Оценка состояния сосны биоэлектрическим методом

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);

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

По данным корреляционного анализа были установлены достоверные связи (tфакт.>tтабл.): прямая зависимость в каждом положении измерения, теснота связи умеренная (r=0,41…0,39) и высокая (r=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.

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.