Karpun Y., Konnov N., Kuvaitsev M., Prokhorov A. “Active condensation of the atmospheric moisture as a self-irrigation mechanism for the ground-covering plants”, Hortus bot. 10, (2015): DOI: 10.15393/j4.art.2015.2802


Hypotheses, Discoveries and Technologies

pdf-version 

Active condensation of the atmospheric moisture as a self-irrigation mechanism for the ground-covering plants

Karpun
Yuriy Nikolaevich
Subtropical Botanical Garden of Cuban,

botsad13@mail.ru
Konnov
Nicolay Alekseevich
Federal State Scientific Institution “All-Russian Research Institute of Horticulture and Subtropical Crops”, Russian Academy of Sciences,

konnov_n_a@bk.ru
Kuvaitsev
Mikhail Valerievich
Subtropical Botanical Garden of Cuban,

sochi-sbgk@mail.ru
Prokhorov
Alexey Anatolievich
Petrozavodsk State University,

alpro@onego.ru
Key words:
drought tolerance, atmospheric moisture, condensation of water, leaves’ temperature, ground-covering plants, Liriope, Ophiopogon, Convallariaceae
Summary: Studies conducted at the Subtropical Botanical Garden of Kuban (Utch-Dere, Sochi) pretty much allow to explain the abnormally high drought resistance of Liriope graminifolia Lour. and Ophiopogon japonicus Ker.-Gawl., plants that naturally grow mostly in sufficient humidity. Quite low temperatures of the leaves’ surface allow to effectively condense the atmospheric moisture and to direct it along the leaf blade to the ground. The accumulation of condensation water leads to self-irrigation, a mechanism that ensures survival of plants in case of insufficient natural precipitation in the form of rain or fog. Combined with xeromorphic leaves with a thick cuticle and thick branch roots with fusiform bulb-shaped swellings, allowing to store water, makes the named plants extremely resistant to stress factors such as prolonged summer droughts accompanied by high daytime temperatures.
Is received: 01 september 2015 year
Is passed for the press: 08 september 2015 year


Среди многочисленных механизмов компенсации потери воды сосудистыми растениями при транспирации и адаптации к аридным условиям, конденсация влаги на поверхности растений при достижении точки росы всегда рассматривалась только как следствие понижения температуры воздуха и поверхности почвы, обычно в ночное время.

Однако давно известно, что температура поверхности растений в большинстве случаев ниже температуры воздуха и температуры нетранспирирующих листьев (Lange, Lange, 1963). Наблюдаемое снижение температуры поверхности растений (листьев) связывается, прежде всего, с транспирацией (Gates, 1968).

Данная работа основана на предположении, что растения способны активно конденсировать воду (Прохоров, 2013) на своей поверхности более продолжительное время и более эффективно, чем почва, за счет снижения температуры поверхности ниже точки росы и увеличения доступной для конденсации поверхности.

Нами для одновременного измерения температуры поверхности растений (TL) и почвы (TS), температуры (TA) и относительной влажности (HA) воздуха использовался термодетектор (пирометр) Bosch PTD 1 с функцией расчета точки росы (TD), подробные характеристики которого приведены здесь (Прохоров, 2015).

В качестве возможных конденсаторов атмосферной влаги особый интерес представляли почвопокровные растения из родов Liriope Lour. и Ophiopogon Ker.-Gawl., в отношении которых в Субтропическом ботаническом саду Кубани (СБСК) проводились исследования по их пригодности для создания вечнозеленых газонных покрытий в теневых местах урбанизированных экосистем.

Ранее, опытным путём, была установлена аномально высокая засухоустойчивость представителей родов Liriope Lour. и Ophiopogon Ker.-Gawl. (Коннов, 2014; Коннов, Карпун, 2014), нетипичная для растений влажного муссонного климата Восточной Азии (табл. 1).

Таблица 1. Динамика изменения оводнённости листьев представителей родов Liriope и Ophiopogon в условиях искусственной засухи. Сочи, СБСК, 07–08. 2014 г.

Table 1. Dynamics of water content in the leaves of the genera Liriope and Ophiopogon under artificial drought. Sochi, SBGK, 07-08. 2014

Как видно из приведённой таблицы, содержание воды в листьях опытных растений после месячной искусственной засухи не только практически не снизилось, но у Liriope graminifolia даже возросло. Такой результат, казалось бы, должен противоречить общепринятой точке зрения на поведение растений в условиях постоянного дефицита воды.

