CC BY
42
УДК 532.529.5
СКОРОСТИ СЕДИМЕНТАЦИИ ПЫЛЬЦЕВЫХ ЧАСТИЦ (ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗЕРЕН ПЫЛЬЦЫ И АГЛОМЕРАТОВ) ЗАПАДНО-СИБИРСКИХ СОРНЫХ ТРАВ
Владимир Викторович Головко
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская 3, кандидат биологических наук, ведущий инженер, тел. (383)330-77-43, e-mail: golovko@ns.kinetics.nsc.ru
Вячеслав Лазаревич Истомин
Институт гидродинамики им. М. А. Лавреньтьева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева 15, доктор технических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)333-19-38, e-mail: impuls@hydro.nsc.ru
Излагаются результаты определения аэродинамических характеристик шести видов сорных трав Западной Сибири. Подсчитана процентная доля индивидуальных зерен пыльцы и их агломератов, образующихся при распылении. Определены скорость седиментации как одиночных пыльцевых зерен, так и их агломератов. Установлена зависимость скорости седиментации агломерата от числа входящих в него пыльцевых зерен.
Ключевые слова: скорость седиментации, пыльцевые зерна, агломераты, анемофиль-ные растения, импульс воздуха.
THE SEDIMENTATION RATES OF WEST-SIBERIAN WEED POLLEN PARTICLES (INDIVIDUAL GRAINS AND THEIR AGGLAMERATES)
Vladimir V. Golovko
Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya St., Bldg., tel. (383)333-34-99, e-mail: golovko@kinetics.nsc.ru
Vyacheslav L. Istomin
Institute of Hydrodynamics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 15 Lavrent'ev avenue, Bldg., tel. (383)333-19-38, e-mail: istomin@hydro.nsc.ru
Results of determination of aerodynamic characteristics of 6 Western Siberian weeds are reported. The percantage of individual grains and their agglomerates resulting from spraying was calculated. The sedimentation rate of aggllomerates, consisting of one to six pollen grains, was determined. The sedimentation rate of agglomerates was found to depend on the number of the pollen grains involved.
Key words: sedimentation rate, pollen grains, agglomerates, anemophilic plants, air impact.
Пыльцевые зерна (ПЗ) сорных трав доминируют в атмосфере в конце лета -начале осени, вызывая третью волну поллинозов. Перенос пыльцы ветром -процесс физический. Дальность переноса пыльцевых частиц в воздухе, эффективность их оседания на опыляемые растения и поверхности отбирающих устройств обусловлены скоростью седиментации. Сложная форма ПЗ, их деформация при высыхании, наличие агломератов из нескольких ПЗ затрудняют теоретические расчеты скорости седиментации переносимой по воздуху пыльцы.
Она определяется экспериментально с помощью седиментометров [1]. До недавнего времени скорости седиментации ПЗ были описаны лишь у «120 видов [2] европейских и североамериканских растений. Практически не изучены скорости седиментации агломератов двух и более ПЗ. Ранее [3] нами была изучена седиментация пыльцы нескольких видов западносибирских древесных растений и злаков. В данной работе исследуется скорости седиментации пыльцы шести видов сорных трав.
Скорость седиментации ПЗ в неподвижном воздухе определялась по времени, необходимому для их оседания от вершины до дна вертикального цилиндра. Для измерения скорости седиментации пыльцы использовалась установка, разработанная в СО РАН и апробированная при определении скоростей седиментации спор. Схема установки, методика проведения эксперимента и расчета скорости седиментации пыльцевой частицы были подробно изложены ранее [4].
Разнотравье или сорные травы - это ветроопыляемые травянистые растения (исключая злаки), цветущие в конце лета - начале осени. Зрелая пыльца большинства видов представлена одиночными зернами. У некоторых таксонов она остается в тетрадах - объединениях четырех ПЗ, возникающих из одной материнской клетки при мейозе. Различают тетраэдрические, четырехугольные, крестообразные, ромбические, линейные тетрады и псевдомонады в которых развито только одно ПЗ, а остальные три - дегенерированы.
