СПОСОБ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ ДРЕВЕСИНЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СЕЗОННОГО РОСТА КУСТАРНИКОВ В ВЫСОКОГОРЬЯХ Российский патент 2023 года по МПК A01G23/02 

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано при изучении кустарников и кустарничков в высокогорьях.

Дендрохронологические исследования позволяют получить ответы на вопросы, связанные с динамикой лесных экосистем, реконструкцией и прогнозированием будущих климатических изменений, что становится особенно актуальным в период глобальных перестроек среды (Ваганов и др., 1996; Шиятов и др., 2000). В настоящее время, в горах Урала одним из самых распространенных кустарниковых видов является Juniperus sibirica Burgsd., произрастающий на всем протяжении Уральского хребта и играющий важную фитоценотическую роль в сложении высокогорных растительных сообществ. Наиболее распространен J. sibirica в горах Южного и Северного Урала, где он формирует полосу растительности, расположенную в редколесьях, рединах и нижней части горных тундр и лугов, часто образуя труднопроходимые заросли. Недавние исследования показали, что на фоне современных изменений климата в последнее столетие (особенно после 1970-х гг.) происходила интенсивная экспансия J. sibirica в горно-тундровые и редколесные сообщества в горах Южного (Шиятов и др., 2020) и Северного (Григорьев и др., 2020) Урала. В связи с этим исследование закономерностей роста данного кустарникового вида в высокогорьях приобретает чрезвычайную актуальность. Определенный вклад в решение данной проблемы внесли Хантемиров P.M. с коллегами (2011). На Полярном Урале ими была установлена высокая связь между величиной прироста древесины J. sibirica и температурой летних месяцев, а также получен положительный опыт использования патологических структур в годичных кольцах J. sibirica с целью реконструкции экстремальных климатических событий (Хантемиров и др., 2000). R. Shetti et al. с колл. (2018) на основе традиционных методов провели исследование синхронности роста J. sibirica по длине ветвей в широтном градиенте Уральских гор. Было показано, что один поперечный спил, не полностью отражает реакцию роста куста на климатические переменные.

Для верификации и полного понимания полученных оценок связи радиального прироста и климатических факторов необходимы наблюдения за сезонным ростом (ксилогенезом) клеток и динамикой условий среды (Vaganov et al., 2006; Shishov et al., 2016). Исследования ксилогенеза позволяют более полно оценить особенности динамики роста и основные факторы, влияющие на размер годичных колец (Фонти, 2020). Это дает возможность сформулировать и уточнить гипотезы об отклике радиального роста на климатическую составляющую. В дальнейшем полученная информация может быть использована для оценки изменения климата и изменения реакции растений на климатическую составляющую за последние десятки или сотни лет, а также для реконструкции периода вегетации в районе исследований. Специальных работ, посвященных изучению сезонного роста в ценопопуляциях и сообществах с господством J. sibirica на Урале и в других горных регионах России до сих пор не проводилось.

Для исследования сезонного роста у одноствольных древесных растений, традиционно используют возрастной бур Пресслера (например, фирмы Haglof, Suunto и др.), внешний диаметр которого достигает 10 мм (Шиятов и др., 2000; Брюханова и др. 2013). В результате закручивания бура, получаются цилиндрические образцы (керны) диаметром 5.15 мм. Данный способ отбора является трудоемким, при котором очень часто отрывается кора, что недопустимо при изучении сезонного роста. Так же, на дереве, остается довольно много отверстий после изъятия кернов, что болезненно для дерева и в дальнейшем способствует развитию гнили и поражению грибами-фитофагами. Для подобного рода исследования подходят деревья, у которых диаметр ствола должен быть не меньше 20 см. Для кустарниковых и кустарничковых видов, которые в процессе жизнедеятельности (особенно в экстремальных условиях, например, в высокогорьях) не формируют вертикальные стволы или формируют, но недостаточного диаметра, использование описанного выше способа взятия образцов, не представляется возможным. Возрастные буры Пресслера в настоящее время в России не производятся и являются дорогостоящим оборудованием (от 15000 руб.).

