Российские ученые установили связь между жизненным состоянием, показателями водного режима деревьев сосны обыкновенной и температурой их стволов. Полученные результаты особенно актуальны, когда в ослабленных насаждениях еще не наблюдается видимых признаков повреждений, а лесоводам как можно быстрее необходимо оценить жизнеспособность дерева. Так, например, у усыхающей сосны, как и у простуженного человека, повышается температура. Градусником ее, конечно, не измеришь, но с помощью разнообразных приборов и уникальных методик специалисты уже научились легко справляться с этой задачей.

О возможности использования температуры ствола в качестве оценки состояния деревьев наш разговор — с авторами термоэкспресс-метода ранней диагностики физиологического состояния сосны обыкновенной профессорами лесохозяйственного факультета Поволжского государственного технологического университета (г. Йошкар-Ола) супругами Валерием и Маргаритой КАРАСЕВЫМИ.

— Валерий Николаевич, Маргарита Антиповна, расскажите, в чем суть разработанного вами метода?

— Нам удалось выяснить, что любые существенные нарушения водного тока в корнях, стволовой части либо кроне немедленно сказываются на температуре ствола дерева. Связь температуры стволов с состоянием деревьев высокая и обратная. При этом ослабленные и усыхающие деревья характеризуются более высокими температурами. Скорость водного тока зависит от транспирационных потерь, определяемых интенсивностью транспирации и массой хвои на дереве. Вода, поступающая в ствол, имеет температуру, близкую к температуре корнеобитаемого слоя почвы. Поднимаясь вверх, вода охлаждает ствол в соответствии со скоростью водного тока. Ствол здорового дерева из-за высокого содержания воды, обладающей высокой теплоемкостью и большей скоростью водного тока, противостоит нагревающему действию солнечной радиации и окружающего воздуха намного эффективнее, чем стволы ослабленных и тем более усыхающих и мертвых деревьев. Как показали наши исследования, температурный режим стволов деревьев обусловлен главным образом температурой корнеобитаемого слоя почвы и воздуха, скоростью водного тока и его начальной температурой и другими параметрами, на которые оказывает влияние солнечная энергия. Роль иных факторов менее значительна. Разница температур между стволами здоровых и усыхающих деревьев в жаркий летний день может достигать 10—14 °С. Причем наибольшие значения различия температур между стволами деревьев разной жизнеспособности отмечаются в середине лета. При выравнивании максимальных суточных температур воздуха и температуры корнеобитаемого слоя почвы, примерно с середины сентября, различия в температуре стволов разных категорий жизнеспособности несущественны.

— Что подтолкнуло вас к поиску закономерностей в формировании температуры стволов деревьев?

— Термоэкспресс-метод был разработан в связи с необходимостью оценки состояния деревьев, повреж­денных лесными пожарами 1972 года. Площадь лесных пожаров в Республике Марий Эл тогда превысила 180 тыс. га. Перед работниками лесного хозяйства, а также перед учеными стала задача поиска методов диагностики жизненного состояния поврежденных деревьев. Тогда важно было уточнить, какие деревья подвергать рубке, а какие можно оставить для сохранения лесной среды. Следующим бедствием стало периодически возникающее ранневесеннее усыхание деревьев ели европейской, особенно после малоснежных морозных зим. Исследования мы развернули еще в 1972—1973 гг., будучи уже преподавателями института, по собственной инициативе, и поэтому рассчитывать на чью-либо помощь не приходилось. Изначально существовала атмосфера непонимания того, что мы делаем. Часто приходилось слышать, а зачем лесоводам нужна физика и электроника?.. Нас же удивляло отсутствие современных методик и приборов для оценки жизнедеятельности древесных растений в естественной среде их обитания.

— Где удалось достать такое оборудование?

— Начиная исследования, мы еще не знали закономерности формирования температуры стволов деревьев и тепловых полей, скорости передачи тепла от поверхности ствола к его центру. Неизвестно было влияние начальной температуры водного тока, его объемной скорости на температуру дерева. Не было понимания роли притока тепла к стволам деревьев извне и др. Остро встал вопрос о создании материальной базы исследований. Из серийно выпускавшихся в те годы приборов мы использовали почвенные и метеорологические термометры, альбедометры, психрометры, люксметры.

Точек для измерения температуры даже на одном дереве было много: относительно сторон света — юг, север, запад, восток, по высоте — у корневой шейки дерева, на высоте ствола 1,3 м, 2, 4, 6, 8, 10 и т. д. Температура измерялась в центре водопроводящей древесины (последние 8—10 годичных колец) и в центре ствола. Снятие показаний температуры осуществлялось через два часа в течение нескольких суток. Вот здесь пригодился опыт в конструировании и монтаже радиотехнических устройств, приобретенный в школьные годы во время занятий в радиотехнических кружках и радиоклубах. Нами были изготовлены многоканальные (24 канала) электротермометры, датчики температуры выполнялись на основе малогабаритных полупроводниковых термосопротивлений и проходили индивидуальную градуировку. Измерение температуры осуществлялось с погрешностью ±0,1 °С.