Были исследованы скорости седиментации ПЧ шести видов анемофильных трав. Зрелая пыльца хмеля обыкновенного, василисника простого и щавеля конского представлена ПЗ. У осоки большехвостой - псевдомонадами, у дати-ски коноплевой и рогоза широколисного - соответственно тетраэдрическими и четырехугольными тетрадами (рис.).
Рис. Тетрады датиски (слева) и рогоза (справа)
При распылении в экспериментальной установке поведение тетрад различно. Псевдомонаады осоки и тетрады рогоза не разрушаются, образуют агломераты из >2 тетрад, являясь единицами распространения пыльцы своего вида.
Значительная доля тетрад датиски распадается с образованием единичных ПЗ и агломератов из >2 ПЗ. Из-за этого у данного вида определялись скорости седиментации не агломератов тетрад, а индивидуальных ПЗ и их агломератов. Скорости седиментации исходной тетрады датиски соответствует скорость седиментации агломерата из 4 ПЗ. Подсчет под микроскопом позволял определить число ПЗ либо тетрад в агломерате, содержащем не более 6 частиц. Доля агломератов из >7 ПЗ или тетрад составляла ~2 %. Скорости седиментации подобных агломератов не вычислялись.
При распылении пыльцы в седиментометре пыльцевые агломераты составляют от 34,7 (щавель конский) до 43,8% (хмель обыкновенный) от общего числа образующихся ПЧ. В их состав входит от 64,6 до 72,4% распыленных ПЗ либо тетрад. Оценить интенсивность образования агломератов у датиски коноп-левой не удалось из-за наличия значительного числа нераспавшихся тетрад и их участия в формировании агломератов.
Таблица 1
Вклад агломератов в количество пыльцевых частиц, осевших на подложку и доля ПЗ либо тетрад в их составе
Видовое название Доля агломератов из двух или более ПЗ/тетрад от общего количества осевших частиц, % Доля ПЗ/тетрад в составе агломератов от общего количества осевших ПЗ/тетрад, %
Хмель обыкновенный 43,8 72,4
Василисник простой 38,1 67,0
Щавель конский 34,7 64,6
Осока большехвостая 34,8 65,6
Рогоз широколистный 41,6 65,7
Для индивидуальных частиц и для агломератов наблюдается заметный разброс скоростей седиментации. Количества подсчитанных агломератов О - от 1 до 6), среднегеометрическое значения и среднегеометрические отклонения их скоростей седиментации шести видов западносибирских растений приведены в табл. 2. С увеличением размера агломератов наблюдается уменьшение числа частиц. При этом именно у них отмечены максимальные стандартные геометрические отклонения скорости седиментации. Видимо, это связано с варьированием размеров индивидуальных ПЗ и наличием некоторого числа абортивных ПЗ, что приводит к разбросу скоростей оседания. С ростом числа ПЗ в агломерате эти факторы, вероятно, взаимно компенсируются, а сам агломерат становится более симметричной фигурой. В результате разброс значений скоростей седиментации при оседании уменьшается.
Скорость оседания агломерата возрастает с увеличением количества составляющих его частиц. Ранее нами было показано, что скорости седиментации агломератов в зависимости от числа частиц в агломерате хорошо аппроксимируются степенной зависимостью, построенной методом наименьших квадратов. Аппроксимационные зависимости строились из предположения, что:
ДЛЯ 1 < у < 6 (1)
где У} - средняя скорость агломерата состоящего из у частиц, V - средняя скорость единичного зерна.
Для исследуемых нами растений полученные данные можно аппроксимировать эмпирическими зависимостями, предложенные в табл. 3.
