Экспресс-оценка физиологического состояния древесных растений по диэлектрическим характеристикам тканей ствола
DOI:
https://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-2-70-85Ключевые слова:
состояние дерева, визуальная оценка, радиальный прирост, диэлектрические характеристики, экспресс-измеренияАннотация
Рассмотрены возможности использования методов диэлектрической спектроскопии для оценки состояния деревьев. Диэлектрические показатели характеризуют клеточные мембраны и проводимость растительных тканей. Для измерения диэлектрических показателей использован диэлектрический импульсный Фурье-спектрометр оригинальной конструкции, подключенный к портативному компьютеру, с помощью которого осуществляется управление и питание прибора. Его конструкция позволяет экспрессно (за время около 1 с) получить информацию о диэлектрических характеристиках тканей ствола дерева в диапазоне частот от 1 до 100 кГц и в полевых условиях обработать, визуализировать и сохранить результаты измерений на компьютере. Оценки состояния деревьев, полученные с помощью диэлектрического импульсного Фурье-спектрометра, сопоставлялись с визуальными характеристиками дерева и данными о его радиальном приросте. Показано, что существуют различия в значениях диэлектрических характеристик у деревьев разных категорий состояния и с разными величинами радиального прироста. Данные диэлектрической спектроскопии в отличие от субъективных качественных визуальных показателей состояния дерева носят количественный объективный характер. Их можно получить значительно быстрее и с меньшими трудозатратами по сравнению с оценками характеристик дерева по радиальному приросту. Предложенный метод использовался для оценки состояния кедра сибирского (Pinus sibirica), пихты сибирской (Abies sibirica) и ели обыкновенной (Picea obovata) в лесных насаждениях Прибайкалья. Исследования проводись как в контрольных (неповрежденных) насаждениях, так и в пораженных бактериальной водянкой. Показано, что предложенный метод может быть применен для экспресс-оценки состояния деревьев и уровня их повреждений.
Для цитирования: Суховольский В.Г., Воронин В.И., Осколков В.А., Ковалев А.В. Экспресс-оценка физиологического состояния древесных растений по диэлектрическим характеристикам тканей ствола // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 2. С. 70–85. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-2-70-85
Финансирование: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 17-29-05074офи_м).
Скачивания
Библиографические ссылки
Белов А.В., Лямкин В.Ф., Соколова Л.П. Картографическое изучение биоты. Иркутск: Облмашинформ, 2002. 160 с. [Belov A.V., Lyamkin V.F., Sokolova L.P. Cartographic Study of Biota. Irkutsk, Oblmashinform Publ., 2002. 160 p.].
Воронин В.И. Бактериальная водянка хвойных в байкальских лесах: причины возникновения и риск эпифитотии // Сборник материалов Всероссийской научной конференции с международным участием и школы молодых ученых «Механизмы устойчивости растений и микроорганизмов к неблагоприятным условиям среды», Иркутск, 10–15 июля 2018 г.: в 2 ч. Иркутск: Ин-т географии им. В.Б. Сочавы СО РАН . 2018. С. 9–12. [Voronin V.I. Bacterial Infections of the Coniferous in the Baikal Forests: Causes and Risks of Epiphythetics. Book of Proceedings of the All-Russian Scientific Conference with International Participation and Schools of Young Scientists “Mechanisms of Resistance of Plants and Microorganisms to Unfavorable Environmental”: In 2 Parts. Irkutsk, July 10–15, 2018. Irkutsk, V.B. Sochava Institute of Geography SB RAS Publ., 2018, pp. 9–12]. DOI: 10.31255/978-5-94797-319-8-9-12
Воронин В.И., Соков М.К. Влияние сероорганических компонентов атмосферных выбросов на пихту сибирскую // Лесоведение. 2005. № 2. С. 62–64. [Voronin V.I., Sokov M.K. The Influence of Sulfurorganic Components of Atmospheric Emissions on Siberian Fir. Lesovedenie [Russian Journal of Forest Science], 2005, no. 2, pp. 62–64].