Существует другой способ отбора кернов с помощью итальянского пробоотборника Трефор (Rossi, 2006). Указанный прибор забивается молотком и обладает достаточно малыми внешним диаметром (5 мм), что наносит меньший вред стволу по сравнению с традиционными инструментами для отбора кернов годового прироста. Можно работать с деревьями, диаметр ствола которых не менее 10 см. Для кустарниковых и кустарничковых видов, которые в процессе жизнедеятельности не формируют вертикальные стволы или формируют, но недостаточного диаметра, использование описанного выше способа взятия образцов не представляется возможным.

Наиболее близким техническим решением, выбранным заявителем в качестве прототипа, является способ анализа древесных стволов вторичного лесного древостоя, включающий выбор пробной площади в древостое, отбор каждого модельного дерева на пробной площади, описание значений свойств выбранного модельного дерева и места его произрастания, нанесение на ствол отметок о северной и южной сторонах, установление местоположения шейки корня, спиливание дерева около корневой шейки ствола, измерение расстояний на стволе по характерным точкам ствола до первого мертвого и первого живого сучков, до начала кроны, а также и других таксационных показателей, разметку ствола начиная от комля на отдельные секции кратной длины (0,5, 1 или 2 м) или некратной длины в зависимости от цели анализа ствола и требуемой точности исследования, выпиливание кружков от основания ствола к его вершине, причем первый рез делают на месте отметки около корневой шейки, а второй - отступя от него к вершине на толщину кружка, каждому отпиленному кружку придают отметки о номерах пробной площади, модельного дерева и отпиленного кружка, обозначения делают на несколько сглаженной верхней части кружков, а нижние части кружков в камеральных условиях используют для подсчета годичных колец и измерения диаметров и радиусов поперечного сечения ствола, кроме того разметку ствола выполняют на секции некратной длины в зависимости от расположения оснований ветвей, сучков и других неровностей ствола, причем секции некратной длины размечают по крайней мере дважды -вначале по местам наименьших диаметров между основаниями ветвей и сучьев и другими неровностями поверхности ствола модельного дерева, а затем по вершинам этих неровностей с измерением соответствующих расстояний от корневой шейки кратные длины секций определяют по ровным участкам малой кривизны ствола, а некратные длины секций определяют по неровным участкам значительной кривизны ствола, включая и комлевую часть ствола модельного дерева, а кружки выпиливают по сечениям наименьших диаметров ствола и в местах переломных переходов кривизны продольной образующей у поверхности ствола модельного дерева, отличающийся тем, что во вторичном лесном древостое со старыми деревьями из первичного древостоя и молодыми деревьями, для анализа стволов отбор модельных деревьев выполняется среди старых деревьев, которые по лесоводственным требованиям должны быть удалены, например, при последующих рубках ухода за древостоем, а среди молодых деревьев отбираются учетные деревья, причем сочетания параметров модельных деревьев из, например, семенных особей главной породы и учетных деревьев из сообщества молодых поколений лесных деревьев подвергаются статистическому моделированию для составления биометрической картины, по крайней мере, в двух динамических системах деревьев в виде первичного и вторичного древостоя, а также биометрических картин и биотехнических закономерностей по поколениям и их группам удаляемых модельных и оставляемых на доращивание учетных лесных деревьев (заявка на изобретение №2009101709, опубл. 27.07.2010 г.).

Недостатком данного технического решения является то, что его сложно применить в отношении кустарников.

Помимо описанных выше сложностей при взятии образцов древесины с целью изучения сезонного роста у таких видов, как Juniperus sibirica Burgsd. часто (особенно в высокогорьях) формируется эксцентричная древесина с большим количеством тонких и частично выпадающих годичных колец (Горланова, 2009). В связи с этим у подобных видов кустарников описанными выше методами взятие образцов древесины не представляется возможным. Не возможно и отбирать пробы у кустарничков, например, у голубики (Vacinium uliginósum), черники (Vaccinium myrtillus) и др. Таким образом, все используемые до настоящего времени в мировом научном сообществе способы взятия образцов древесины для изучения сезонного роста, оставляют глубокие раны, не всегда сохраняют керн в целостности, для их использования требуется наличие дорогостоящего оборудования и применение описанных выше методов не представляется возможным применительно к кустарникам и кустарничкам.