Таблица 2
Результаты определения скоростей седиментации ПЗ и их агломератов шести видов сорных трав
Хмель обыкновенный Василисник простой Щавель конкий Осока больше-хвостая Датиска коноплевая Рогоз широколистный
т Число агломератов 10268 7043 3027 5932 8973 1767
Vз, см/с 1,2 1,2 1,8 1,6 0,9 2,4
1,3 1,4 1,4 1,4 1,4 1,3
II Число агломератов 3268 1938 653 1263 2655 785
Vз, см/с 1,6 1,6 2,9 2,1 1,0 2,8
1,3 1,3 1,4 1,4 1,3 1,2
т II Число агломератов 1860 949 355 638 1660 249
Vз, см/с 1,9 1,9 3,5 2,6 1,2 3,6
1,3 1,2 1,3 1,4 1,3 1,2
^Т II Число агломератов 1247 572 250 436 1407 128
Vз, см/с 2,0 2,2 3,8 3,2 1,4 4,0
1,3 1,3 1,3 1,2 1,3 1,2
II Число агломератов 719 399 160 338 741 56
Vз, см/с 2,3 2,5 4,2 3,6 1,4 4,2
1,3 1,3 1,2 1,3 1,3 1,1
ю II Число агломератов 413 242 92 230 490 25
Vз, см/с 2,4 2,7 4,4 3,7 1,5 4,6
1,2 1,3 1,2 1,3 1,3 1,2
Таблица 3
Эмпирические зависимости и коэффициенты корреляции
п/п Видовое название эмпирическая зависимость Vj, см/с коэффициент корреляции г
1 Хмель обыкновенный ^ 2*|0,386 0,993
2 Василисник простой 1,2*]°,456 0,997
3 Щавель конкий 1,8*]°,493 0,972
4 Осока большехвостая 1,6*]0,497 0,987
5 Датиска коноплевая 0,9^0,з04 0,955
6 Рогоз широколистный 2 4*|0,376 0,975
Данные табл. 3 можно подытожить следующим выводом: полученные средние значения скоростей седиментации агломератов ПЗ в зависимости от числа частиц в агломерате аппроксимируются степенной зависимостью вида:
Tj=a*jk, для 1 < 7 < 6, (2)
где V - среднее значение скорости седиментации агломерата состоящего из j
частиц, размерные коэффициенты a и показатель степени к находятся из экспериментальных данных для каждого вида растений. Коэффициент корреляции г - принимает значения в диапазоне 0,955<г<0,997, к принимает значения в диапазоне 0,304<к<0,497.
Зафиксированный диапазон V от 0,9 см/с для единичного ПЗ датиски ко-ноплевой (1,4 см/с для ее пыльцевой тетрады) до 4,6 см/с для агломерата из шести пыльцевых тетрад рогоза широколистного, обусловлен различием размеров исследуемых частиц. Полученные данные указывают на то, что само по себе наличие пыльцевых тетрад не может служить препятствием для опыления ветром. Скорости седиментации тетрад датиски конплевой и рогоза широколистного сопоставимы со скоростями седиментации одиночных ПЗ клена ясене-листного и облепихи крушиновидной (2,3 см/с), и меньше со скоростей седиментации одиночных ПЗ ореха манчжурского (4,2 см/с) и дуба черешчататого (2,7 см/с), найденных нами ранее [4]. Установленные экспериментальным путем зависимости позволяют оценить скорости седиментации агломератов, состоящих из произвольного числа ПЗ и пыльцевых тетрад, что дает возможность оценить эквивалентные диаметры таких частиц и использовать полученные значения при моделировании распространения пыльцы в атмосфере.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Истомин В. Л., Куценогий К. П. Определение скорости седиментации спор плауна и их агломератов // Теплофизика и Аэродинамика. - 2001. - Вып. 8 (2). - С. 295-300.
2. Jackson S. T., Lypord M. E. Pollen Dispersal Models in Quaternary Plant Ecology: Assumptions, Parameters, and Prescriptions // The botanical review. - 1999. - V. 65 (1). P. 39-74.
3. Головко А. В., Истомин В. Л., Куценогий К. П. Определение скорости седиментации пыльцевых частиц (как одиночных зерен, так и их агломератов) растений, произрастающих в Западной Сибири // Оптика атмосферы и океана. - 2013. - Вып. 26 (6). - С. 513-518.
4. Истомин В. Л., Куценогий К. П. Методика определения аэродинамического диаметра аэрозольных частиц сложной геометрической формы в диапазоне чисел Рейнольдса от 0,1 до 6,0 // Теплофизика и аэродинамика. - 2010. - Вып. 17 (1). - С. 77-83.
© В. В. Головко, В. Л. Истомин, 2015