Воронин В.И., Морозова Т.И., Ставников Д.Ю., Нечесов И.А., Осколков В.А., Буянтуев В.А., Михайлов Ю.З., Говорин Я.В., Середкин А.Д., Шуварков М.А. Бактериальное повреждение кедровых лесов Прибайкалья // Лесн. хоз-во. 2013. № 3. С. 39–41. [Voronin V.I., Morozova T.I., Stavnikov D.Yu., Nechesov I.A., Oskolkov V.A., Buyantuyev V.A., Mikhaylov Yu.Z., Govorin Ya.V., Seredkin A.D., Shuvarkov M.A. Bacterial Damage of Cedar Forests of the Baikal Region. Lesnoe khozaistvo, 2013, no. 3, pp. 39–41].
Голодрига П.Я., Осипов А.В. Экспресс-метод и приборы для диагностики морозоустойчивости растений // Физиология и биохимия культурных растений.1972. Т. 4, вып. 6. С. 650–655. [Golodriga P.Ya., Osipov A.V. Express Method and Instruments for Diagnosing Frost Resistance of Plants. Fiziologiya i biokhimiya kul’turnykh rasteniy, 1972, vol. 4, iss. 6, pp. 650–655].
Григорьев А.И. Эколого-физиологические основы адаптации древесных растений в лесостепи Западной Сибири. Омск: Изд-во ОмГПУ, 2008. 195 с. [Grigor’yev A.I. Ecological and Physiological Basis of Adaptation of Woody Plants in the Forest-Steppe of Western Siberia. Omsk, OSPU Publ., 2008. 195 p.].
Грязькин А.В., Герасюта С.М., Бернацкий Д.П., Трубачева Т.А., Ковалев Н.В. Изменчивость величины импеданса древесных пород // Изв. СПбЛТА . 2012. № 198. С. 11‒17. [Gryazkin A.V., Gerasjuta S.M, Bernatskij D.P., Trubacheva T.A., Kovalev N. Variability of Size of an Impedance of Tree Species. Izvestia Sankt-Peterburgskoj Lesotehniceskoj Akademii [News of the Saint Petersburg State Forest Technical Academy], 2012, no. 198, pp. 11–17].
Гусев Ю.А. Основы диэлектрической спектроскопии. Казань: Изд-во КГУ . 2008. 112 с. [Gusev Yu.A. Fundamentals of Dielectric Spectroscopy. Kazan, KSU Publ., 2008. 112 p.].
Донякина С.С., Ковалев А.В., Тарасова О.В., Пальникова Е.Н., Астапенко С.А., Суховольский В.Г. Устойчивость пихты сибирской к ксилофагам: сопоставление визуальных и инструментальных оценок // Хвойные бореальной зоны. 2013. Т. XXXI, № 3–4. C. 26–30. [Donyakina S.S., Kovalev A.V., Tarasova O.V., Palnikova E.N., Astapenko S.A., Soukhovolsky V.G. The Stability of Fir Trees to Xylophages: Comparison of Visual and Instrumental Estimations. Hvojnye boreal’noy zony [Coniferous of the boreal area], 2013, vol. XXXI, no. 3-4, pp. 26–30].
Зубкова Т.А., Мартынова Н.А., Белоусов В.М. Электрическое сопротивление структурных элементов биогеоценозов // Изв. Иркут. гос. ун-та. Сер.: Наука о Земле. 2011. Т. 4, № 2. С. 82‒89. [Zubkova T.A., Martynova N.A., Belousov V.M. Electrical Resistance of Structural Elements of the Forest Biogeocoenoses. Izvestiya Irkutskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya «Nauki o Zemle» [The Bulletin of Irkutsk State University. Series “Earth Sciences”], 2011, vol. 4, no. 2, pp. 82‒89].
Каширо Ю.П., Хасанов Н.X., Дорожкин Е.М. Электрическое сопротивление тканей прикамбиального комплекса ствола у сосны обыкновенной и его диагностические возможности // Леса Урала и хозяйство в них: cб. науч. тр. Свердловск: УРГУ , 1988. Вып. 14. С. 183‒184. [Kashiro Yu.P., Khasanov N.Kh., Dorozhkin E.M. Electrical Resistance of Tissues of the Trunk Cambial Complex of Scots Pine and Its Diagnostic Capabilities. Forests of the Urals and Management in Them: Collection of Academic Papers. Sverdlovsk, URGU Publ., 1988, iss. 14, pp. 183‒184].
