Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из основных целей Концепции устойчивого управления лесами Российской Федерации (1998) является оптимизация экономических, экологических и социальных функций лесов. Выращивание высокопродуктивных и биологически устойчивых лесных насаждений в настоящее время приобретает особую актуальность. Это определяется не только все возрастающим спросом мирового сообщества на сырьевые ресурсы и биосферные экологические функции, но и ухудшающимся состоянием природной среды. В связи с прогрессирующим ухудшением общей экологической обстановки, ростом спектра различных факторов, оказывающих неблагоприятное воздействие на древесные растения: промышленные выбросы в атмосферу, пожары, неконтролируемая рекреация, избыточное увлажнение и подтопление лесных угодий в связи с гидротехническим строительством и др. возникает потребность в современных способах диагностики физиологического состояния деревьев, позволяющих осуществлять контроль, прогнозирование и оценку устойчивости лесных экосистем. Поэтому исследования эколого-физиологических особенностей жизнедеятельности деревьев различного состояния и разработка быстродействующих и точных способов оценки их жизнеспособности и особенно способов ранней диагностики физиологического состояния - актуальная проблема, имеющая важное теоретическое и практическое значение, положительное решение которой позволит в более ранние сроки проводить научно обоснованные хозяйственные мероприятия по улучшению состояния лесов и тем самым способствовать повышению их продуктивности, средостабилизирующей роли и других функций леса.
Исследования выполнялись в рамках государственной программы «Проблемы лесоведения» (1995-2005гг) и по госбюджетным темам: «Искусственное лесовосстановление и лесоразведение в Среднем Поволжье» (Государственный регистрационный № 76030070, 1980г), «Научные основы повышения продуктивности антропогенных лесов Среднего Поволжья» (Государственный регистрационный № 01828004148, 1986г), «Совершенствование методов учета и воспроизводства лесных ресурсов в связи с интенсификацией их использования» (Государственный регистрационный № 01860134974), «Проблемы лесоведения» (1989 - 2005 годы). Общесоюзная
программа фундаментальных исследований, «Проблемы общей биологии и экологии; рациональное использование биологических ресурсов» (Программа общей биологии РАН, 1995 г).
Цель и задачи исследований. Цель работы заключается в выявлении взаимосвязей основных физиологических и биофизических параметров со степенью жизнеспособности деревьев при различных типах повреждений, обусловленных действием экстремальных и длительнодействующих факторов среды, а также при использовании различных технологий лесовосстанов-ления и выявлении наиболее информативных параметров, удовлетворяющих требованиям экспресс-оценок физиологического состояния.
В соответствии с поставленной целью в программу исследований были включены следующие научные задачи:
-
Разработать теоретические основы методологической концепции технологий высокого уровня получения комплексной эколого-физиологической информации и способы ее практической реализации;
-
Исследовать основные физиологические показатели деревьев различной жизнеспособности, взаимосвязи водного режима деревьев и температуры стволов в связи с расходом воды на транспирацию и жизнеспособностью деревьев;
-
Изучить закономерности формирования температуры стволов деревьев и разработать экспресс-метод диагностики физиологического состояния по тепловым параметрам стволов;
-
Выявить диагностическую ценность и методические особенности использования основных физиологических и биоэлектрических параметров для экспресс - оценки состояния деревьев;
-
Осуществить в эксперименте сравнительную диагностику жизнеспособности деревьев по физиологическим и биофизическим параметрам в связи с ослаблением их различными факторами среды, а также при оценке различных технологий лесовосстановления и разработать практические рекомендации по ее применению в лесном хозяйстве.
Научная новизна. Выявлены эколого-физиологические особенности деревьев сосны и ели различных категорий жизнеспособности, вызванные воздействиями неблагоприятных факторов внешней среды (лесные пожары, ранневесенняя засуха, избыточное увлажнение) и при применении различных технологий лесовосстановления. Такими показателями определились: интен-
сивность транспирации, скорость водного тока, расход воды деревом, влажность хвои, биометрические показатели, интенсивность фотосинтеза, содержание хлорофилла, температура стволов, величины биоэлектрических потенциалов и электрического сопротивления прикамбиального комплекса тканей (ПКТ). Установлена диагностическая ценность данных параметров для экспресс-оценки физиологического состояния деревьев. В процессе исследований разработаны:
-
Новый биофизический метод диагностики жизнеспособности древесных растений по температуре стволов в заданных точках - «Термоэкспресс-метод ранней диагностики физиологического состояния древесных растений»;
-
Система измеряемых оценочных параметров (СИП) для диагностики жизнеспособности деревьев при сложных типах повреждений и при идентификации деревьев в популяциях и лесных экосистемах по основным физиологическим и биофизическим параметрам, обладающим высокой информативностью;
-
Методологическая концепция технологий высокого уровня получения комплексной эколого-физиологической информации, используемой при контроле за состоянием лесных насаждений, при реализации фюиологической составляющей лесного мониторинга и др.;
-
Способ диагностики семенных деревьев по величинам БЭП, на фоне предварительной селекционной оценки и оценки жизнеспособности деревьев по термоэкспресс-методу и импедансу ПКТ стволов;
-
Электрофизиологический способ оценки селекционной совместимости привоя и подвоя, основанный на соотношении величин БЭП подвоя и привоя, выраженных в относительных единицах;
-
Комбинированная градационная шкала для оценки жизнеспособности деревьев по базовому варианту СИП;
-
Высокостабильный кондуктометрический прибор для определения интенсивности фотосинтеза и дыхания растений в полевых условиях;
-
Новый тип первичного адсорбционно-емкостного преобразователя паров воды в воздухе, на основе которого созданы конструкции высокочувствительных и точных электронных транспирометров;
-
Кондуктометрический экспресс-метод определения линейной скорости водного тока древесных растений.