Технической задачей изобретения является обеспечение возможности изучения сезонного роста кустарников с эксцентричной древесиной, произрастающих в условиях высокогорья.

При этом достигается технический результат - повышение точности определения количества сформированных клеток.

Техническая задача достигается тем, что способ отбора образцов древесины для изучения сезонного роста кустарников в высокогорьях включает выбор пробной площади, на которой проводят определение модельного куста и отбор у модельного куста образцов отличающийся тем, что у модельного куста выбираются вертикально ориентированные боковые ветви, а образцы древесины срезаются на концах вертикально ориентированных боковых ветвей, при этом каждый образец древесины представляет собой цилиндр длиной не более 1 см и диаметром в отрезах не более 5 мм, а отбор образцов древесины производится с начала и до конца периода вегетации, один раз в 5 дней.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается следующими признаками:

- у модельного куста выбираются вертикально ориентированные боковые ветви;

- образцы древесины срезаются на концах вертикально ориентированных боковых ветвей;

- каждый образец древесины представляет собой цилиндр длиной не более 1 см;

- каждый образец древесины представляет собой цилиндр диаметром в отрезах не более 5 мм;

- отбор образцов древесины производится с начала и до конца периода вегетации, один раз в 5 дней.

Поэтому можно предположить, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».

Заявляемое техническое решение может быть реализовано с использованием известных технических средств, поэтому оно соответствует критерию «промышленная применимость».

При проведении патентных исследований заявляемая совокупность признаков выявлена не была, поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Для изучения сезонного роста кустарников первостепенно выбирается модельный куст, который должен быть в неугнетенном состоянии, с наличием большого количества жизнеспособной хвои и ветвей, не объеденный животными. Образцы древесины берутся (срезаются) секатором на концах вертикально ориентированных боковых ветвей (Фиг. 1). Образец древесины представляет собой цилиндр длиной не более 1 см и диаметром в отрезах не более 5 мм (подходит для пробирки эпиндорфа). Отбор образцов древесины необходимо начинать с начала периода вегетации в районе исследований (как правило, начало мая) раз в 5 дней и до конца периода вегетации (середина сентября). В связи с тем, что высокогорья - это экстремальная среда обитания и вегетационный период короче (Горчаковский, Шиятов, 1985), отбор образцов берется каждые 5 дней. Далее в последующую дату отбора проб срез ветки берется у следующей вертикально ориентированной боковой ветви, как показано на Фиг. 1.

Взятые образцы древесины стандартными методами фиксируются в растворе спирта, воды и глицерина (1:1:1). Параметры формирующихся годичных колец J.sibirica измеряются на тонких (20-30 мкм) поперечных срезах, полученных с помощью санного микротома GSL-1. Срезы окрашиваются красителями (сафранин, астраблю) для контрастного разграничения нелигнифицированных и лигнифицированных тканей по методике, описанной в работе (Gartner, Schweingruber, 2013). Окрашенные и промытые срезы помещаются в каплю глицерина на предметное стекло. Количество и размеры клеток измеряется в пяти повторностях с помощью системы анализа изображений и программного пакета AxioVision 4.8.2. (Carl Zeiss, Германия).

На Фиг. 1 представлена схема взятия (обрезки) образцов древесины, где 1 - главная скелетная ось (ствол), 2 вертикально ориентированные боковые ветви, 3 - корни, 4 - кончики вертикально ориентированных боковых ветвей, на которых производится срез секатором образцов.

На Фиг. 2 показан взятый (срезанный) образец древесины.

Заявляемый способ применен на г. Дальний Таганай (Южный Урал).

В результате проведенного эксперимента нами отборы проб J. sibirica проводились в следующие даты:

Исследования сезонного роста были проведены в 2018 г. По данным температурных датчиков средняя температура воздуха за весь сезон наблюдений (03.06-15.09.2018) составила 10.8°С. Середина июня характеризовалась достаточно прохладными температурными условиями, тогда как самые высокие температуры достигались в начале и конце июля (рис. 2). Максимальное значение температуры наблюдалось 04 июля (24.5°С), минимальное 10 июня (1°С).

