Температурный режим ксилемы ствола сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в пригородных лесах Архангельска

Введение . Температурный режим деревьев имеет очень большое значение для протекания физиологических процессов. Действие высоких температур особо сказывается в период вегетации. В результате этих температур поврежденные части растений теряют тургор, становятся дряблыми, растение увядает и засыхает. Заморозки же вызывают у растений ряд заболеваний, вследствие чего прочность древесины уменьшается. Солнечная тепловая энергия передается дереву путем инсоляции, через воздух и почву. Тепловой обмен складывается из конвекции, теплопроводности и в основном из теплопередачи с помощью излучения [1]. Деревья -пойкилотермные организмы, поэтому температура окружающего воздуха играет особенно важную роль. Если она превышает температуру деревьев, то к нагреванию излучением добавляется нагревание путем конвекции. В противном случае будут иметь место потери тепла [2]. Установлено, что стволы древесных пород защищены по-разному: у березы температура камбия быстро меняется в соответствии с колебаниями температуры наружного воздуха, в то время как у сосны она более постоянна благодаря лучшим теплозащитным свойствам коры. Суточный ход температуры деревьев коррелирует с суточным ходом солнечной радиации и температурой воздуха и смещен во времени. Это связано с теплоемкостью, теплопроводностью, теплоотдачей, диаметром, расходом воды деревом, степенью жизнеспособности и другими показателями. При одинаковом притоке тепла извне динамика изменения температуры ствола отражает жизнеспособность дерева как целостной биологической системы [3]. У одиночно стоящих деревьев весной и осенью поверхность стволов больше нагревается в дневные часы, особенно с южной стороны, температура камбия здесь может быть до 20 °С выше, чем с северной стороны, где она приближена к температуре окружающего воздуха. Скорость расхода и тока воды определенно соотносятся с уровнем жизнеспособности дерева.

Температурный режим стволов деревьев обусловлен температурой корнеобитаемого слоя почвы, притоком тепла извне, скоростью водного тока и его температурой, расходом воды на транспирацию, категорией жизнеспособности дерева. Иные факторы менее значительны [4].

Исследователями отмечено, что температура дерева в области кроны ближе к температуре воздуха, а в области комля - к температуре почвы, но величины экспериментально полученных градиентов превышают теоретические. Причиной такого расхождения в данных является неоднозначность определения скорости движения пасоки [5]. Тепловые методы оценки состояния деревьев обладают перспективой дистанционного получения информации. Температура служит «сигналом» для прорастания семян. Сумма активных температур влияет на биологическую активность и глубину гумификации в почве органического вещества [6]. Таким образом, тепловой режим - важный экологический параметр почв, во многом определяющий их экологические функции (питание, водоснабжение, окислительно-восстановительные условия и пр.). Превышение температурой ствола температуру воздуха может указывать на возрастание физиологической активности дерева и является защитным механизмом от воздействия крайних температур [7].

Визуальный метод не обеспечивает надежности и объективности оценки деревьев. При оценке состояния дерева по внешним морфологическим признакам ошибка достигает 50 % [8]. В настоящее время существует потребность в нахождении современных способов диагностики физиологического состояния деревьев, позволяющего осуществить контроль, прогноз и оценку лесных экосистем на устойчивость [9]. Одно из новых направлений в получении информации о физиологическом состоянии и жизнеспособности дерева основано на оценке тепловых параметров и подразумевает наличие тесной связи между состоянием деревьев, водным режимом и температурой стволов [10].

Цель исследований : изучение тепловых характеристик сосны обыкновенной в пригородных лесах Архангельска.

Для выполнения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач: определение температурных показателей стволов деревьев различных категорий жизнеспособности, классов возраста, на разной высоте ствола и выявление зависимости с температурой окружающего воздуха.

Объекты, методы и результаты исследований . Исследования проводились на территории Приморского района Архангельской области, расположенного в северной подзоне тайги. Пробные площади закладывались на территории Северодвинского лесничества, Иса-когорского и Новодвинского участковых лесничеств Архангельского лесничества.