Кроме электротермометров, мы разработали и изготовили кондуктометрический прибор для оценки интенсивности фотосинтеза в полевых условиях, прибор для измерения линейной скорости водного тока растений, биопотенциалметр, различную аппаратуру для измерения электрического сопротивления растительных тканей.

В 1975 году мы разработали многоканальный аналоговый регистрационный комплекс для измерения и регистрации в полевых условиях эколого-физиологической информации по 96 каналам. Позднее, в 1994 году, на Всероссийской конференции физиков нами был презентован цифровой, программируемый, многоканальный регистрационный комплекс, обеспечивающий при полном развертывании 256 каналов записи. Многоканальная регистрационная система при непрерывной работе в течение суток обеспечивает около 12 тысяч измерений. Но применение этих комплексов имеет свои большие минусы — это большие затраты времени на дешифровку результатов. Все наши приборные разработки представляют собой нестандартизированное оборудование, которое с точки зрения метрологии считается уникальным, так как разрабатывается под конкретный научный проект.

— Судя по названию, разработанный вами термоэкспресс-метод диагностики сосны все же подразумевает быстроту исполнения?

— Затраты времени на измерение и получение информации составляют 5—10 минут. Для измерений мы использовали электротермометры, и, когда только начинали работать, приходилось приобретать полупроводниковые терморезисторы и на их основе изготавливать датчики, градуировать их. Сегодня такие приборы можно купить. Существуют современные портативные цифровые мультимеры с невысокой погрешностью и широким спектром возможностей. Наша методика успешно использовалась на многих предприятиях Поволжья. К тому же это не единственный экспресс-метод, разработанный нами и применяемый для оценки жизнеспособности деревьев. Для экспресс-диагностики мы используем также электрофизиологические показатели, импеданс прикамбиального комплекса тканей, биоэлектрические потенциалы. Разработан комплекс портативных приборов, которые используются в учебном процессе и в научных и производственных работах студентами, аспирантами. Результаты изложены в учебных пособиях и монографиях.

— На ваш взгляд термоэкспресс-метод может быть использован в качестве инструмента ранней диагностики состояния усыхания сосновых насаждений в Беларуси?

— Да, но необходимо также учитывать виды ослаблений и повреждений, что требует детальных исследований. Известно, что насекомые-вредители в первую очередь поселяются на ослабленных деревьях. Причиной ослабления древостоев могут быть климатические аномалии, такие как засуха 2010 года и другие экстремальные факторы. Метеоданные по Беларуси показывают, что в стране в 2013/2014 г. и в 2014/2015 г. были зимы, когда первый снег выпал только в январе, и за весь период высота снежного покрова не превышала 2 см. Отсутствие снега приводит к недостатку весенней влаги,  к глубокому промерзанию почвы и медленному оттаиванию весной. Ранней весной кроны деревьев активно испаряют запасы стволовой воды, а корни находятся в еще не оттаявшей почве и поэтому не обеспечивают потребности надземной части в воде. Это приводит к иссушению до критических значений и последующему отмиранию луба камбия в подкроновом пространстве ствола дерева. Действие подобных экстремальных климатических воздействий мы неоднократно исследовали в еловых и сосновых древостоях Среднего Поволжья. Так, на наш взгляд, степень ослабления обусловлена скоростью восстановления работы корневых систем и подачей воды в стволы деревьев и зависит от положения дерева в пологе, скорости оттаивания почвы и других факторов. Если корни начали подавать воду, пока не произошло отмирание луба, камбия, то дерево может остаться жизнеспособным. Заселение короедами и появление буровой муки на таких ослабленных деревьях наблюдается уже в ранневесенний период. Более высокая температура стволов ослабленных деревьев, разлагающиеся клетки луба и камбия обеспечивают комфортные условия для развития потомства короедов. Низкие же температуры, свойственные стволам здоровых деревьев, это своеобразный физиологический барьер, стоящий на пути заселения стволов, ветвей различными видами короедов.

— В настоящее время существует потребность в поиске современных способов диагностики физиологического состояния деревьев. На ваш взгляд, температуру дерева могут показать тепловизоры, закрепленные, например, на квадрокоптер?

— Безусловно, исследователям следует испытывать такую методику в природной обстановке. Однако известно, что при дистанционных оценках снижается такая важная характеристика метода, как разрешающая способность. Об этом свидетельствует и наш небольшой опыт дистанционного измерения температуры стволов деревьев. Для тепловой съемки леса важно выявить «временное окно», то есть время суток, оптимальное для этой работы. Оно может длиться всего 1—2 часа, так как от земли идет много тепловых помех. Пока из опыта некоторых стран (США, Канада и др.) известно, что тепловизором удается различить только мертвые деревья и живые.

Валерий Карасев — инженер лесного хозяйства, профессор кафедры садово-паркового строительства, ботаники и дендрологии Поволжского государственного технологического университета, эксперт-метролог. Автор более 100 научных публикаций.

Маргарита Карасева — инженер лесного хозяйства, профессор кафедры лесных культур, селекции и биотехнологии Поволжского государственного технологического университета.