CC BY
3
УДК 630*18
Дьячкова Т.В. студент магистратуры направление Экология и природопользование Высшая школа естественных наук и технологий
Тюкавина О.Н., к.с.-х.н.
доцент
кафедра биологии, экологии и биотехнологии С(А)ФУ им. М.В. Ломоносова Россия, г. Архангельск ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ СОСНЫ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ
МЕТОДОМ
Аннотация:
Проведены измерения электрического сопротивления прикамбиального комплекса тканей (ПКТ) деревьев разного физиологического состояния. Установлена прямая достоверная связь между физиологическим состоянием деревьев сосны обыкновенной и электрическим сопротивлением ПКТ. Показания измерительного прибора зависят от расположения электродов на стволе в момент измерения (вертикально или горизонтально относительно друг друга).
Ключевые слова: импеданс, величина электрического сопротивления древесины, ствол, категории состояния.
Dyachkova T. V., student (master of sciences) The direction of the Ecology and Nature Management Graduate school of natural science and technology Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov
Russia, Arkhangelsk Tyukavina O.N., the candidate of agricultural Sciences, associate Professor, Department of Biology, Ecology and BiotechnologyN(A)FU named after M. V. Lomonosov
Russia, Arkhangelsk TH ESTIMATION OF THE STATE OF THE PINE BY THE BIOELECTRIC METHOD
Abstract:
Measurements were made of the bioimpedance of trees of different physiological states. A direct, reliable relationship was established between the physiological state of pine trees and electric impedance. The readings of the measuring device depend on the location of the electrodes on the barrel at the time of measurement (vertically or horizontally relative to each other).
Key words: impedance, electric resistance of wood, trunk, category of state.
Одним из основных лесоводственных мероприятий по формированию высокопродуктивных и устойчивых насаждений являются рубки ухода, перед
проведением которых необходимо исключить из рубки перспективные хозяйственно-ценные деревья, не имеющих признаков ослабления [5]. Наименее затратная в плане скорости получения результатов и трудоемкости практика оценивания состояния деревьев путем измерения их физиологических и морфометрических характеристик - визуальный метод. Недостатком такой методики является субъективизм, трудность выделения промежуточных категорий состояния древостоев [7], а также трудности в использовании данных характеристик в силу их высокого варьирования как в течение суток и периода вегетации, так и между годами [1]. Визуальный метод пригоден при оценке состояния растений лишь на поздних этапах ослабления, при видимых биоморфологических признаках, например, усыхающие деревья или сухостои. Одним из перспективных методов изучения устойчивости растительных тканей к воздействию различных физических и химических факторов является измерение их электрических свойств [2,3,8]. Наиболее удобным в экспериментальном отношении и объективно отражающим особенности роста, физиологического состояния и развития древесных растений является прикамбиальный комплекс тканей (ПКТ) ствола, изменения свойств которого могут быть оценены косвенно по величине его электрического сопротивления (импеданса) [8,9]. Биоимпеданс или биологический импеданс определяется, как способность биологической ткани препятствовать электрическому току [10]. Высокая информативность значений импеданса ПКТ доказана применением данного метода при изучении состояния сосны обыкновенной в очагах корневой губки, при деформациях корневых систем [5].
Цель исследования заключалась в применении метода оценки состояния сосновых насаждений, расположенных на территории Архангельского лесничества с помощью измерения электрического сопротивления ствола.
В основу оценки состояния сосновых насаждений положен метод обследования пробных площадей на территории Архангельского лесничества. Пробные площади были заложены на четырех экспериментальных участках: Набережная в окрестностях города Архангельск, сосняк разнотравный в п. Задорожник, ельник черничный в д. Бабонегово и сосняк черничный в д. Малые Карелы. В процессе работы было измерено от 10 до 13 деревьев на каждой пробной площади. У каждого дерева замеряли высоту, диаметр ствола, диаметр кроны, высоту кроны, определяли категорию состояния, импеданс в четырех положениях электродов. Замеры производили в конце июня - начале июля 2017 года, в сухую погоду, так как показатели импеданса ПКТ могут сильно варьировать в зависимости от оводненности стволов.
Категорию состояния для хвойных насаждений определяли, используя шкалы из Санитарных правил в лесах Российской Федерации, 1998.