На Фиг. 3 показана температура воздуха на горе Таганай с 03 июня по 15 сентября 2018 г.

В соответствии с заявляемым способом по вышеуказанной схеме (Фиг. 1) было получено 76 образцов, у которых были измерены количество клеток в годичном кольце 2018 года. Результаты измерения сезонного нарастания клеток ксилемы у J.sibirica представлено на графике, Фиг. 4.

На Фиг. 5. показано изменение числа клеток растущего слоя в 2018 г. А: логистическая модель роста числа клеток; вертикальная пунктирная линия показывает точку перегиба; горизонтальная пунктирная линия показывает асимптоту. Б: скорость роста как производная логистической модели роста.

Динамика сезонного нарастания слоя древесины показала классическую сигмоидную форму (Фиг. 5). Наблюдения показали, что появления первых клеток ксилемы приходится на начало июня (9.06). Конец деления клеток наблюдался во второй половине августа (18.08-29.08). Кульминация скорости роста наблюдалась 8-10 июля (Фиг. 5). Общий ход сезонного радиального прироста (начало, кульминация, конец) соответствует ходу изменения температуры воздуха. На Фиг. 6 показана скорость роста клеток ксилемы и средняя суточная температура. Нижняя кривая - производная от модели сплайна, аппроксимирующей изменение толщины кольца (числа клеток). Верхняя кривая - температура. Начало роста клеток наблюдается, когда минимальная суточная температура воздуха достигает 4°С, а среднесуточная 6.9°С. Кульминация скорости роста наблюдалась в середине июля (8-10.07) при средней суточной температуре 13,3°С, а конец роста клеток происходил на фоне снижения температуры до 5,9°С.

В течение вегетационного периода рост клеток ксилемы шел скачкообразно, что связано с вариабельностью метеорологических условий. Сопоставление кривых роста клеток и суточной температуры показало относительно небольшую связь между ними, визуально не прослеживается синхронности между температурными волнами и скачками скорости роста числа клеток. Корреляция с минимальной дневной температурой составила r=0.28, средней дневной температурой r=0.29, максимальной дневной температурой r=0.27. Во всех случаях при проверке значимости коэффициента от нуля наблюдаемый уровень значимости менее 0.01. Пики скорости роста могут быть синхронизированы с осадками, однако наблюдения о количестве осадков в 2018 г. не проводились.

Для J.sibirica, произрастающего в высокогорьях Урала с помощью нового способа взятия образцов древесины установлены основные фенологические даты ксилогенеза 2018 года на основании исследования сезонного роста клеток: дата появления первых клеток 9 июня, кульминации скорости роста 8-10 июля и дата формирования последних клеток 18-29 августа. В течение вегетационного периода скорость роста числа клеток изменялась скачкообразно, однако связь волн роста клеток со среднесуточной температурой низка, и в целом появление клеток начиналось при достижении минимальной суточной температурой отметки в 4°С.

Таким образом, заявляемый способ взятия образцов древесины позволяет повысить точность определения количества сформированных клеток.

Список литературы:

Ваганов Е.А., Шиятов С.Г., Мазепа B.C. (1996) Дендроклиматические исследования в Урало-Сибирской Субарктике - Новосибирск: Наука, 246 с. Шиятов, С.Г. Методы дендрохронологии. Часть I. Основы дендрохронологии. Сбор и получение древесно-кольцевой информации. [Текст] / С.Г. Шиятов, Е.А. Ваганов, А.В. Кирдянов, В.Б. Круглов, B.C. Мазепа, М.М. Наурзбаев, P.M. Хантемиров. - Красноярск: КрасГУ, 2000. - 80 с.

Шиятов С.Г., Моисеев П.А., Григорьев А.А. Фотомониторинг древесной и кустарниковой растительности в высокогорьях Южного Урала за последние 100 лет. Монография. Екатеринбург: ООО «Издательство УМЦ УПИ», 2020, 191 с.

