Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор 7
Глава 2. Природные условия региона 18
Глава 3. Программа и методика исследований 26
3.1. Программа исследований 26
3.2. Объекты и методика исследований 27
Глава 4. Основные гидрофизические характеристики свежесрубленной древесины. Их роль в устойчивости древесных растений 34
4.1. Гидрофизические свойства древесины ствола 34
4.1.1. Зависимость потенциала влагопереноса свежесрубленной древесины от вида и влажности древесного растения 34
4.1.2. Динамика функциональной влажности древесины и ее лесо хозяиственное значение
4.2. Особенности гидрофизических свойств проводящих корней и ассимиляционного аппарата исследуемых пород 57
4.3. Классификация древесных пород по засухоустойчивости 66
4.4. Гидрофизический паспорт изученных древесных пород 68
4.5. Обсуждение результатов (отличия основных гидрофизических характеристик ствола и корня, кустарников и деревьев) 79
4.6. Выводы по главе 85
Глава 5. Динамика редоксипотенциала и водородного показателя тканей древесных пород. Ее лесохозяиственное и экологическое значение 90
5.1. Особенности окислительно-восстановительного режима древесных пород и его лесохозяйственные и экологические аспекты 90
5.2. Оценка влияния водородного показателя растительных тканей на устойчивость древесных растений. Экологическая и лесово-дственная роль рН в жизни леса 99
5.3. Биохимическое дополнение к гидрофизическому паспорту древесных пород 102
5.4. Обсуждение результатов исследования 106
5.5. Выводы по главе 108
Выводы по диссертационной работе ПО
Предложения производству 114
Список литературы 116
Приложение 128
- Зависимость потенциала влагопереноса свежесрубленной древесины от вида и влажности древесного растения
- Особенности гидрофизических свойств проводящих корней и ассимиляционного аппарата исследуемых пород
- Обсуждение результатов (отличия основных гидрофизических характеристик ствола и корня, кустарников и деревьев)
- Оценка влияния водородного показателя растительных тканей на устойчивость древесных растений. Экологическая и лесово-дственная роль рН в жизни леса
Введение к работе
Актуальность темы. Эффективность защитного лесоразведения в суровых условиях засушливой степи и полупустыни Волгоградской области во многом зависит от ассортимента древесных пород, которые наряду с относительно хорошим ростом в этих тяжелых почвенно-климатических условиях должны быть засухоустойчивыми, морозостойкими и сравнительно долговечными. Отсутствие указанных особенностей у той или иной древесной породы резко ограничивает возможность ее использования. Более чем трехсотлетняя практика выращивания искусственного леса показала, что лесоводы могут создавать прекрасные рукотворные леса не только не хуже естественных, но и превосходящие их по своей продуктивности, эстетике и биологическому разнообразию. Для этого необходимо на практике не преувеличивать роль технологической подсистемы, а согласовывать ее с биологической. В противном случае мы будем иметь неудачи в закладке и выращивании лесных культур, снижение их качества [145].
Выводы, полученные в результате изучения и анализа гидрофизических свойств древесных пород, позволят повысить биологическую устойчивость насаждений, увеличить срок их жизни, а значит и более полно выполнять свои защитные функции. Этим и объясняется актуальность работ по изучению характеристик древесных растений для защитных насаждений разного назначения и позволяет объективно оценить их приоритеты по отношению к механическому составу, режиму влажности и воздухообеспеченности древесины.
Цель исследований. Целью исследований являлись выработка, анализ и теоретическая систематизация фундаментальных гидрофизических свойств све-жесрубленной древесины (лиственных, хвойных деревьев и кустарников), как капиллярно-пористого коллоидного тела, составление гидрофизического паспорта, обоснование ассортимента древесных пород для создания устойчивых агролесомелиоративных насаждений.
Задачи исследований:
1. Исследование основных гидрофизических свойств древесных пород: видоспецифичной изотермы капиллярного испарения, потенциала влагоперено-
са, полной влагоемкости, диапазонов функциональной влажности, проведение классификации засухоустойчивости на основе потенциала влагопереноса.
