Определение водоудерживающей способности листового аппарата

 

Одним из показателей резистентности и адаптированности растений может служить водный режим (Pena, 1986; Sturma, 1998; Fernández, 1999; Lüttschwager, 1999; Calamassia, 2001; Sperry, 2002; Cochard, 2004; Bohne, 2005; Lorenz, 2006; Brandes, 2007; Hölttä, 2012) и водоудерживающая способность их фотосинтезирующего аппарата (Котов, 1981; 1987; 1995; Васфилов, 2005; Бессчетнова, 2007 б; 2014 а; Cape, 1983; Diego, 2013; Treydte, 2014). Рабочие гипотезы по этому направлению исследований могут быть сформулированы в следующем виде.

1. Существуют различия между плюсовыми деревьями сосны обыкновенной по водоудерживающей способности хвои.

2. Формирование водоудерживающей способности хвои плюсовых деревьев обусловлено наследственно.

3. Факторы среды оказывают значительное влияние на способность клонов плюсовых деревьев удерживать влагу в хвое.

Для выявления различий между вегетативными потомствами плюсовых деревьев сосны обыкновенной по способности противостоять иссушению исследуют их реакцию на свободное высушивание отделенной от побегов хвои. Необходимый комплекс связанных с этим мероприятий организационно был разделен на два этапа: полевой и лабораторный. Период проведения работ – 2007 – 2013 гг. Собственно плюсовые деревья выступали вариантами опыта, каждое из них было представлено 6 – 14 раметами – повторностями опыта. Первичной единицей выборки в данном опыте служила навеска из 20 пар (пучков) нормально развитых однолетних хвоинок (перезимовавшая однолетняя хвоя) без признаков повреждения какими-либо внешними факторами (рис. 3.4.1). Их брали из центральной части прироста последнего года (рис. 3.4.2) и помещали в отдельный пластиковый стаканчик емкостью 0,21 л, этикетировали по плюсовым деревьям, раметам, учетным побегам.

Рисунок 3.4.1 – С каждого побега заготавливалось 20 пучков хвоинок

 

С каждого учетного растения (раметы) срезалось по 3 – 11 побегов. Материал заготавливался одновременно с периферии среднего яруса хорошо освещенного участка кроны клонов, сосредоточенных в архивах № 1 и № 4 и на лесосеменных плантаций № 2 и № 24 ГУ НО «Семеновский спецсемлесхоз» и № 1 Сокольской лесосеменной станции в Нижегородской области. Плюсовые деревья на этих объектах представлены следующим количественным составом: архив клонов № 1 – 23; архив клонов № 4 – 30; ЛСП № 2 – 19; ЛСП № 24 – 36; ЛСП №1 – 16. Их сравнительная оценка давалась по каждому опытному участку отдельно при соблюдении принципа единственного логического различия. В число анализируемых объектов был также включен комплекс образцов 48 плюсовых деревьев из Владимирской области. Заготовленные побеги в увлажненном состоянии хранились при низкой положительной температуре 0 – +5^оС. При выполнении анализа учитывали действующие методические разработки (Цельникер, 1955; Котов, 1981; 1987; 1995; Третьяков, 1990), а также результаты собственных исследований (Бессчетнова, 2011 б, в, г; 2012 б).

Рисунок 3.4.2 – Заготовка хвои с каждого побега из центральной

части прироста последнего года

 

Лабораторный анализ выполнен в аналитической лаборатории кафедры лесных культур Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии. Условия проведения лабораторного опыта обеспечивали соблюдение принципа единственного логического различия. Все образцы высушивались при одинаковой температуре (20 – 23^оС), что фиксировалось термометрами, в одинаковых условиях освещенности и влажности воздуха (одна лаборатория), одинаковых емкостях для сушки каждого образца и прочих равных условиях для каждого из них. В дисперсионных комплексах сопоставляли клоны только тех плюсовых деревьев, которые введены в состав одного архива клонов или одной ЛСП. Взвешивание осуществлялось на трехразрядных электронных весах Acculab с точностью до 0,001 г (рис. 3.4.3). Периодичность учета – 24 часа, продолжительность опыта – до 120 часов. Для достижения состояния полного насыщения водой непосредственно перед взвешиванием пучки намачивались в течение одного часа в пластиковых стаканчиках (рис. 3.4.4).

Рисунок 3.4.3 – Определение массы навески на электронных весах

 

 

Рисунок 3.4.4 – Намачивание хвои до полного насыщения влагой

 

Намачивание хвои осуществлялось с отделением укороченного побега от основания пучка хвои (рис. 3.4.5).

Рисунок 3.4.5 – Отделение укороченного побега от пучка хвои

перед намачиванием

 

После извлечения хвои из воды каждая навеска отряхивалась и укладывалась на фильтровальную бумагу (рис. 3.4.6), промакивалась фильтровальной бумагой сверху так, чтобы была удалена капельножидкая вода. В таком состоянии навеска вновь взвешивалась.