Измерение величины импеданса ПКТ производили мультиметром Master Professional MY-62 с электродами игольчатого типа диаметром 1 мм и длиной 10 мм, выполняя при этом следующий комплекс действий:
1) все измерения сопротивления проводили на высоте 1,3 м
(общепринятая высота для определения таксационных характеристик отдельных деревьев и древостоев);
2) все измерения сопротивления проводили в трех направлениях -горизонтальном, вертикальном и по диаметру, электроды при этом находились в следующих положения: (1-2 вертикально и 1-3 горизонтально -соответствуют северной стороне ствола, 1-4 - по диаметру ствола, 4-5 горизонтально - соответствует южной стороне ствола) (рис.1);
1
2
5
3
Рисунок 1 - Положения электродов мультиметра на стволе сосны
3) электроды вводили в древесину на глубину 3-5 мм, что соответствует годичным слоям, где физиологические процессы протекают наиболее активно;
4) расстояние между электродами выдерживали равным 6,5 см, исключение составляли измерения по диаметру ствола;
5) записывали по три значения сопротивления в каждом положении электродов, выдерживая интервал времени в одну минуту. Затем высчитывали средние значения по данному показателю.
6) импеданс замеряли у деревьев с 1 по 4 категорий состояния, исключая 5 и 6, так как это сухостои, которые хорошо выделяются визуально.
6) показания импеданса приводили к общей единице измерения кОМ.
7) при обработке данных пользовались пакетом Microsoft Office Excel 2010 и Statistica 6.0.
Для установления связи между показателями импеданса ПКТ и категорией состояния вычислили коэффициент корреляции. Данные корреляционного анализа представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Показатели корреляционного анализа
Исследуемый параметр - категория состояния
Положения Коэффи Основная Достовер Корреляци Основная Достоверно
измерения циент ошибка ность онное ошибка сть
корреля коэффици коэффици отношение, корреляцио корреляцио
ции, r ента ента n нного нного
корреляц корреляци отношения, отношения,
ии, mr и, t mn t
1-2 0.52772 0.12025 4.38852 0.43398 0.13528 3.20801
1-3 0.40924 0.13875 2.94948 0.40098 0.13987 2.86680
1-4 0.39238 0.14101 2.78264 0.41201 0.13837 2.97760
4-5 0.62308 0.10196 6.11102 0.58975 0.10870 5.42548
По данным корреляционного анализа были установлены достоверные связи (факт.Нтабл.): прямая зависимость в каждом положении измерения, теснота связи умеренная (г=0,41.. .0,39) и высокая (г=0,53.. .0,62). Выявленная связь выражается в следующей закономерности: при ухудшении физиологического состояния сосны электрическое сопротивление увеличивается в зависимости от степени ослабления, более низкие значения этого параметра характерны здоровым деревьям, что свидетельствует о нормальном водном режиме растений и воспрепятствии прохождения электрического тока через клетки и ткани (табл. 2). Отклонения показателей отдельных деревьев в нашей выборке за данные нормы свидетельствуют об изменении состояния или стрессовых воздействиях (в нашем исследовании это проявлялось в таких болезнях как раковые раны).
Таблица 1 - Показатели импеданса ствола сосны обыкновенной (в кОм) различного жизненного состояния в разных положениях электрода._
Категория Положения электродов при измерении Средние значения
состояния 1-2 1-3 1-4 4-5 импеданса ПКТ
1 - без признаков ослабления 51,5 44,2 44,8 45,0 46,4
6,1/23,5 6,5/30,1 7,2/30,5 1,7/6,5 1,6/6,9
2 - ослабленные 89,3 77,0 93,0 95,3 88,7
8,4/34,3 10,8/41,4 17,5/62,9 9,2/40,6 4,0/9,1
3 - сильно 91,6 105,3 106,9 110,2 103,5
ослабленные
12,5/36,0 9,6/29,3 6,7/21,0 4,9/14,5 4,0/7,7
4 - усыхающие 137,3 161.9 145,7 184,5 157,4
43,7/49,4 107,3/84,1 74,6/78,1 34,0/33,6 10,3/13,1
Как следует из результатов исследования, для деревьев лучшего физиологического состояния электрическое сопротивление колеблется в пределах от 44 до 51,5 кОм. В работе других исследователей для сосны обыкновенной данный показатель колеблется в пределах более низких значений от 21,9 до 46,1 (Карасев В.Н., Карасева М.А., А.А. Маторкин А.В. Грязькин, С.М. Герасюта, Д.П. Бернацкий, Т.А. Трубачева и другие). Фактор,
влияющий на данную динамику значений - период вегетации. В период активной вегетации, чему соответствует время нашего исследования (конец июня - начало июля), в растениях активно протекают обменные процессы. Часть воды расходуется на транспирацию, а часть переходит в другое состояние, вызывая процесс обезвоживания. В результате ионный баланс в клетках значительно изменяется, уменьшается количество подвижных ионов. В связи с этим электрическое сопротивление тканей увеличивается.