2. Изучение полной влагоемкости и динамики влажности хвои и листьев в
целях разработки экспресс-диагноза состояния главных пород.
Исследование окислительно-восстановительного потенциала и водородного показателя и их роли в жизни древесных растений.
Обоснование ассортимента пород для защитных лесных насаждений в сухой степи с учетом их гидрофизических особенностей.
Научная новизна. Проводились исследования новых для отечественного лесоводства гидрофизических свойств древесины главных и сопутствующих лесообразующих пород. Полученные результаты позволяют выработать и систематизировать объективные знания в области агролесомелиорации (обоснование ассортимента древесных пород для защитных лесных насаждений, классификация их по засухоустойчивости на основе потенциала влагопереноса, величины редоксипотенциала и водородного показателя). Выявлена высокая экологическая роль опада и порубочных остатков в нейтрализации повышенной щелочности степных почв. Разработаны методы экспресс-анализа состояния древесных пород в защитных лесных насаждениях.
Обоснованность выводов и предложений достигнута в результате изучения большого объема статистически обработанного фактического материала, полученного в ходе эксперимента в лабораторных и полевых условиях. При обработке материалов математической статистики использовались методы информационных технологий.
Основные положения, выносимые на защиту:
гидрофизическое и гидрохимическое обоснования ассортимента хвойных и лиственных древесных пород для сухой степи;
гидрофизический и гидрохимический диагнозы состояния древесных пород (потенциалы влагопереноса, редоксипотенциал, диапазоны функциональной влажности);
гидрофизическая оценка эффективности лесоводственных приемов;
- классификация по засухоустойчивости на основе величин потенциала влагопереноса, редоксипотенциала и водородного показателя.
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на Международной научно-практической конференции "Наука и молодежь: новые идеи и решения", проходившей 16 мая 2007 г. в Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии, а также на конференции "Агролесомелиоративное обустройство агроландшафтов" во Всероссийском научно-исследовательском институте агролесомелиорации в сентябре 2007 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе три статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и пяти глав, выводов и предложений, приложений. Общий объем составляет 173 страницы, включая 49 таблиц, 15 рисунков и список литературы из 148 наименований, в том числе 3 на иностранных языках.
Зависимость потенциала влагопереноса свежесрубленной древесины от вида и влажности древесного растения
Степная и полупустынная зоны отличаются низкой суммой осадков за год, неблагоприятным температурным режимом, низкой влажностью воздуха, высокой испаряемостью. Неравномерность увлажнения оказывает большое отрицательное влияние на существование растений. Несмотря на это, ассортимент деревьев и кустарников для защитного лесоразведения в аридной зоне включает 150 пород и постоянно пополняется новыми видами. Мы предположили, что тяжелое существование части этих древесных и кустарниковых растений в таких условиях, не отвечает возможностям структуры древесины. Сведения в литературе по данному вопросу противоречивы. [22]. Необходимо было провести оценку различий в возможностях климата и потребностях во влаге древесных пород по гидрофизическим свойствам древесины главных и сопутствующих пород.