Для измерения температуры выбирались учетные деревья разного жизненного состояния. На основании действующих «Санитарных правил в лесах РФ», утвержденных Приказом МПР России от 27.12.20o5 № 350, выделяют 6 категорий состояния (жизнеспособности) деревьев: 1 - деревья без признаков ослабления; 2 - ослабленные; 3 - сильно ослабленные; 4 - усыхающие; 5 - сухостой текущего года (усохшие в текущем году); 6 - сухостой прошлых лет [11]. Первую и вторую категорию жизнеспособности мы объединили в одну категорию условно здоровых деревьев, потому что они схожи по своим биоморфологическим признакам и оценке состояния.

Для измерения температуры использовался портативный цифровой мультиметр Mastech MY 62 [12]. Страна-производитель - Тайвань. Базовая погрешность - 0,5 %. Цифровой мультиметр Mastech MY-62 измеряет величины силы постоянного и переменного тока, постоянного и переменного напряжения, сопротивления, коэффициента усиления биполярных транзисторов, температуры и емкости конденсаторов. Он обладает возможностью измерять температуру окружающей среды в диапазоне от -20 °С до 1 000 °С. Высокое входное сопротивление не вносит погрешности при измерениях величин и говорит о высокой точности прибора. Выбор пределов измерения величин производится вручную путем установки нужного положения многопозиционного переключателя.

С помощью мультиметра MY-62 можно проверять полупроводниковые диоды и прозванивать электрические цепи. Результаты измерений выводятся на крупный цифровой 3 1/2-раз-рядный ЖК-дисплей. Чтобы получить относительно стабильные во времени результаты, электроды вживляли вдоль радиуса ствола. Для этого в объектах сверлили шурфы диаметром 5 мм. Электроды представляли собой стальные стержни, изолированные до поверхности кон- такта (4,5 мм) и соединенные с прибором посредством гибкого провода [13]. Измерение температуры стволов производилось у шейки корня и на высоте 1,3, на глубине 50 мм, а также была измерена температура воздуха рядом с учетными деревьями. Измерения проводились в период интенсивного роста в июне – августе.

Измерения температуры ткани проводились в дневное время в солнечную и пасмурную погоду, у различных категорий состояния, выявленных на данной пробной площади, с целью установления взаимосвязи полученных показателей. На каждой пробной площади методом случайного отбора выбирались 15 учетных деревьев. Шурфы сверлились с северной части стволов в местах, защищенных от прямого воздействия солнечных лучей, на различной высоте: у шейки корня и на высоте 1,3 м, III и IV классов возраста.

Температура стволов сосны изменяется с высотой (табл. 1). Температура ствола у шейки корня меньше температуры на высоте 1,3 м на 1–2 °С, кроме этого у шейки корня она ниже температуры воздуха, а на высоте груди – выше. По всей вероятности, это определяется температурой поглощаемой из почвы воды. В течение года, а особенно в период вегетации дерева, температура почвы, передаваемая водными растворами, в значительной мере регулирует внутреннюю температуру дерева. Из почвы в ствол поступает вода, холоднее температуры воздуха, а затем по мере передвижения по стволу она нагревается и ее температура становится выше. Можно предположить, что чем выше по стволу, тем будет выше температура ствола. При передвижении воды на 1 метр она нагревается, а с ней и древесный ствол, на 0,38 °С.

Таблица 1

Температурные показатели стволов сосны (категория состояния – здоровые)

Период	Температура, °С		Средняя температура воздуха, °С
	у корневой шейки	на высоте 1,3 м
Июнь	17,7	19,5	19,0
Начало июля	19,4	21,4	20,8
Середина июля	25,8	26,8	23,6
Конец июля	30,6	31,6	24,4
Август	22,4	23,9	22,8

Между температурой ствола на высоте груди и температурой воздуха выявлена высокая прямая линейная связь. Коэффициент корреляции составляет: для июня – r = 0,98±0,01; начала июля – r = 0,93±0,06; середины июля – r = 0,96±0,03; конца июля – r = 0,97±0,02; для августа – r = 0,99±0,01.