Как можно судить из таблицы 1, показания прибора не одинаковы и зависят от расположения электродов на стволе в момент измерения (вертикально, горизонтально или по диаметру; на южной стороне ствола или на северной).
Наиболее достоверные показатели, с наименьшими коэффициентами изменчивости наблюдаются положении электродов 4-5, что соответствует южной стороне ствола, на которой все процессы жизнедеятельности протекают наиболее активно. Колебания значений импеданса ПКТ в течение периода исследования в выборке по всем пробным площадям объясняется влиянием климатического фактора.
При визуальной оценке по состоянию кроны, хвои к здоровым деревья было отнесено около 25 %, при применении инструментальной оценки состояния по импедансу ПКТ количество здоровых деревьев было меньше почти в 2 раза, то есть данный метод оценки позволяет более точно оценивать жизненное (физиологическое) состояние деревьев.
Выводы, которые можно сделать на основании приведенных данных сводятся к следующему:
1. Полученные результаты позволяют судить об изменчивости величины импеданса в связи с состоянием дерева;
2. Величина импеданса различается в зависимости от положения электродов вертикально, горизонтально и по диаметру;
3. Наиболее достоверные данные наблюдаются в положении измерения электродов горизонтально на южной стороне ствола;
4. Значения электрического сопротивления ПКТ позволяют более точно выделить поврежденные деревья, когда они не имеют явных признаков угнетения;
5. Полученные данные могут иметь практическое применение для экспресс диагностики состояния сосны обыкновенной, а также при назначении лесохозяйственных мероприятий.
Использованные источники:
1. Голиков, Д. Ю. Оценка состояния сосновых древостоев с помощью измерения электрического импеданса ствола / Д. Ю. Голиков, С. А. Шавнин, И. С. Овчиннников // Леса Урала и хозяйство в них / Урал. гос. лесотехн. унт. - Екатеринбург, 2001. - Вып. 21. - С. 264-272
2. Грязькин А.В., Герасюта С.М., Бернацкий Д.П., Трубачева Т.А. Изменчивость величины импеданса древесных пород. // Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М.
Кирова, 2012. С. 11-17
3. Карасев В.Н., Карасева М.А. Диагностика жизненного состояния насаждений хвойных пород по биоэлектрическим показателям: монография. Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2016. 24-35 с.
4. Карасев В.Н., Карасева М.А. Эколого-физиологическая диагностика жизнеспособности хвойных пород: монография. Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2013. 216 с.
5. Маторкин, А.А. Информативность импеданса прикамбиального комплекса тканей деревьев хвойных пород при диагностики их жизнедеятельности / А. А. Маторкин, М. А. Карасева // Современная физиология растений: от молекул до экосистемы: материалы докладов Международной конференции. Часть 2. - Сыктывкар, 2007. - С. 265 - 266
6. Машкова И.В., Попкова М.А. Исследование морфо-экологических показателей сосны обыкновенной произрастающей на территории ильменского государственного заказника// Чебоксары, 2014. С. 16-20
7. Низаметдинов Н.Ф. Оценка состояния сосновых древостоев в условиях аэропромышленного загрязнения атмосферы по цифровым фотографиям крон деревьев и спутниковым фотоснимкам: автореф. дис....канд. с.-х. наук. Екатеринбург; УГЛТУ,2009, 19 с.
8. Рутковский И. В. Применение электрофизиологических методов в лесовыращивании / И.В. Рутковский, Ф.В. Кишенков // Лесоведение и лесоводство. - 1980. - Вып. 3. - 40 с.
9. Фомин В.В. Методика проведения комплексной оценки состояния лесных насаждений в зонах действия атмосферных промышленных загрязнений для целей экологического мониторинга / Голиков, Н.В. Марина, Е.П. Платонов // Леса Урала и хозяйство в них / Урал. гос. лесотехн. ун-т. - Екатеринбург, 2014. - Вып. 21. - С. 18
10. Borges E., Sequeira M., Cortez A. F. V. et al. Bioimpedance Parameters as Indicators of the Physiological States of plants in situ//International Journal on Advances in Life Sciences. 2014. Vol. 6 Pp 74-86
