Критерии картирования и оценки корневых систем методом георадиолокации на примере ели европейской
DOI:
https://doi.org/10.21638/spbu07.2024.203Аннотация
В статье обсуждаются подходы к использованию методов георадиолокации для описания корней деревьев и контроля их состояния в городской среде. Цель исследования заключалась в картировании и определении достоверности оценки корневой системы деревьев в естественном залегании методом георадиолокации. В качестве объекта исследований выделена отдельно стоящая ель европейская (Picea abies (L.) H. Karst.), под которой был заложен полигон съемки размером 4×4 м. Для повышения детальности полевая съемка выполнялась георадаром с высокочастотным антенным блоком 1700 МГц. Анализировалось влияние сети наблюдений в зависимости от пространственной ориентации на получаемые данные о корневой архитектонике. Съемка по прямоугольной и диагональной сети с шагом 25 см показала разное количество дифрагированных волн, выступающих маркером отдельных корней. Обнаружена закономерность распределения таких волн по глубине, соответствующая особенностями роста обследуемого дерева. Для верификации георадарных данных была выполнена полная экскавация корней ели с детальным ручным описанием. Установлено что крупные корни обладают характерными георадарными паттернами, которые уверенно прослеживаются на серии параллельных профилей. Проанализирован отраженный сигнал для корней, на основе чего показана взаимосвязь между их диаметром и временной протяженностью волнового цуга с коэффициентом корреляции r = 0.87. По итогам обследования ели европейской георадарные данные позволили восстановить корневую архитектонику в естественном залегании и определить критерии для поиска наиболее крупных скелетных корней. Несмотря на имеющиеся проблемы, связанные с параметризацией корней, полученные результаты свидетельствуют о возможности получения принципиально новой информации в отношении строения и функционирования корневых систем деревьев.
Ключевые слова:
георадарные атрибуты, гипербола, сеть наблюдений, корневая архитектоника, диаметр корня, корреляция
Скачивания
Библиографические ссылки
Владов, М. Л. и Судакова, М. С. (2017). Георадиолокация: от физических основ до перспективных направлений: учеб. пособие. М.: ГЕОС.
Демидов, И. Н. и Лукашов, А. Д. (2001). Рельеф и четвертичные отложения ботанического сада петрозаводского государственного университета как основа его современных ландшафтов. Hortus Botanicus, 1, 25–33.
Калинин, М. И. (1991). Корневедение. М.: Экология.
Колесников, В. А. (1972). Методы изучения корневой системы древесных растений. 2-е изд. М.: Лесная промышленность.
Рязанцев, П. А., Кабонен, А. В., Родионов, А. И. (2020). Определение архитектоники корневой системы деревьев методом георадиолокации. Вестник Томского государственного университета. Биология, 51, 179–204. https://doi.org/10.17223/19988591/51/10
Alani, A. M. and Lantini, L. (2020). Recent Advances in Tree Root Mapping and Assessment Using Non-destructive Testing Methods: A Focus on Ground Penetrating Radar. Surveys in Geophysics. 2020, 41, 605–646. https:.doi.org/10.1007/s10712-019-09548-6
Allred, B. J., Daniels, J. J., Ehsani, M. R., eds (2008). Handbook of Agricultural Geophysics. Boca Raton: CRC Press.