Температура стволов сосны не совпадает с температурой воздуха, но синхронно изменяется в течение вегетационного сезона. Однако температура ствола у шейки корня всегда ниже температуры на высоте 1,3 м (рис.).

В среднем за изученный временной интервал разница в температурах составляет 0,5°. Вероятно, это связано с высокими теплоизолирующими свойствами коры сосны и, соответственно, с низкой степенью прогревания.

Наблюдается существенное различие в температурах стволов деревьев сосны разных категорий жизнеспособности (табл. 2) в течение трех летних месяцев. Проведенные нами ис- следования показали, что сохраняется существенное различие в температурах стволов деревьев различных рангов жизнеспособности в течение всего лета. У шейки корня различия в температурах ствола минимальные, но у усыхающих деревьев прослеживается более высокая температура. Вероятно, это связано с тем, что усыхающие деревья практически не поглощают воды корнями, а соответственно имеют ослабленный водный ток.

На высоте груди (1,3 м) тенденция увеличения температуры ствола по мере ослабления прослеживается наиболее четко, и разница достигает у здоровых и сильно ослабленных деревьев 2–3 °С, а у здоровых и усыхающих – 6–7 °С.

Таким образом, значительное влияние на температуру стволов деревьев наряду с другими факторами оказывает степень их ослабления, реализуемая через изменение параметров водного тока по стволу дерева.

У шейки корня

—■—На высоте 1,3 метра

Изменение температуры стволов сосны в течение летнего сезона

Температура стволов деревьев сосны различного состояния

Таблица 2

Категория состояния деревьев	Средняя температура, °С
	у корневой шейки	на высоте 1,3 м
Здоровые	23	23,2
Ослабленные	24	24,4
Сильно ослабленные	24,3	25,2
Усыхающие	30,1	29,7

Рассматривая изменение температуры по ных отрицательных температур повышением стволу в высоту, можно отметить, что для деревьев всех категорий характерно увеличение температуры на 1,5–2 °С. Имеются также данные о том, что температура в области кроны ближе к температуре воздуха, а в области комля – к температуре почвы. Пониженная температура стволов по сравнению с температурой окружающего воздуха в подготовительный к вегетации период является защитным механизмом от преждевременной физиологической активности. Когда же происходит биохимическая перестройка, подготовка к видимому росту, дерево защищается от возможных кратковремен- температуры ствола.

Самая высокая температура отмечена у усыхающих деревьев – 30,1 и 29,7 °С у корневой шейки и на высоте груди соответственно. Следовательно, температуру стволов можно использовать для диагностики их состояния. Это особенно важно, так как иногда видимых признаков ослабления не наблюдается.

При оценке температуры ствола относительно возраста деревьев было выявлено уменьшение температуры у корневой шейки и температуры на высоте груди с увеличением возраста (табл. 3).

Таблица 3

Показатели температуры в соответствии с изменением возраста древостоя

в течение летнего сезона

Возраст	Среднедекадная температура, °С
	у корневой шейки	на высоте 1,3 м.
III класса возраста	25,4	26,8
IV класса возраста	24,4	25,7

Наибольшие показатели температуры наблюдаются у деревьев III класса возраста (средневозрастные).

Выводы

• 1.    Температура ствола у корневой шейки ниже температуры ствола на высоте 1,3 м. Разница в температурах составляет 0,5 °С.

• 2.    Ослабленные и усыхающие деревья характеризуются более высокими температурами. Разница температур в сравнении со здоровыми достигает 1–2 и 6–7 °С соответственно.

• 3.    Выявлено уменьшение температуры у корневой шейки и температуры на высоте груди с увеличением возраста деревьев.