Нижним концевым двигателем считают корневое давление. Оно не превышает 10 атм - по Ю. Л. Цельникер [127], П. Крамеру, Т. Козловскому [52]. Присасывающее действие транспирации К. Тимирязев [117] считал самым совершенным приспособлением для защиты растений от засухи. Но сосущая сила атмосферы одинакова для всех пород произрастающих на данной территории. Это второй и главный двигатель влагопереноса [52]. В целом, термодинамический градиент на границе "почва - древесное растение" по абсолютной величине значительно (на 2 порядка) меньше, чем на границе "древесное растение - атмосфера". Поэтому для устойчивого роста древесных пород в степи насаждения должны получать дополнительное увлажнение или их древесина должна обладать низким потенциа лом влагопереноса, чтобы длительное время противостоять огромной сосущей силе атмосферы (сотни и тысячи атмосфер - А. Крафтс, 1951). Следует ожидать, что древесина, имея большую удельную поверхность, чем почва [86], уменьшает существующий градиент на границе "древесное растение — атмосфера". Таким образом, потенциал влагопереноса служит критерием засухоустойчивости и третьим видоспецифичным двигателем влагопереноса [131, 132,133, 136]. ;
В подавляющей части работ дефицит влаги в почве и атмосфере рассматривается в отрыве от влагообеспеченности древесных растений. Считается, что гидрофизические константы древесины не зависят от вида древесной породы, так как химический состав древесного вещества для всех пород приблизительно одинаков. По данным исследований В. Д. Шульги, А. Г. Перехоженцева [131], было установлено, что гидрофизические свойства живой древесины видоспецифичны. При влажности воздуха более 77% равновесная влажность древесины разных пород в изотермических условиях различается между собой. При меньшей влажности воздуха различия между породами незначительны, как и в случае с гидрофизическими свойствами сухой древесины. В. Д. Шульга [131, 135], А. Г. Перехоженцев [86, 87] предположили, что третьим видоспецифичным двигателем влагопереноса в вышеуказанной системе является потенциал влагопереноса древесины. Он определяется основными гидрофизическими свойствами древесины, как капиллярно-пористого коллоидного тела с осмотической составляющей [111, 130]. Рассчитанный по изотерме капиллярного испарения [86, 87], он позволяет объяснить отклики древесных пород, как на недостаток, так и на избыток влаги в почве и атмосфере.
Принимая во внимание видоспецифичность ИКИ, можно считать, что скорость восходящего тока воды в древесине каждой отдельной древесной породы при прочих равных условиях одинакова. Тогда различие в величинах единичных объемов пропорционально времени запитывания их водой, что объясняет различия во влажности древесины деревьев по классам Крафта и по категориям состояния.
В результате опыта по определению изотермы капиллярного испарения древесины для каждой породы, а также основных зон ствола — заболони и ядра были рассчитаны точки: полного водонасыщения материала, "максимального" сорбционного увлажнения (p/ps = 0,98); 0,92; 0,77; 0,54; 0,33; 0,14. После обработки опытных данных нами сформирована кривая капиллярного испарения, которая содержит информацию о состоянии древесины в данных диапазонах атмосферной влажности. Эта характеристика является важной составной частью модели капиллярно-пористого материала, необходимой для расчетов вла-гопереносных свойств. Изотермы капиллярного испарения различных древесных пород, заболони и ядра существенно различаются (табл. 2).
Примечание. P/ps — давление пара соответствующее при данной влажности воздуха и при полном насыщении при 20 С. Здесь и в табл. 4-5 числитель - заболонь, знаменатель -ядро. На основании кривой капиллярного испарения нами были найдены точки перегиба изотермы для древесных растений различных морфологических форм. Обобщив значения равновесной влажности большинства главных пород, полученных нами и определенных ранее В. Д. Шульгой, А. Н. Максимовым [131, 139] (табл. 3) сделали заключение, что потенциал влагопереноса в точке перегиба изотермы капиллярного испарения существенно различается между породами разных морфологических форм. В древесине главных лиственных пород он составляет в среднем для 15 видов -27,4 МПа (заболонь) и -29,3 МПа (ядро). Для 6 видов кустарников -16,2 МПа (заболонь) и -16,8 МПа (ядро). Различия между лиственными древесными и кустарниковыми породами по потенциалу влагопереноса в заболони составляют —11,2 МПа, а в ядре соответственно —12,5 МПа. Между хвойными главными [116, 134] и кустарниковыми в заболони —3,9 МПа, в ядре -1,5 МПа. Координаты точек перегиба для конкретной морфологической формы можно считать диагностическим признаком [105, 114].
Особенности гидрофизических свойств проводящих корней и ассимиляционного аппарата исследуемых пород
С целью разработки мер повышения устойчивости лесных насаждений в аридной зоне нами проводилась оценка гидрофизических свойств ассимиляционного аппарата и проводящих корней четырнадцати пород, которые наиболее часто используются в степных посадках Волгоградской области.
