Засохшие ветви деревьев двигаются, и ученые наконец-то выяснили причину

Фото из открытых источников

Исследователи, используя лазерное сканирование финского леса, обнаружили удивительный суточный ритм, связанный с влажностью и структурой древесины. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

В безветренный день мертвая ветка выглядит неподвижной. Но в финском лесу исследователи обнаружили, что мертвые ветки сосны и ели медленно опускаются в течение дня и снова поднимаются ночью.

По всей видимости, большая часть этого движения обусловлена влажностью воздуха. Древесина поглощает воду и высвобождает ее по мере изменения условий, подобно сосновой шишке, которая закрывается во влажном состоянии и открывается в сухом.

Ванесса Гутьер и ее коллеги из исследовательской группы 3DGeo Гейдельбергского университета в Германии обнаружили эту закономерность в сохраненных данных лазерного сканирования. В сотрудничестве с Финским институтом геопространственных исследований они отследили 17 засохших веток в течение трех с половиной спокойных, сухих дней в июне 2020 года.

Сканер установлен на башне на высоте около 30 метров над землей в Хюютяля, лесоисследовательском центре в Финляндии. Начиная с 2020 года, каждый час устройство сканирует участок леса размером примерно с восемь футбольных полей, создавая трехмерное изображение деревьев на основе миллионов измеренных точек.

Однако не каждый час из этого периода был пригоден для использования. Ветер может сдвинуть ветку с места, а дождь, впитывающийся в древесину, может изменить ее поведение, поэтому команда искала период спокойной, сухой погоды.

Они обнаружили один снимок, сделанный с вечера 18 июня до утра 22 июня 2020 года, что дало им 65 пригодных для использования почасовых сканирований. 17 июня выпало 24 миллиметра дождя, поэтому лес все это время просыхал.

Чтобы выявить засохшие ветви, исследователи искали те, которые потеряли большую часть или все свои хвоинки или листья. Они взяли по одному экземпляру с каждого из 17 деревьев: семи сосен обыкновенных, шести елей обыкновенных, одной березы серебристой и трех деревьев, которые полностью погибли и выглядели как ели.

Все 17 ветвей двигались в соответствии с ежедневным графиком. 16 хвойных ветвей опускались примерно с 7 утра до 10 вечера, а затем поднимались в течение ночи. Перемещения были на удивление большими, особенно для ветвей, большинство из которых были короче линейки.

На всех ветвях расстояние между самой высокой и самой низкой точкой составляло примерно от  4 до 43 сантиметров, при этом у хвойных деревьев это расстояние в среднем составляло около 23 сантиметров.

В зависимости от ветки, эти колебания были в 6–112 раз больше, чем погрешность измерения сканера. Ни оборудование, ни случайный ветерок не могли объяснить такие большие движения. По мере высыхания леса ветви хвойных деревьев также с каждым днем опускались немного ниже. Ветви на трех полностью погибших деревьях следовали тому же рисунку, что и на живых деревьях.

У деревьев образуется специальная опорная древесина, называемая реакционной древесиной, которая удерживает ветви в боковом положении против силы тяжести. Хвойные деревья строят её под ветвью, где она толкает вверх, а лиственные деревья, такие как береза, строят её сверху, где она тянет вверх.

«Это изменение длины происходит неравномерно по всему поперечному сечению ветви», — сказала Гутье. «В зависимости от вида дерева, верхняя и нижняя части разрастаются с разной скоростью. В результате даже сухие ветви могут значительно смещаться вверх или вниз в зависимости от колебаний влажности в течение дня».

Реакционная древесина расширяется и сжимается сильнее по всей своей длине, чем окружающая древесина. Поскольку этот слой расположен с разных сторон хвойных и лиственных ветвей, при сушке он должен изгибаться в противоположных направлениях.

У хвойных деревьев сушка должна привести к укорочению нижнего поддерживающего слоя и изгибанию ветки вниз. У березы этот слой находится сверху, поэтому сушка должна привести к изгибанию ветки вверх.

Единственная ветвь березы, использованная в исследовании, вела себя именно так. Днем она поднималась, а ночью опускалась, нарушая закономерность, наблюдаемую у всех хвойных ветвей.

Одна ветка березы не может рассказать исследователям, как ведут себя все лиственные деревья. Тем не менее, ее движение соответствовало тому, что они ожидали, исходя из структуры древесины.

Команда использовала показания температуры и влажности, полученные с метеостанции, расположенной примерно в 110 метрах от сканера и находящейся на высоте около верхушек деревьев.

Они рассчитали, сколько влаги сможет удержать древесина, если ей будет достаточно времени, чтобы адаптироваться к окружающему воздуху.

Предполагаемый уровень влажности достигал пика около 3 или 4 утра и падал до минимума около 5 или 6 вечера. Движение ветвей следовало тому же суточному графику, при этом береза двигалась в обратном направлении, но ей требовалось время, чтобы наверстать упущенное.

В среднем, изменения влажности отставали от расчетных показателей примерно на три с половиной часа. Отдельные задержки составляли от одного до пяти с половиной часов.

Для перемещения воды в древесину и из нее требуется время, а толщина ветвей и степень гниения могут влиять на этот процесс. Команда также проверила, может ли температура воздуха сама по себе объяснить эти перемещения, но это менее точно соответствовало наблюдениям.

В управляемых лесах северных регионов мертвые ветви составляют значительную часть сухой древесины, обеспечивая среду обитания для жуков, грибов и дятлов.

Их количество и расположение также могут дать представление о прошлых и нынешних проблемах дерева, связанных с засухой, вредителями или густотой посадки.

На лиственных деревьях датчики могут обнаруживать ранние изменения цвета листьев. Что касается вечнозеленых хвойных деревьев, исследователи предполагают, что движение ветвей может дать более точную информацию, чем один только цвет.

Живые ветви тоже двигаются, но они могут реагировать на разные условия. Исследование креозотовых кустов, проведенное в 2021 году, показало, что живые ветви следуют за температурой и сухостью воздуха, в то время как мертвые ветви на тех же растениях следуют за влажностью.

Эти различия в конечном итоге могут помочь сканерам одновременно идентифицировать сухие ветви на множестве деревьев. Бернхард Хёфле, руководитель группы 3DGeo, видит в этом подходе большие перспективы.

«Этот исследовательский подход открывает большие возможности для мониторинга деревьев в лесах и городах, позволяя автоматизированно отслеживать состояние деревьев и выявлять снижение их жизнеспособности на ранних стадиях», — говорит Хёфле.

Поскольку исследователи использовали архивные снимки, никто не проверил ветви на земле, чтобы убедиться, что они мертвы. Схожие движения на полностью мертвых деревьях делают маловероятным совершение распространенных ошибок, хотя ветви с некоторыми живыми древесиной могут двигаться меньше.

Исследование охватывало всего три с половиной дня в одном лесу в июне, и в нем использовалась лишь одна березовая ветка. Кроме того, команда оценивала влажность древесины по показаниям метеорологических приборов, а не измеряла ее внутри ветвей.

Исследователи до сих пор не могут объяснить, почему одни ветки отставали на час, а другие — более чем на пять. Высота, тень и состояние древесины — все это может иметь значение, но данное исследование не позволило разделить их влияние.

Следующий шаг — проверить объяснение и задержки в контролируемых лабораторных условиях, а затем изучить, как солнечный свет, форма ветвей и состояние древесины влияют на движение.