Altdorff, D., Botschek, J., Honds, M., van der Kruk, J. (2019). In situ detection of tree root systems under heterogeneous anthropogenic soil conditions using ground penetrating radar. Journal of Infrastructure Systems, 25 (3), 1–8. https:.doi.org/10.1061/(ASCE)IS.1943-555X.0000501
Amato, M., Basso, B., Cellano, G., Bitella, G., Morelli, G., Rossi, R. (2008). In situ detection of tree root distribution and biomass by multielectrode resistivity imaging. Tree Physiology, 28, 1441–1448. https:.doi.org/10.1093/treephys/28.10.1441
Atkinson, J. A., Pound, M. P., Bennett, M. J., Wells, D. M. (2019). Uncovering the hidden half of plants using new advances in root phenotyping. Current Opinion in Biotechnology, 55, 1–8. https:.doi.org/10.1016/j.copbio.2018.06.002
Bain, J. C., Day, F. P., Butnor, J. R. (2017). Experimental Evaluation of Several Key Factors Affecting Root Biomass Estimation by 1500 MHz Ground-Penetrating Radar. Remote Sensing, 9, 1337. https:.doi.org/10.3390/rs9121337
Barton, C. V. M. and Montagu, K. D. (2004). Detection of tree roots and determination of root diameters by ground penetrating radar under optimal conditions. Tree Physiology, 24 (12), 1323–1331. https:.doi.org/10.1093/treephys/24.12.1323
Borden, K. A., Isaac, M. E., Thevathasan, N. V., Gordon, A. M., Thomas, S. C. (2014). Estimating coarse root biomass with ground penetrating radar in a tree-based intercropping system. Agroforest System, 88, 657–669. https:.doi.org/10.1007/s10457-014-9722-5
Borden, K. A., Thomas, S. C., Isaac, M. E. (2017). Interspecific variation of tree root architecture in a temperate agroforestry system characterized using ground-penetrating radar. Plant and Soil, 410, 323–334. https:.doi.org/10.1007/s11104-016-3015-x
Butnor, J. R., Doolittle, J. A., Kress, L., Cohen, S., Johnsen, K. H. (2001). Use of ground-penetrating radar to study tree roots in the southeastern United States. Tree Physiology, 21 (17), 1269–1278. https:.doi.org/10.1093/treephys/21.17.1269
Butnor, J. R., Samuelson, L. J., Stokes, T. A., Johnsen, K. H., Anderson, P. H., González-Benecke, C. A. (2016). Surface-based GPR underestimates below-stump root biomass. Plant and Soil, 402, 47–62. https:.doi.org/10.1007/s11104-015-2768-y
Cui, X., Chen, J., Shen, J.S., Cao, X., Chen, X. H., Zhu, X. L. (2011). Modeling tree root diameter and biomass by ground penetrating radar. Science China Earth Sciences, 54, 711–719. https:.doi.org/10.1007/s11430-010-4103-z
Danjon, F., Caplan, J. S., Fortin, M., Meredieu, C. (2013). Descendant root volume varies as a function of root type: estimation of root biomass lost during uprooting in Pinus pinaster. Frontiers in Plant Science, 4, 402. https:.doi.org/10.3389/fpls.2013.00402
Delgado, A., Novo, A., Hays, D. B. (2019). Data Acquisition Methodologies Utilizing Ground Penetrating Radar for Cassava (Manihot esculenta Crantz) Root Architecture. Geosciences, 9 (4), 171. https:.doi.org/10.3390/geosciences9040171
Ehosioke, S., Nguyen, F., Rao, S., Kremer, T., Placencia-Gomez, E., Huisman, J.A., Kemna, A., Javaux, M., Garré, S. (2020). Sensing the electrical properties of roots: A review. Vadose Zone Journal, 19, e20082. https:.doi.org/10.1002/vzj2.20082
Eshel, A. and Beeckman, T., eds (2013). Plant roots: the hidden half. Boca Raton: CRC Press.
Fourcaud, T., Ji, J., Zhang, Z., Stokes, A. (2008). Understanding the impact of root morphology on uprooting mechanisms: a modelling approach. Annals of Botany, 101, 1267–1280. https:.doi.org/10.1093/aob/mcm245
Ghani, M. A., Stokes, A., Fourcaud, T. (2009). The effect of root architecture and root loss through trenching on the anchorage of tropical urban trees (Eugenia grandis Wight). Trees, 23, 197–209. https:.doi.org/10.1007/s00468-008-0269-9
Gregory, P. J. (2006). Plant roots; growth, activity and interaction with soils. Oxford: Blackwell. https:.doi.org/10.1002/9780470995563