Листья - чувствительный индикатор водного стресса и существует зависимость их состояния от качества условий роста [48]. Потребности отдельных древесных пород во влаге в условиях степного климата и степных почв до сих пор не достаточно изучены. Наиболее интересными в этом отношении являются данные Н. Н. Степанова [113], изучавшего потерю в весе оторванных листьев через испарение. X. Лир, Г. Польстер, Г. И. Фидлер [59] таюке рекомендуют в качестве индикатора водного состояния растения при исследованиях водного баланса, использовать влагосодержание ассимиляционного аппарата, так как его нарушение вызывает полное расстройство всех жизненных свойств растения. По Д. Д. Фаркьюхару и Т. Д. Шаркею [22] недостаток влаги в растении крайне негативно сказывается на эффективности фотосинтеза.
Выявлены минимальные значения полной влагоемкости древесины проводящих корней у смородины золотой (89%), максимальные (485%) у ольхи черной. Наибольшие значения ПВ (431%) характерны для ассимиляционного аппарата бузины черной, наименьшие для можжевельника обыкновенного (131%). Полученные путем вакуумирова-ния свежесрубленной древесины значения ПВ позволяют определить диапазоны и лимиты влажности главных лесообразующих пород, соответствующие уровням оптимальной, напряженно-достаточной и критической влажности (табл. 12). Это важные критерии, диагностирующие состояние древесных пород.
Они позволяют осуществить и оперативный прогноз состояния защитных лесных насаждений на достаточно большой период времени.
Важным элементом научно-исследовательской работы было определение значений функциональной влажности проводящих корней и листьев. Кроме диапазонов доступной влаги нами была проанализирована динамика влажности некоторых лиственных пород в течение трех лет и рассчитана их доля от полной влагоемкости (табл. 13). Таблица 12 Диапазоны функциональной влажности корней и листьев некоторых пород
Листья, для анализа содержания влаги в надземной части дерева ольхи черной, брали со средней части кроны. По сравнению с другими породами у ольхи отмечено высокое содержание влаги (0,6-0,9% от полной влагоемкости), что не явилось неожиданностью. Вла-госодержание ассимиляционного аппарата по диапазонам функциональной влажности можно отнести к достаточному.
Влажность корней жимолости в течение трех лет изменялась незначительно с 0,5 ПВ (2005-2006 гг.) до 0,4 ПВ в 2007 г. Тогда как верхний предел оптимального увлажнения древесины корня (0,8-0,9 ПВ) должен составлять 93-104%.
В общем, влагосодержание листьев кустарника балансирует на границе достаточного и напряженно-достаточного диапазонов доступной влаги. В засушливый период вегетации, хорошо заметны признаки потери тургора. Влажность листьев находится в пределах диапазона устойчивого роста. Относительно ровное состояние влагозапаса ассимиляционного аппарата жимолости татарской при достаточно низком содержании влаги в других органах на протяжении наблюдаемых лет подтверждает, что недостаточность почвенной и атмосферной влаги в первую очередь отражается на влажности древесины ствола. Только во вторую очередь -на влажности листьев, так как ассимиляционный аппарат всегда имеет прямой контакт с влагой атмосферы и использует ее при фотосинтезе. Древесина служит не только для проведения воды, но и является резервуаром свободной и катаболи-ческой влаги, которую использует ассимиляционный аппарат для восполнения транспирационного расхода в случае недостаточного поступления влаги из почвы. Этот аспект водного баланса остается вне поля зрения многих исследователей водного режима защитных лесных насаждений.
Анализируя снижение влажности корня можжевельника казацкого (от 0,5 ПВ в 2005 г. до 0,2 ПВ в 2007 г.), можно сказать, что она ниже установленного лимита. Критическое содержание влаги во всех основных зонах в летние месяцы вегетации может привести в дальнейшем к перерасходу катаболической влаги и гибели растения.