Григорьев А.А., Шалаумова Ю.В., Балакин Д.С. Современная экспансия Juniperus sibirica Burgsd. в горные тундры Северного Урала. Экология, 2021, №5. С. 346-353.

Hantemirov RM, Shiyatov SG, Gorlanova LA (2011) Dendroclimatic study of Siberian juniper (Juniperus sibirica Burgsd.). Dendrochronologia 29 (2): 119-122. https://doi.org/10.1016/j.dendro.2010.05.001.

Хантемиров, Горланова, Шиятов. Патологические структуры в годичных кольцах можжевельника сибирского (Juniperus sibirica Burgsd.) и их использование для реконструкции экстремальных климатических событий. Экология, 2000, №3, с. 185-192.

Shetti R, Bums A, Smiljanic М, et al. (2018b) Climate sensitivity is affected by growth differentiation along the length of Juniperus communis L. shrub stems in the Ural Mountains. Dendrochronologia 49: 29-35.

Vaganov, E.A., Hughes M.K., Shashkin A.V. (2006) Growth dynamics of conifer Tree Rings: Images of Past and Future Environments. Springer, Berlin-Heidelberg. - 358 p.

Shishov, V.V. VS-oscilloscope: A new tool to parameterize tree radial growth based on climate conditions [Text] / V.V. Shishov, I.I. Tuchkov, M.I. Popkova, V.A. Ilyin, M.V. Bryukhanova, A.V. Kirdyanov // Dendrochronologia, 2016. Vol. 39. pp. 42-50.

Фонти M.B. Климатический сигнал в параметрах годичных колец (плотности древесины, анатомической структуре и изотопном составе) хвойных и лиственных видов деревьев в различных природно-климатических зонах Евразии. Автореф. дисс.док. биол. наук., 2020, 45 с.

Gartner Н. Microscopic preparation techniques for plant stem analysis /H. Gartner H., F. Schweingruber. - Kessel Publishing House, Remagen, 2013. 78 p.

Брюханова, M.B. Особенности ксилогенеза лиственницы Гмелина в условиях криолитозоны Средней Сибири [Текст] / М.В. Брюханова, А.В. Кирдянов, А.С. Прокушкин, П.П. Силкин // Экология. - 2013. - №5. - С. 323-329.

Rossi S., Anfbdillo Т., Menardi R. Trephor: a new tool for sampling microcores from tree stems [Text] / S. Rossi, T. Anfbdillo, R. Menardi // IAWA Journal, 2006. - Vol. 27 (1). - pp. 89-97.

Горланова Л.А. Дендроклиматический анализ можжевельника сибирского (Juniperus sibirica Bergsd.) на Полярном Урале. Автореф. дисс. канд. биол. наук., 2009, 22 с.

Горчаковский П.Л., Шиятов С.Г. (1985) Фитоиндикация условий среды и природных процессов в высокогорьях. М., Наука,. 208 с.

Изобретение относится к экологии и может быть использовано при изучении кустарников и кустарничков в высокогорьях. Способ включает выбор пробной площади, на которой проводят определение модельного куста и отбор у модельного куста образцов. Для отбора образцов у модельного куста выбираются вертикально ориентированные боковые ветви, а образцы древесины срезаются на концах вертикально ориентированных боковых ветвей. Каждый образец древесины представляет собой цилиндр длиной не более 1 см и диаметром в отрезах не более 5 мм, а отбор образцов древесины производится с начала и до конца периода вегетации, один раз в 5 дней. Обеспечивается повышение точности определения количества сформированных клеток. 6 ил.

Способ отбора образцов древесины для изучения сезонного роста кустарников в высокогорьях, включающий выбор пробной площади, на которой проводят определение модельного куста и отбор у модельного куста образцов, отличающийся тем, что у модельного куста выбираются вертикально ориентированные боковые ветви, а образцы древесины срезаются на концах вертикально ориентированных боковых ветвей, при этом каждый образец древесины представляет собой цилиндр длиной не более 1 см и диаметром в отрезах не более 5 мм, а отбор образцов древесины производится с начала и до конца периода вегетации один раз в 5 дней.