Guo, L., Chen, J., Cui, X. H., Fan, B. H., Lin, H. (2013). Application of ground penetrating radar for coarse root detection and quantification: A review. Plant and Soil, 362, 1–23. https:.doi.org/10.1007/s11104-012-1455-5
Guo, L., Mount, G. J., Hudson, S., Lin, H., Levi, D. (2020). Pairing geophysical techniques improves understanding of the near-surface Critical Zone: Visualization of preferential routing of stem flow along coarse roots. Geoderma, 357, 113953. https:.doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.113953
Guo, L., Wu, Y., Chen, J., Hirano, Y., Tanikawa, T., Li, W., Cui, X. (2015). Calibrating the impact of root orientation on root quantification using ground-penetrating radar. Plant and Soil, 395, 289–305. https:.doi.org/10.1007/s11104-015-2563-9
Hirano, Y., Dannoura, M., Aono, K., Igarashi, T., Ishii, M., Yamase, K., Makita, N., Kanazawa, Y. (2009). Limiting factors in the detection of tree roots using ground-penetrating radar. Plant and Soil, 319, 15–24. https:.doi.org/10.1007/s11104-008-9845-4
Hirano, Y., Yamamoto, R., Dannoura, M., Aono, K., Igarashi, T., Ishii, M., Yamase, K., Makita, N., Kanazawa, Y. (2012). Detection frequency of Pinus thunbergii roots by ground-penetrating radar is related to root biomass. Plant and Soil, 360, 363–373. https:.doi.org/10.1007/s11104-012-1252-1
Hruška, J., Čermák, J., Sustek, S. (1999). Mapping tree root systems with ground-penetrating radar. Tree Physiology, 19 (2), 125–130. https:.doi.org/10.1093/treephys/19.2.125
Köstler, J. N., Bruckner, E., Bibelriether, H. (1968). The root systems of forest trees. Hamburg: Paul Parey.
Liu, X., Cui, X., Guo, L., Chen, J., Li, W., Yang, D., Cao, X., Chen, X., Liu, Q., Lin, H. (2019). Non-invasive estimation of root zone soil moisture from coarse root reflections in ground-penetrating radar images. Plant and Soil, 436, 623–639. https:.doi.org/10.1007/s11104-018-03919-5
Liu, X., Dong, X., Xue, Q., Leskovar, D. I., Jifon, J., Butnor, J. R., Marek, T. (2018). Ground penetrating radar (GPR) detects fine roots of agricultural crops in the field. Plant and Soil, 423, 517–531. https:.doi.org/10.1007/s11104-017-3531-3
Lundström, T., Jonas, T., Stöckli, V., Ammann, W. (2007). Anchorage of mature conifers: resistive turning moment, root–soil plate geometry and root growth orientation. Tree Physiology, 27 (9), 1217–1227. https:.doi.org/10.1093/treephys/27.9.1217
Mancuso, S., ed. (2012). Measuring Roots. An Updated Approach. Berlin: Springer-Verlag. https:.doi.org/10.1007/978-3-642-22067-8
Martin, T. (2012). Complex resistivity measurements on oak. European Journal of Wood and Wood Products, 70, 45–53. https:.doi.org/10.1007/s00107-010-0493-z
Martínez-Sala, R., Rodríguez-Abad, I., Barra, R. D., Capuz-Lladró, R. (2013). Assessment of the dielectric anisotropy in timber using the nondestructive GPR technique. Construction and Building Materials, 38, 903–911. http:.dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.09.052
Mary, B., Saracco, G., Peyras, L., Vennetier, M., Mériaux, P., Camerlynck, C. (2016). Mapping tree root system in dikes using induced polarization: Focus on the influence of soil water content. Journal of Applied Geophysics, 135, 387–396. https:.doi.org/10.1016/j.jappgeo.2016.05.005
Mickovski, S. and Ennos, A. (2003). Model and whole-plant studies on the anchorage capabilities of bulbs. Plant and Soil, 255, 641–652. https:.doi.org/10.1023/A:1026007229517
Montagnoli, A., Lasserre, B., Sferra, G., Chiatante, D., Scippa, G.S., Terzaghi, M., Dumroese, R. K. (2020). Formation of annual ring eccentricity in coarse roots within the root cage of Pinus ponderosa growing on slopes. Plants, 9, 181. https:.doi.org/10.3390/plants9020181
Postic, F., Doussan, C. (2016). Benchmarking electrical methods for rapid estimation of root biomass. Plant Methods, 12 (1). 33. https:.doi.org/10.1186/s13007-016-0133-7
Puhe, J. (2003). Growth and development of the root system of Norway spruce (Picea abies) in forest stands – a review. Forest Ecology and Management, 175 (1–3), 253–273. https:.doi.org/10.1016/S0378-1127(02)00134-2