Ковалев А.В., Суховольский В.Г. Диэлектрический спектрометр для экспрессной оценки состояния растений // Мониторинг и биологические методы контроля вредителей и патогенов древесных растений: от теории к практике. Красноярск: ИЛ СО РАН . 2016. C. 105–106. [Kovalev A.V., Soukhovolsky V.G. Dielectric Spectrometer for Express State Estimation of Plants. Monitoring and Biological Methods for Control of Pests and Pathogens of Woody Plants: From Theory to Practice. Krasnoyarsk, IF SB RAS Publ., 2016, pp. 105–106].
Ковалев А.В., Jakuš R., Пальникова Е.Н., Суховольский В.Г. Диэлектрическая фурье-спектроскопия в оценке состояния деревьев в очагах массового размножения короедов // Хвойные бореальной зоны. 2016. Т. XXXIV, № 1–2. C. 44–51. [Kovalev A. Jakuš R., Palnikova E., Soukhovolsky V. Dielectric Fourier Spectroscopy to Assess the Condition of the Trees in the Outbreaks of Bark Beetles. Hvojnye boreal’noy zony [Coniferous of the boreal area], 2016, vol. XXXIV, no. 1-2, pp. 44–51].
Краснобаев В.А., Воронин В.И. Аномальные оттепели как одна из причин повреждений кроны молодых хвойных деревьев в южном Прибайкалье // География и природные ресурсы. 2011. № 2. С. 75–78. [Krasnobayev V.A., Voronin V.I. Anomalous Thaws as a Cause of Young Coniferous Tree Crown Damage in the Southern Baikal Region. Geographiya i prirodnyye resursy [Geography and Natural Resources], 2011, no. 2, pp. 75–78].
Курило Ю.А., Григорьев А.И. Электрическое сопротивление как показатель устойчивости древесных растений в условиях нефтяного загрязнения // Проблемы региональной экологии. 2010. № 5. С. 111–115. [Kurilo Ju.A., Grigoriev A.I. Electric Resistance as an Indicator of Viability of Wood Plants. Problemy regional’noy ekologii, 2010, no. 5, pp. 111–115].
Курило Ю.А., Григорьев А.И. Изучение электрического сопротивления древесных растений в условиях нефтяного загрязнения почвы (на примере березы повислой) // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 3. Режим доступа: https://science-education.ru/pdf/2015/3/69.pdf (дата обращения: 18.08.18). [Kurilo Yu.A., Grigorev A.I. The Study of the Electrical Resistance of Woody Plants in Conditions of Oil Contamination of Soil (for Example Betula pendula). Sovremennyye problemy nauki i obrazovaniya [Modern problems of science and education], 2015, no. 3]. DOI: 10.17513/spno.2015.3
Курило Ю.А., Григорьев А.И. Применение электрометрического метода для диагностики влияния нефтешлама на жизнедеятельность березы повислой // Лесоведение. 2019. № 4. С. 304–310. [Kurilo Yu.A., Grogor’ev A.I. Effect of Duration of Oil Sludge on Vital Activity of Silver Birch (Betula pendula Roth.) Studied by Electrical Method. Lesovedenie [Russian Journal of Forest Science], 2019, no. 4, pp. 304–310]. DOI: 10.1134/S002411481904003X
Кушнеренко М.Д., Курчатова Г.П., Штефырца А.А., Печерская О.Н., Киевцова Е.В., Баштовая С.И. Комплексный метод определения жаро- и засухоустойчивости растений прибором «ТУРГОРОМЕР -1» (Т-1) // Экспресс-методы диагностики жаро-засухоустойчивости и сроков налива растений. Кишинев: ШТИ ЧИЦА , 1986. 36 с. [Kushnarenko M.D., Kurchatova G.P., Shtefyrtsa A.A., Pecherskaya O.N., Kiyevtsova E.V., Bashtovaya S.I. A Complex Method for Determining Heat and Drought Tolerance of Plants with the Device “TURGOROMER-1” (T-1). Express Methods for Diagnosis of Heat and Drought Tolerance and Timing of Plant Ripening. Kishinev, ShTIChITsA Publ., 1986. 36 p.].
Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. Л.: Наука, 1990. 200 с. [Forest Ecosystems and Atmospheric Pollution. Leningrad, Nauka Publ., 1990. 200 p.].
Маторкин А.А., Карасева М.А. Информативность импеданса прикамбиального комплекса тканей деревьев хвойных пород при диагностике их жизнеспособности // Современная физиология растений: от молекул до экосистем: материалы докл. Междунар. конф. Сыктывкар, 18–24 июня 2007 г. Сыктывкар, Коми НЦ УрО РАН , 2007. Ч. 2. С. 265–266. [Matorkin A.A., Karaseva M.A. Self-Descriptiveness of Impendance of Complex Adjacent to Cambium in Coniferous Tissues for Their Viability. Proceedings of the International Conference “The Modern Plant Physiology: From Molecules to Ecosystems”, June 18–24 2007, Syktyvkar. Syktyvkar, 2007, part 2, pp. 265–266].
Плешанов А.С., Морозова Т.И. Микромицеты пихты сибирской и атмосферное загрязнение лесов. Новосибирск: Гео, 2009. 115 с. [Pleshanov A.S., Morozova T.I. Micromycetes of Siberian Fir and Atmospheric Pollution of Forests. Novosibirsk, Geo Publ., 2009. 115 p.].
Положенцев П.А., Золотов Л.А. Динамика электрического сопротивления тканей луба сосны как индикатор изменения их физиологического состояния // Физиология растений. 1970. Т. 17, вып. 4. С. 830–835. [Polozhentsev P.A., Zolotov L.A. Dynamics of Electrical Resistance of Pine Bast Tissues as an Indicator of Changes in Their Physiological State. Physiologiya rasteniy [Soviet Journal of Plant Physiology], 1970, vol. 17, no. 4, pp. 830–835].
Правила санитарной безопасности в лесах: постановление Правительства Российской Федерации от 20 мая 2017 года № 607. М., 2017. [Rules of Sanitary Safety in Forests: Decree of the Government of the Russian Federation of May 20, 2017 No. 607. Moscow, 2017].
Раннев Г.Г., Тарасенко А.П. Методы и средства измерений. М.: Академия, 2004. 336 с. [Rannev G.G., Tarasenko A.P. Methods and Tools of Measurement. Moscow, Akademiya Publ., 2004. 336 p.].
Суховольский В.Г. Моделирование роста деревьев и взаимодействия лесных насекомых с древесными растениями: оптимизационный подход: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. Красноярск, 1996. 31 с. [Soukhovolsky V.G. Modeling of Tree Growth and Interactions of Forest Insects with Woody Plants: An Optimization Approach: Dr. Biol. Sci. Diss. Abs. Krasnoyarsk, 1996. 31 p.].
Суховольский В.Г., Ковалев А.В., Сотниченко Д.В. Диэлектрическая спектроскопия прикамбиального комплекса тканей и экспресс-диагностика состояния древесных растений // Эколого-географические аспекты лесообразовательного процесса. Красноярск: ИЛ СО РАН , 2009. C. 335–336. [Soukhovolsky V.G., Kovalev A.V., Sotnichenko D.V. Dielectric Spectroscopy of the Near-Cambial Complex of Tissues and Express State Diagnostics of Woody Plants. Ecological and Geographical Aspects of Forest Formation. Krasnoyarsk, IF SB RAS Publ., 2009, pp. 335–336].
Тарусов Б.Н. Электропроводность как метод определения жизнеспособности ткани // Арх. ботан. наук. 1938. Т. 52, вып. 2. С. 5–16. [Tarusov B.N. Electrical Conductivity as a Method for Determining Tissue Viability. Arkhiv botanicheskikh nauk, 1938, vol. 52, iss. 2, pp. 5–16].
Халафян А.А. Statistica 6. Статистический анализ данных. М.: Бином-Пресс. 2007. 512 с. [Khalafyan A.A. Statistica 6. Statistical Data Analysis. Moscow, Binom-Press Publ., 2007. 512 p.].