Различия по годам во влагосодержании хвои можжевельника достигают 0,1 доли от ПВ. В целом, величина влагосодержания ассимиляционного аппарата можжевельника находится в зоне достаточного увлажнения 0,6-0,8 ПВ. Эта величина составляет для него 94-125%. Сравнительно ровное состояние влагозап а-са хвои, при низком содержании влаги в других зонах ствола, на протяжении исследуемых лет, еще раз подтверждает то, что недостаток почвенной и атмосферной влаги в первую очередь сказывается на древесине ствола и только во вторую на влажности хвои, как это было отмечено выше.
Абсолютная влажность проводящих корней можжевельника обыкновенного колеблется по годам от 0,2 до 0,5 ПВ. И только влагосодержание хвои было оптимальным и достаточным. Таким образом, низкая влажность органической массы можжевельника может характеризовать эту породу как недостаточно засухоустойчивую в зональных условиях. Вероятно, его жизнедеятельность в засуху обеспечивается катаболической влагой, ресурсы которой ограничены.
Содержание влажности проводящих корней караганы древовидной в период наблюдений составляло 0,4-0,5 ПВ. Оно характеризуется как напряженно-достаточное по диапазонам функциональной влажности. Содержание влаги ассимиляционного аппарата составляло 0,5-0,9 ПВ. Это нормальное значение для доступной влаги. Оптимум влагообеспеченности для листьев караганы древовидной составляет 0,8-0,9 ПВ, или 184-207%.
Ассимиляционный аппарат каркаса западного постоянно испытывал недостаток влаги. Влагосодержание листьев в годы исследований 0,3-0,4 ПВ. Корневая система также испытывала дефицит - 43% при полной влагоемкости для проводящих корней 108%.
Абсолютная влажность проводящих корней скумпии кожевенной в период тяжелых условий роста (август 2005-2007 гг.) также являлась критической. Содержание воды в листьях соответствовало достаточному диапазону содержания функциональной влажности. Анализируя полученные результаты, нами сделан вывод: влагообеспеченность основных зон ствола скумпии кожевенной может быть весьма низкой без потери внешних морфологических факторов. У кустарника отсутствуют при этом сухие ветви в кроне, суховершинность, ожоги листьев. Возможное объяснение феномена лежит в высокой эффективности фотосинтеза в толстых листьях с мощной кутикулой.
Динамика содержания влаги в корнях и листьях бузины показала высокую водообеспеченность. Их влажность составляет 0,5-0,8 ПВ и соответствует диапазону достаточного содержания влаги. На различия во влажности органической массы между годами, очевидно, повлияли погодные условия. Тем не менее, в 2005-2006 гг. надземная масса бузины имела большую влажность, чем в засушливый 2007 г.
В аналогичных условиях находилась абсолютная влажность древесины проводящих корней туи западной. Она составляла 77-120%, что соответствовало 0,7-0,9 ПВ (оптимальное увлажнение). Ассимиляционный аппарат также оказался оптимально обеспеченным на протяжении летних месяцев 2005-2007 гг. Влажность хвои в 2005 г. 157%, в 2006 г. 170%, в 2007 г. 129%.
Обсуждение результатов (отличия основных гидрофизических характеристик ствола и корня, кустарников и деревьев)
Анализируя отечественную литературу, в которой утверждается, что элементарный состав, равновесная, влажность, физические свойства древесины, предел насыщения клеточной стенки различных пород одинаковы, мы пришли к выводу, что дендрология в этом вопросе несовершенна. Поэтому, целью наших исследований стало выявление основных гидрофизических свойств древесных пород: видоспецифичной изотермы капиллярного испарения, потенциала влагопереноса, полной влагоемкости, диапазонов функциональной влажности. Изучалась также полная влагоемкость и динамика влажности хвои и листьев в целях разработки экспресс-диагноза состояния главных пород.
Нами впервые выявлено значение видоспецифичной гидрофизической константы древесины ряда древесных пород - величины ее полной влагоемкости под вакуумом, что позволило рассчитать изотерму капиллярного испарения, потенциал влагопереноса.