Repo, T., Korhonen, A., Laukkanen, M., Lehto, T., Silvennoinen, R. (2014). Detecting mycorrhizal colonisation in Scots pine roots using electrical impedance spectra. Biosystems Engineering, 121, 139–149. https:.doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2014.02.014
Rodríguez-Robles, U., Arredondo, T., Huber-Sannwald, E., Ramos-Leal, J. A., Yepez, E. A. (2017). Technical note: Application of geophysical tools for tree root studies in forest ecosystems in complex soils. Biogeosciences, 14 (23), 5343–5357. https:.doi.org/10.5194/bg-14-5343-2017
Sani, L., Lisci, R., Moschi, M., Sarri, D., Rimediotti, M., Vieri, M., Tofanelli, S. (2012). Preliminary experiments and verification of controlled pulling tests for tree stability assessments in Mediterranean urban areas. Biosystems Engineering, 112 (3), 218–226. https:.doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2012.04.004
Shanahan, P. W., Binley, A., Whalley, W. R., Watts, C. R. (2015). The use of electromagnetic induction to monitor changes in soil moisture profiles beneath different wheat genotypes. Soil Science Society of America Journal, 79 (2), 459–466. https:.doi.org/10.2136/sssaj2014.09.0360
Stover, D. B., Day, F. P., Butnor, J. R., Drake, B. G. (2007). Effect of elevated CO2 on coarse-root biomass in Florida scrub detected by ground-penetrating radar. Ecology, 88 (5), 1328–1334. https:.doi.org/10.1890/06-0989
Tanikawa, T., Hirano, Y., Dannoura, M., Yamase, K., Aono, K., Ishii, M., Igarashi, T., Ikeno, H., Kanazawa, Y. (2013). Root orientation can affect detection accuracy of ground-penetrating radar. Plant and Soil, 373, 317–327. https:.doi.org/10.1007/s11104-013-1798-6
Torgovnikov, G. I. (1993). Dielectric properties of wood and wood-based materials. Berlin: Springer.
Vennetier, M., Zanetti, C., Meriaux, P., Mary, B. (2015). Tree root architecture: new insights from a comprehensive study on dikes. Plant and Soil, 387, 81–101. https:.doi.org/10.1007/s11104-014-2272-9
Whalley, W., Binley, A., Watts, C., Shanahan, P., Dodd, I. C., Ober, E. S., Ashton, R. W., Webster, C. P., White, R. P., Hawkesford, M. J. (2017). Methods to estimate changes in soil water for phenotyping root activity in the field. Plant and Soil, 415, 407–422. https:.doi.org/10.1007/s11104-016-3161-1
Yamase, K., Tanikawa, T., Dannoura, M., Ohashi, M., Todo, C., Ikeno, H., Aono, K., Hirano, Y. (2018). Ground-penetrating radar estimates of tree root diameter and distribution under field conditions. Trees, 32, 1657–1668. https:.doi.org/10.1007/s00468-018-1741-9
Yeung, S. W., Yan, W. M., Hau, C. H. B. (2016). Performance of ground penetrating radar in root detection and its application in root diameter estimation under controlled conditions. Science China Earth Sciences, 59, 145–155. https:.doi.org/10.1007/s11430-015-5156-9
Zanetti, C., Vennetier, M., Mériaux, P., Royet, P., Provansal, M. (2011a). Managing woody vegetation on earth dikes: Risks assessment and maintenance solutions. Procedia Environmental Sciences, 9, 196–200. https:.doi.org/10.1016/j.proenv.2011.11.030
Zanetti, C., Weller, A., Vennetier, M., Meriaux, P. (2011b). Detection of buried tree root samples by using geoelectrical measurements: A laboratory experiment. Plant and Soil, 339, 273–283. https:.doi.org/10.1007/s11104-010-0574-0
Zanetti, C., Vennetier, M., Mériaux, P., Provensal, M. (2015). Plasticity of tree root system structure in contrasting soil materials and environmental conditions. Plant and Soil, 387 (1–2), 21–35. https:.doi.org/10.1007/s11104-014-2253-z
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Статьи журнала «Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле» находятся в открытом доступе и распространяются в соответствии с условиями Лицензионного Договора с Санкт-Петербургским государственным университетом, который бесплатно предоставляет авторам неограниченное распространение и самостоятельное архивирование.