 

На следующем этапе навеска укладывалась в отдельный пластиковый стаканчик, что не препятствовало свободному высыханию. Все высушивание осуществлялось в одном помещении с момента установки и до окончания высушивания. Через каждые 24 часа воздушной сушки производилось повторное взвешивание навесок, после чего они возвращались на досушивание. После 120 часов сушки навеска упаковывалась в отдельный бумажный пакет с этикеткой и размещалась для воздушной сушки в течение 8 месяцев. Затем она извлекалась, взвешивалась и высушивалась в сушильном шкафу до абсолютно сухого состояния при температуре 105⁰С в течение 8 часов (рис. 3.4.7). После этого она взвешивалась последний раз.

Рисунок 3.4.6 – После извлечения навески из воды

хвоя укладывалась на фильтровальную бумагу

 

Высушивание осуществлялось в одинаковых картонных коробочках (рис. 3.4.8).

Рисунок 3.4.7 – Установка коробочек с хвоей в сушильный шкаф

 

Рисунок 3.4.8 – Специальные картонные коробочки для высушивания

хвои с помещенными в них образцами

 

На динамику показателя водопотери – на темпы потери влаги образцом хвои – влияют условия высушивания. Наиболее высокие темпы водопотери фиксируются при свободной сушке хвои на листке фильтровальной бумаги. Размещение образца хвои в бумажные кулечки или в широкие пластиковые стаканчики снижает темпы потери влаги хвоей по отношению к условиям высушивания хвои на открытой поверхности. Вместе с тем, следует учитывать тот факт, что сокращение периода сушки приводит к повышению скорости потери влаги (высокой удельной доле потерянной воды) за единицу времени (за 1 час или за 24 часа). Это сокращает общий период наблюдений, но снижает чувствительность опыта. Мы проводили опыт в течение 120 часов. Для большинства образцов этот период оказался достаточным для перехода показателя водопотери через критический рубеж – 50 %. Значительная часть образцов характеризовалась относительно коротким периодом потери критического количества воды (96 и даже 72 часа). Некоторые образцы требовали для своего пятидесятипроцентного высушивания (на 50 %) периода, превышающего 120 часов.

 

Оценивали период потери 50 % содержащейся в хвое воды, что соответствует критическому уровню физиологического состояния растений. Основной причиной дифференциации растений по этому показателю является неодинаковое соотношение в их тканях связанной воды (Котов, 1981; 1987; 1995). Тестирующим параметром выступало время потери половины содержащейся в хвое воды: такое обезвоживание тканей соответствует критическому уровню их физиологического состояния. Причиной различий растений по этому состоянию является неодинаковое соотношение в их тканях связанной воды (Котов, 1981; 1987; 1995).

 

В соответствии с рекомендациями М.М. Котова (Котов, 1981; 1987; 1995) использовали алгоритм пропорционального вычисления значения времени (в часах) до наступления критического состояния обезвоживания – 50%. Согласно ему фиксировали потерю влаги в процентах за 24 часа (интервал времени в часах между двумя учетами): 24/(Р₂ – Р₁), что позволяет определить, сколько часов потребуется для потери на единицу её количества, например, на 1 % влаги. При этом учитываются последние значения в периоде наблюдений: последнее Р₂ и предпоследнее Р₁, при учете массы высушиваемой хвои каждые 24 часа. Этот показатель адекватен скорости водопотери, а точнее – равен её обратному значению (значению скорости водопотери в степени -1). Эта процедура позволяет взвесить время водопотери по количеству потерянной при высушивании воды и установить шкалу оценок: сколько времени потребуется для потери 1% влаги.

 

Следующим элементом расчетной формулы выступает разность между значениями двух взвешиваний (при установленном временном интервале высушивания для каждого из них). Однако, поскольку в расчет введено значение интервала в 24 часа, то берутся значения двух последовательных учетов, выполняемых с интервалом в 24 часа. Поскольку наиболее равномерное изменение значений оцениваемого показателя – массы, выраженной в процентах от общего количества влаги – фиксируется на завершающем этапе наблюдений, то целесообразно использовать последнее и предпоследнее значения, а именно разницу между ними. Принципиально, разница массы хвои или сумма её водопотери может быть установлена для двух любых сроков учета с любым интервалов времени между ними. В этом случае в первом элементе расчетной формулы берется не 24 часа, а тот интервал времени, который реально зафиксирован между двумя сопоставляемыми сроками учета. В абсолютном смысле вводится некоторый интервал времени между двумя сопоставляемыми сроками учета (любыми в границах периода наблюдений) водопотери и собственно величина водопотери за установленный интервал сроков учета.