В литературе происходит обсуждение только двух двигателей влагопереноса: корневого давления и сосущей силы атмосферы. Изложенное, объясняет отсутствие современных представлений о механизмах переноса влаги в системе почва-дерево-атмосфера. Среди тысяч древесных видов нет пород с морфологически одинаковой древесиной и ее анатомической структурой, влажностью, плотно стью, цветом, запахом. Третьим видоспецифичным и высокоэффективным двигателем влагопереноса в системе почва — древесное растение - атмосфера является потенциал влагопереноса древесины. Он служит критерием засухоустойчивости и рассчитывается по изотерме капиллярного испарения [32,131,134].
По величине потенциала, по функции ядровой древесины во влагообмене древесные породы подразделяются на две группы, качественно отличающиеся по засухоустойчивости: породы-доноры (бузина черная, карагана древовидная) и породы-акцепторы, в которых в острозасушливые периоды вегетации ядро отбирает влагу у заболони (ольха черная, жимолость татарская, можжевельник казацкий, можжевельник обыкновенный, тамарикс, скумпия кожевенная).
X. Лир, Г. Польстер, Г. Фидлер [59] писали: "Участки поглощения и отдачи воды иногда отделены друг от друга у деревьев на расстояние, превышающее 100 м. Условием такой жизненной формы должна быть великолепно функционирующая водопроводящая система, обеспечивающая при изменении условий своевременную подачу воды от корня к испаряющей воду кроне. Подъем воды в деревьях на высоту, значительно превышающую возможности такого подъема под влиянием атмосферного давления, эта "загадка подъема соков" подвергалась многими ботаниками опытным проверкам и теоретическим выкладкам".
Одной из характерных черт процесса старения живых организмов является истощение жизненного потенциала клеток и понижение физиологической активности. Но это такой признак старения, который трудно определить количественно в постоянно растущих объектах. Возможно, у животных организмов это так и происходит. Возрастное понижение интенсивности различных жизненных функций растений полностью еще не доказано. Например, понижение интенсивности фотосинтеза старых деревьев может быть следствием ухудшения водного баланса. Растения отличаются постоянным процессом роста. Рост происходит в эмбриональной ткани. Уже давно замечено, что старение растительного организма не наступает до тех пор, пока продолжается вегетативный рост, окончание роста даёт начало старению и неизбежно ведет к смерти. Теория Молиша [37] связывает между собой процессы старения и замедления вегетативного роста. Замедле ниє скорости вегетативного роста является существенным элементом процесса старения растительного организма, его мерой. Но сам процесс старения не объясняет. Нельзя его объяснить и исключительно изменениями структуры плазмы (изменениями в ядре и митохондриях) в неделящихся клетках сформировавшейся части организма, поскольку вклад таких клеток в рост и развитие целого организма по сравнению с вкладом вечно молодой эмбриональной ткани невелик. В вечно молодой эмбриональной ткани, не накапливаются токсические вещества, и нет признаков интоксикации. Это является эволюционным приспособлением растительных организмов к использованию некоторых вторичных продуктов обмена веществ в конкуренции за существование [37].
Таким образом, функциональная корреляция подземных и надземных частей растения может удерживаться долгое время. Положить начало старению растений может: 1) резкое ухудшение снабжения ассимиляционных органов водой вследствие внешних (например, понижение уровня грунтовых вод) или внутренних причин (например, превышение критических размеров растения и возможностей транспортировки); 2) ограничение фотосинтеза из-за торможения развития листьев и изменения типа дифференциации конуса нарастания (монокарпические растения), дезорганизации функциональной корреляции листьев и корней (многолетние поликарпические растения) или конкуренции в борьбе за свет и воду (растения в посевах и насаждениях).
В результате научно-исследовательской работы мы нашли аргументы, подтверждающие гипотезу А. В. Гурского [31] об ошибочности теории "старения" древесных пород. А. В. Гурский обосновал существование унифицированной высоты дерева, при которой влага капиллярами древесины поднимается на предельную высоту. Таким образом, по нашему мнению, сплошное обновление спелых лесов проводить нецелесообразно. Можно ограничиться проведением интенсивных выборочных рубок.
