи Западной Сибири // Материалы 7-й Международной научной интернет-конференции. Томск, 2015. С. 137-142.

3. Федин А.Н. Определение выделения СО2-в лесных парцеллах южной лесостепи Западной Сибири // Омский научный вестник. Омск, 2015. С. 187-190.

4. Изучение взаимосвязи урожайности яровой твердой пшеницы с вегетационным индексом степной зоны Омской области на основе данных дистанционного зондирования земли / М.Р. Шаяхметов, Л.В. Березин, А.М. Гиндемит, А.Ю. Сергеева // Вестник Омского государственного аграрного университета. 2015. № 2 (18). С. 34-38.

5. Патент 157289 РФ, МПК 00№ 1/76. Устройство для измерения эмиссии углекислого газа из почвы / А.Н. Федин, Л.В. Березин, В.Л. Миклашевич ; ФГБОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина». № 2015123933; заявл. 19.06.2015 ; опубл. 27.11.2015, Бюл. № 33.

Федин Александр Николаевич, аспирант кафедры агрохимии и почвоведения Омского ГАУ; Шаяхметов Марат Рахимбердыевич, кандидат биолог. наук, ассистент кафедры агрохимии и почвоведения Омского ГАУ, [email protected].

2. Fedin A.N. Izuchenie "Dyhaniya pochv" v les-nyh parcellah yuzhnoj lesostepi Zapadnoj Sibiri // Mate-rialy 7-j Mezhdunarodnoj nauchnoj internet-konferencii. Tomsk, 2015. S. 137-142.

3. Fedin A.N. Opredelenie vydeleniya SO2- v les-nyh parcellah yuzhnoj lesostepi Zapadnoj Sibiri // Omskij nauchnyj vestnik. Omsk, 2015. S. 187-190.

4. Izuchenie vzaimosvyazi urozhajnosti yarovoj tverdoj pshenicy s vegetacionnym indeksom NDVI stepnoj zony Omskoj oblasti na osnove dannyh distancionnogo zondirovaniya zemli / M.R. Shayahmetov, L.V. Berezin, A.M. Gindemit, A.Yu. Sergeeva // Vestnik Omskogo gosu-darstvennogo agrarnogo universiteta. 2015. № 2 (18). S. 34-38.

5. Patent 157289 RF, MPK G01F 1/76. Ustrojstvo dlya izmereniya ehmissii uglekislogo gaza iz pochvy / A.N. Fedin, L.V. Berezin, V.L. Miklashevich ; FGBOU VPO "Omskij gosudarstvennyj agrarnyj universitet im. P.A. Stolypina". № 2015123933; zayavl. 19.06.2015 ; opubl. 27.11.2015, Byul. № 33.

Fedin Alexander Nikolayevich, Post-Graduate Student, Omsk SAU; Shayahmetov Marat Rakhimber-diyevich, Candidate of Biological Sciences Omsk SAU, [email protected].

Статья поступила в редакцию 26 февраля 2016 г.

УДК 633.8:631.95(574.4+571.14) ГРНТИ 34.35.51

Я.И. Попп, Т.И. Бокова

СОДЕРЖАНИЕ МЕДИ В ЛЕКАРСТВЕННЫХ РАСТЕНИЯХ, ПРОИЗРАСТАЮЩИХ В ПОЙМАХ РЕК ИРТЫША И ОБИ

Для выявления безопасности использования лекарственных растений в лечебных целях исследованы уровни содержания тяжелых металлов (меди Си) в лекарственных растениях, произрастающих в поймах рек Иртыша (г. Семей, р.п. Озёрки) и Оби (г. Бердск). В исследованиях (2013-2016) задействованы полевые и лабораторные методы. В статье изложен материал по содержанию меди в лекарственных растениях в зависимости от видовых, морфологических и систематических особенностей растений. Как показали результаты исследований, содержание меди варьирует от 2,0 до 9,7 мг/кг, среднее значение - 5,6 мг/кг. Содержание меди в морфологических органах в общей совокупности лекарственных растений убывает в порядке: корни (6,2) > листья (5,6) > цветки (5,0). Исследуемые семейства лекарственных растений пойм рек Иртыша и Оби по содержанию меди (мг/кг) располагаются в убывающем порядке: Семейство Крапивные - (8,6) > Семейство Валериановые - (7,7) > Семейство Зонтичные - (7,4) > Семейство Розоцветные - (7,2) > Семейство Бобовые - (7,1) > Семейство Губоцветные - (5,2) > Семейство Сложноцветные - (4,8) > Семейство Подорожниковые - (4,6) > Семейство Гречишные - (3,6). Среднее значение для Cu - 6,2 мг/кг. Для всех исследованных участков поймы характерно минимальное накопление элемента в прирусловой зоне, в центральной и притеррасной зонах четкая закономерность в распределении элемента не выявлена: г. Бердск: притеррасная > центральная > прирусловая; г. Семей: центральная > притеррасная > прирусловая; р.п. Озерки: центральная > притеррасная > прирусловая. По полученным данным, превышение предельно допустимых концентраций по средним значениям для Cu 5,6 мг/кг не выявлено. Но в некоторых видах лекарственных растений, а именно, пижме обыкновенной Tanacetum Vulgare L. (Cu = 9,3 мг/кг), доннике лекарственном Meli-lotus Officinalis L. Desr. (Cu = 9,1 мг/кг) наблюдается превышение предельно допустимых значений вне зависимости от участка, зоны поймы. Можно сделать вывод о том, что данные виды лекарственных растений -концентраторы тяжелых металлов и не могут быть рекомендованы к применению. Также выявлены виды

© Попп Я.И., Бокова Т.И., 2016