Хамадулин Э.Ф. Основы радиоэлектроники. Методы и средства измерений. М.: Юрайт, 2018. 365 с. [Khamadulin E.F. Fundamentals of Radio Electronics. Methods and Tools of Measurement. Moscow, Urait Publ., 2018. 365 p.].
Шеверножук Р.Г. Биоэлектрическая активность ели в насаждениях, методика ее измерения // Изв. вузов. Лесн. журн. 1968. № 4. С. 36–40. [Shevernozhuk R.G. Bioelectric Activity of Spruce in Plantations, the Method for Its Measurement. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 1968, no. 4, pp. 36–40]. URL: http://lesnoizhurnal.ru/apxiv/1968/201968.pdf
Шишмарёв В.Ю. Технические измерения и приборы. М.: Юрайт, 2019. 377 с. [Shishmarev V.Yu. Technical Measurements and Devices. Moscow, Urait Publ., 2019. 377 p.].
Carter J.K., Blanchard R.O. Electrical Resistance Related to Phloem Width in Red Maple. Canadian Journal of Forest Research, 1978, vol. 8, no. 1, pp. 90–93. DOI: 10.1139/x78-015
Cole K.S., Cole R.H. Dispersion and Absorption in Dielectrics. I. Alternating Current Characteristics. The Journal of Chemical Physics, 1941, vol. 9, iss. 4, pp. 341–351. DOI: 10.1063/1.1750906
Davis W., Shigo A., Weyrick R. Notes: Seasonal Changes in Electrical Resistance of Inner Bark in Red Oak, Red Maple, and Eastern White Pine. Forest Science, 1979, vol. 25, iss. 2, pp. 282–286. DOI: 10.1093/forestscience/25.2.282
Feldman Y., Ermolina I., Hayashi Y. Time Domain Dielectric Spectroscopy Study of Biological Systems. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2003, vol. 10, iss. 5, pp. 728–753. DOI: 10.1109/TDEI.2003.1237324
Fissenko S., Fissenko M. Vegetation Variations of Electric Resistance of Trees. International Scientific Review, 2016, no. 18(28), pp. 39‒43.
Gabriel S., Lau R.W., Gabriel C. The Dielectric Properties of Biological Tissues: II. Measurements in the Frequency Range 10 Hz to 20 GHz. Physics in Medicine & Biology, 1996, vol. 41, no. 11, pp. 2251–2269. DOI: 10.1088/0031-9155/41/11/002
Ksenzhek O., Petrova S., Kolodyazhny M. Electrical Properties of Plant Tissues. Resistance of a Maize Leaf. Bulgarian Journal of Plant Physiology, 2004, no. XXX, no. 3-4, pp. 61‒67.
Methods of Dendrochronology: Applications in the Environmental Sciences. Ed. by Cook E.R., Kairiukstis L.A. Dordrecht, Springer, 1990. 394 p. DOI: 10.1007/978-94-015-7879-0
Rinn F. TSAP Version 3.5. Reference Manual. Computer Program for Tree-Ring Analysis and Presentation. Heidelberg, Frank Rinn Distribution, 1996. 264 p.
Schanne O.F., Ruiz P., Ceretti E. Impedance Measurements in Biological Cells. New York, John Wiley & Sons, 1978. 430 p.
Shortle W.S., Shigo A.L., Berry P., Abusambra J. Electrical Resistance in Tree Cambium Zone: Relationship to Rates of Growth and Wound Closure. Forest Science, 1977, vol. 23, iss. 3, pp. 326–329. DOI: 10.1093/forestscience/23.3.326
Soukhovolsky V. Insects-Xylophages in Sayan Mountain Forests after Windthrow: Population Dynamics Models. Insects and Fungi in Storm Areas: Proceedings of the IUFRO Working Party 7.03.10 Methodology of Forest Insect and Desease Survey in Central Europe, November 30, 2009, Zvolen, Slovakia. Zvolen, National Forest Centre, 2009, pp. 20–23.
Wargo P.M., Skutt H.R. Resistance to Pulsed Electrical Current: An Indicator of Stress in Forest Trees. Canadian Journal of Forest Research, 1975, vol. 5(4), pp. 557–561. DOI: 10.1139/x75-081