Представление о древесине как капиллярно-пористом коллоидном теле [130] позволяет нам разработать климаксовое направление в степном лесоводстве. В силу этого представления после достижения предельной высоты в мо дальных полных, сомкнутых и нормальных лесах и ЗЛН наступает стагнация прироста по высоте. Этот период в жизни леса соответствует "приспеванию и спелости" в принятом понимании. Падение прироста в высоту объясняется снижением ассимиляционной массы. Лесоводы ошибочно принимают снижение массы хвои (листвы) с возрастом в ординарных перегущенных лесах за признак старения, путая обычный количественный признак - результат недостаточного лесоводственного ухода с началом физиологической старости.
Дальнейший успех в жизни главных пород и материнского древостоя определяет продолжающийся прирост по диаметру. В свою очередь он зависит от увеличения площади питания при сохранении (увеличении) ассимиляционной массы - главного универсального условия неопределенно долгой жизни главных пород независимо от зональности или азональности лесорастительных условий.
Таким образом, существует возможность существенного увеличения жизни лучших лесов при своевременном увеличении площади питания, размера крон и ассимилирующей массы [134, 137, 138, 140]. Только в этом случае лесовод может рассчитывать на приближение таксационных характеристик климак-совых лесов к потенциально возможным.
Оценка влияния водородного показателя растительных тканей на устойчивость древесных растений. Экологическая и лесово-дственная роль рН в жизни леса
Активная реакция среды играет очень большую роль в жизни растительных организмов. Растворы, в которых протекает их жизнь, содержат небольшие концентрации кислот и щелочей. Общая сумма атомов водорода играет здесь значительно меньшую роль, чем концентрация ионов водорода, так как при разбавлении раствора электролитическая диссоциация возрастает. Вода сама подвергается диссоциации. По закону действия масс ее диссоциация равна: (н2о) уу)
Скобки в формуле указывают на концентрацию ионов в литре раствора в молях. Величина К является константой. Так как число ионов мало по сравнению с общим содержанием молекул воды, то выражение (Н2О) практически константно Kb, можно перенести его в левую часть уравнения и написать формулу в следующем виде: К (Н20) = Kb = (Н) х (ОН) = ІхКГ14. (Ю) То есть, константа диссоциации воды при 22С равняется 1хЮ"14. Таким образом, в воде и водных растворах произведение концентрации водных и гид-роксильных ионов всегда равно 1х10"14, откуда (Н) = (ОН) = 1х10"7. В чистой воде число ионов водорода (Н) равно числу ионов гидроксила (ОН). При увеличении числа первых, уменьшается число других. Таким образом, во всяком растворе кислоты присутствуют ионы гидроксила, а во всяком растворе щелочи ионы водорода [26].
Обычно для обозначения концентрации ионов водорода пользуются отри-цательным логарифмом Н, если Н = 10" , lg = -7 и отрицательный логарифм -lg = 7. Отрицательный логарифм ионов водорода получил условное обозначение рН. Так как рН представляет отрицательный логарифм концентрации ионов водорода, то с уменьшением величины рН концентрация ионов водорода возрастает, а с увеличением падает, соответственно увеличивается количество ионов гидроксила. При рН = 7 реакция среды нейтральная, при рН меньше 7 кислая, а при рН выше 7 щелочная. Опыт показывает, что каждый растительный организм может существовать только в определенных рамках величины рН.
Определение рН производилось путем определения электродвижущей силы ионов электрометрически. Помимо прямого влияния на растение, величина рН оказывает и косвенное действие. Она контролирует растворимость тех или иных элементов. Сдвиги рН при росте растения в почве зависят от двух причин: от наличия корневых выделений, подщелачивающих или подкисляющих раствор, и от физиологической щелочности или кислотности солей. Соли, усваиваемые растениями, не являются кислыми или щелочными. Это средние соли. В то же время они вызывают подкисление или подщелачивание субстрата в результате жизнедеятельности самого растения. Неравномерно поглощая катионы и анионы солей, растение вызывает сдвиг рН в-кислую или щелочную сторону. Явления физиологической щелочности и кислотности солей играют большую роль при применении удобрений [26].