Практическая значимость. Практические и теоретические разработки диссертационной работы могут быть использованы для эффективного решения задач, требующих диагностики жизнеспособности или оценки физиологического состояния: выявления индивидуумов, устойчивых к воздействию неблагоприятных факторов среды, изучению антропогенных воздействий, при селекционном отборе, идентификации особей в популяциях, при организации мониторинга лесных экосистем, при оценке технологий лесовыращи-вания.
Обоснованность выводов и рекомендаций. Обоснованность выводов и достоверность результатов обеспечивается большим объемом экспериментального материала, длительным сроком наблюдений (1973-1999), применением математического моделирования и современных методов исследований. Полученные результаты обоснованны и подтверждены метрологическим анализом. Материал исследований обработан с применением методов математической статистики с использованием ЭВМ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Теоретические положения, характеризующие взаимосвязи основных физиологических и биофизических параметров хвойных пород под воздействием экстремальных и длительнодействующих факторов окружающей среды;
-
Закономерности формирования температуры стволов и взаимосвязи показателей водного и температурного режима с физиологическим состоянием деревьев, термоэкспресс-метод диагностики жизнеспособности деревьев хвойных пород;
-
Диагностическая ценность и методические особенности использования основных физиологических и биоэлектрических параметров для экспресс-оценки жизнеспособности деревьев;
-
Практические рекомендации по использованию системы измеряемых параметров при диагностике жизнеспособности, селекционном отборе и оценке технологий лесовыращивания.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы экспонировались на ВДНХ СССР (1983), представлялись и обсуждались на международных, всесоюзных и региональных научно-технических конференциях и совещаниях: «Формирование эталонных насаждений» (Каунас-Гирионис, 1979), « Интродукция, акклиматизация и охрана растений на Урале и Поволжье» (Куйбышев, 1982), «Проблемы физиологии и биохимии древесных рас-
тений» (Красноярск, 1982), «Сосновые леса России в системе многоцелевого лесопользования» (Воронеж, 1993), «Проблемы восстановления лесов на Урале» (Екатеринбург, 1992), «Проблемы лесной фитопатологии и микологии» (Москва, 1994), «Проблемы использования, воспроизводства и охраны лесных ресурсов» (Йошкар-Ола, 1989), «Восстановление, выращивание и комплексное использование сосновых лесов России», «Современные проблемы древесиноведения» (Йошкар-Ола, 1995), «Структура и молекулярная динамика полимерных систем» (Йошкар-Ола, 1994, 1995), «Интенсификация выращивания лесопосадочного материала» (Йошкар-Ола, 1996), «Циклы природы и общества» (Ставрополь, 1996, 1997), «Леса Башкортостана, современное состояние и перспективы» (Уфа, 1997), «Экология и генетика популяций» (Йошкар-Ола, 1997), «Плодоводство, семеноводство, интродукция древесных растений» (Красноярск, 1998), «Жизнь популяций в гетерогенной среде» (Йошкар-Ола, 1998), «Современные проблемы учета и рационального использования лесных ресурсов» (Йошкар-Ола, 1998), «Пути повышения эффективности лесного хозяйства и роль лесов в оздоровлении окружающей среды Республики Татарстан» (Казань-Лубяны, 1998), расширенном заседании Научно-методического Совета по специальности 260400 «Лесное и лесопарковое хозяйство» Учебно-методического объединения по образованию в области лесного дела Минобразования Российской Федерации (Йошкар-Ола, 1998).
Личный вклад автора. Составление программы и методики исследований, выбор опытных участков, разработка и изготовление приборов и оборудования, обработка и анализ экспериментального материала выполнены автором.
Публикации. По теме диссертации опубликована 61 печатная работа. Основные положения диссертации отражены в учебном пособии «Физиология растений», которое рекомендовано УМО по образованию в области лесного дела для межвузовского использования. Материалы и методы исследований используются при чтении курса лекций «Физиология растений». Изданы методические указания к проведению учебной практики «Физиология растений с основами биохимии» (1983, 1992). Результаты исследований о причинах отмирания ели европейской в ранневесенний период и о диагностике этого явления включены в вузовский учебник Лесоведение (Тихонов, Набатов, 1995).
Структура и объем диссертации: Диссертационная работа изложена на 344 страницах и включает: введение, восемь глав, основные выводы и рекомендации, 102 таблицы, 34 рисунка, 19 приложений, список литературы из 318 наименований, в т. ч. 23 на иностранных языках.