 

Далее определяли разницу в процентах между критическим уровнем содержания воды (50 %) и содержанием воды в конкретный (принципиально, любой, но определенный и указанный в часах) срок учета (например, в последний срок учета до перехода через рубеж в 50%, указанный в часах). Если выбранный срок учета характеризуется содержанием воды меньше 50 %, то разность будет положительной, если же наоборот, то отрицательной. Произведение «цены деления» – количества часов, в течение которых теряется 1 % влаги, на количество процентов потерянной влаги за тот период времени, по которому определена «цена деления», даст значение времени в часах, необходимое для потери указанного (установленного, определенного, зафиксированного) количества воды. При этом, если разность была положительной, то и полученное произведение будет положительным, в противном случае – отрицательным.

 

Суммируя полученный интервал времени в часах со значением времени проведения последнего срока учетов, вычисляли количество часов, требуемое для достижения состояния критического (50 %) обезвоживания при свободном высушивании хвои. Здесь, если последний срок учета не обеспечивает переход через 50-процентный рубеж, а, следовательно, значение учтенной оводненности менее 50%, «первое слагаемое», вычисленное нами, будет положительным, что соответствует тому логическому состоянию, когда переход через 50% произойдет после обозначенного срока учета, и в процессе вычисления к установленному количеству часов придется прибавить «первое слагаемое». Если же последний срок учета зафиксирован после факта переход показателя оводненности через 50-процентный порог, а, значит, величина учтенного параметра больше 50% и разность окажется отрицательной, то от последнего значения времени отнимают величину «первого слагаемого». Принципиально «последнее наблюдение» может быть намного позже перехода через 50 % или намного раньше него. Вместе с тем в опубликованных рекомендациях (Котов, 1981; 1987; 1995) предусмотрено использование в расчетах срока учета, следующего сразу после этого перехода.

 

Вычисление периода до наступления критического состояния (критического периода) по уравнениям регрессии (уравнения прямой линии) дает некоторое отклонение значений от результатов, полученных по итогам пропорционального вычисления. Это может быть объяснено тем, что уравнения прямой линии строили по всем точкам, начиная с первого срока учета. При этом темпы потери воды при высыхании на протяжении всего периода высушивания неодинаковы. Наибольшая потеря влаги фиксируется в первые 24 часа после контрольного намачивания образцов хвои в течение 1 часа: хвоя наиболее полно насыщена водой и теряет наибольшее количество влаги за фиксированный отрезок времени – 24 часа. В последующем темпы водопотери стабилизируются, но на заключительном этапе (перед переходом критического порога) темпы минимальны. Для вычисления следующего по порядку наблюдений значения методом пропорциональной интерполяции предпочтительнее использовать последний отрезок времени и учитывать последний из всех зафиксированных ритм водопотери. Однако для сравнительных оценок между клонами плюсовых деревьев, возможно, более целесообразно учитывать весь процесс потери воды при свободном высушивании и сравнивать сами линии тренда в целом.

 

Нами предложено определение периода потери половины содержащейся в хвое воды посредством решения уравнений регрессии, описывающих кривые изменения содержания воды, выраженного в процентах от общей массы содержащейся воды, в течение периода наблюдения через каждые 24 часа. Возможно применение различных видов функций: y = ax + b; y = ax²+bx + c; y = aLn(x) + b и др. При этом уравнение линейной зависимости дает вполне адекватную характеристику динамики водопотери, о чем свидетельствуют высокие значения показателя достоверности аппроксимации (в подавляющем большинстве случаев R² = 0,980 и выше). В этом отношении она близка по надежности к полиному второго порядка. Такая процедура выполнялась для каждой навески и усредненных значений каждого учетного растения.

 

Организация опыта позволяет применить для анализа его результатов как однофакторный, так и двухфакторный иерархический дисперсионный анализ (Плохинский, 1961; Снедекор, 1961; Меркурьева, 1970; Никитин, 1978; Лакин, 1980; Доспехов, 1985; Гатаулин,1992). В последнем случае фактором высшей иерархии выступают различия между плюсовыми деревьями (ортетами), представленными на каждом из объектов ПЛСБ и ЕГСК комплексами своих клонов – рамет. Фактором низшей иерархии являются различия между собственно учетными деревьями – раметами. Фактором случайных различий или остаточной дисперсии служили различия между повторностями (разными учетными побегами) одного учетного дерева. В однофакторной схеме в качестве действующего фактора рассматривались собственно различия между плюсовыми деревьями.

 

Полученные многолетние характеристики плюсовых деревьев использовали для проведения их ранжирования в соответствии с возрастанием значений показателя. На базе этого ассортимент плюсовых деревьев распределялся по категориям, числовые границы которых определяли с использованием критерия «Норма» (Доспехов, 1973).