Многие окислительно-восстановительные реакции идут с участием ионов водорода, поэтому ОВП зависит от водородного показателя (рН). Окислительно-восстановительный потенциал, в пределах растительного организма, склонен снижаться с повышением рН. Объяснение изменения ОВП с изменением рН заключается в том, что водородный ион в какой-то степени участвует в окислительно-восстановительном процессе [12]. Так, среди исследуемых лиственных пород, в 2007 г. из семи, которые имели значения Eh более 100 мВ, шесть показали сильно кислую реакцию. Отрицательные же значения редокси-потенциала почти всегда соответствовали слабо щелочной реакции (табл. 46).
Напряженность окислительно-восстановительных процессов связана с условиями реакции среды, с величиной рН. От величины рН зависит переход в раствор компонентов некоторых окислительно-восстановительных систем. В летний период 2006 г. рН измерялся у четырнадцати древесных пород. Водородный показатель древесины лиственных растений изменялся от кислой реакции среды (жимолость татарская, дуб черешчатый, тополь белый), до щелочной (тамарикс ветвистый, смородина золотая, липа мелколистная, скумпия кожевенная). В весеннее время, в заболонном отделе древесины только кислая среда рН, наблюдалась у груши лесной, робинии псевдоакации. Только щелочную имели карагана древовидная и береза повислая.
Сравнивая водородные показатели проводящих корней и их камбия за весенний период 2006 г., можно отметить, что у десяти пород значения камбия выше, чем корня. У тринадцати пород водородные показатели в корне превышают. Нами проводился анализ значений рН корня и заболони. Результаты показали, что значения заболони у семнадцати пород были выше, ниже - у четырёх. Скумпия кожевенная имеет равные значения в древесине. Соизмеряя водородный показатель камбия и заболони, замечено, что у одиннадцати пород значения камбия выше, чем заболони. У двух безъядровых имелись равные значения. У десяти показатели камбия не превышали показателей заболони. Значения рН камбия древесины двадцати двух пород превышали значения камбия корня. Показатели рН камбия корня выше у семнадцати пород. Одинаково кислая среда у липы мелколистной, каркаса западного, клена остролистного. У можжевельника казацкого, бузины черной значения камбия корня выше.
За весенне-летний период 2007 г. было проведено исследование двадцати четырёх пород. Замечено, что окисление в древесине идет при более высоких значениях ОВП. Сравнительный анализ водородного показателя ядра и заболони показал, что из двадцати трёх пород, у четырнадцати заболонь имела большее значение водородного показателя. У четырёх пород (липы мелколистной, клена татарского, березы повислой) значения были равными (приложение 13).
Усреднение данных по водородному показателю свидетельствует о нахождении основных зон в пределах слабо кислой среды, близкой к нейтральной. Средние значения окислительно-восстановительного потенциала находятся в диапазонах 30-70 мВ. Отличия наиболее выражены между сезонами. Летом числовые значения редоксипотенциала в различных зонах ствола ниже, чем весной. Весной наблюдаются большие колебания редоксипотенциала по сравнению с летом. Обобщая результаты, отметим, эти показатели, являются оптимальными для существования древесного растения, о чем говорит их хорошее состояние (приложение 15).
Отображение средних значений редоксипотенциалов двух морфологических форм указывает в первую очередь на одинаково низкие значения ОВП в корнях. Это может говорить о глубоком анаэробиозе и достаточной увлажненности этой зоны ствола. По результатам наших измерений летом числовые значения редоксипотенциала в различных зонах ствола ниже. Графики древесных и кустарниковых пород почти не отличаются друг от друга. Весной наблюдаются большие колебания содержания воды в стволах. Это обусловлено различным содержанием веществ в древесине в различные сезоны, их качеством.