Именно это обстоятельство побудило нас провести замеры температуры поверхности ряда растений из рассматриваемых родов (табл. 2). 

Полученные результаты показывают, что температура поверхности листьев была значительно ниже не только температуры воздуха, но и, за исключением Ophiopogon jaburan 'Vittatus', ниже точки росы. И, соответственно, происходит конденсация атмосферной влаги на поверхности листьев.

Попытка провести анализ зависимости степени снижения температуры поверхности листьев от биологических особенностей растений не дала желаемых результатов. Так, наиболее низкую температуру имели и Ophiopogon umbraticola, с его узкими листьями, шириной 2 мм, и Ophiopogon planiscapus, у которого ширина листьев превышает 10 мм. Вид из южного Китая, Ophiopogon sarmentosus, имел температуру поверхности листьев 15.8° С, а у самого северного вида рода, Ophiopogon japonicus, она была 13.3° С. Существенно отличались по температуре листьев растения Ophiopogon planiscapus 'Nigrescens' семенного и вегетативного происхождения, 16.2° С и 13.2° С, соответственно. Однако, в целом, листья представителей рода Liriope были заметно «теплее», нежели листья представителей рода Ophiopogon.

Таблица 2. Температура поверхности (TL) контейнерных растений Liriope и Ophiopogon и микроклиматические параметры (TA, HATD). Сочи, СБСК, 10.06.2015 г. 12:00, тень

Table 2. Surface temperature (TL) of container plants Liriope and Ophiopogon and micro-climatic parameters (TA, HATD). Sochi SBGK, 10.06.2015. 12:00, shadow

Наименование растений TL,°C TA,°C HA,% TD,°C
Liriope exiliflora 16.7 24.3 62 17.2
Liriope muscari 'Variegata' 16.4 24.3 62 17.2
Liriope graminifolia 15.4 24.3 62 17.2
Liriope koreana 16.0 24.3 62 17.2
Liriope muscari 'Royal Purple' 16.0 24.3 62 17.2
Liriope spicata 'Variegata' 16.0 24.3 62 17.2
Liriope minor 15.5 24.3 62 17.2
Liriope zhejiangensis 15.0 24.3 62 17.2
Liriope muscari 13.5 24.3 62 17.2
Ophiopogon jaburan 'Vittatus' 17.8 24.3 62 17.2
Ophiopogon jaburan 16.7 24.3 62 17.2
Ophiopogon planiscapus 'Nigrescens' , сем. 16.2 24.3 62 17.2
Ophiopogon chingii 16.0 24.3 62 17.2
Ophiopogon sarmentosus 15.8 24.3 62 17.2
Ophiopogon intermedius 15.6 24.3 62 17.2
Ophiopogon japonicus 'Pusillus', сем. 15.4 24.3 62 17.2
Ophiopogon japonicus for. media 15.1 24.3 62 17.2
Ophiopogon japonicus 'Pusillus', дел. 15.1 24.3 62 17.2
Ophiopogon stenophyllus 13.5 24.3 62 17.2
Ophiopogon japonicus 13.3 24.3 62 17.2
Ophiopogon planiscapus 'Nigrescens', дел. 13.2 24.3 62 17.2
Ophiopogon umbraticola 12.9 24.3 62 17.2
Ophiopogon planiscapus 12.7 24.3 62 17.2
Примечания: сем. – из семян; дел. – деление растения.

Учитывая незначительный объём надземной части коллекционных растений в контейнерах, и, как следствие этого, существенное влияние температуры почвы на температуру поверхности листьев, дальнейшие исследования проводились на густо задернённых опытных делянках, заложенных в 2010 году. Соответствующие замеры на трёх таксонах, наиболее массово и давно культивируемых в регионе, проводились с интервалами в 4 часа (рис. 1–3). 

 

Fig. 1. Diurnal temperature range of the sample plot with Ophiopogon japonicus. Sochi SBGK, 10-11.06.2015

 

Fig. 2. The diurnal variation of temperature parameters of Ophiopogon japonicus 'Pusillus' curtain. Sochi, SBGK, 10-11.06.2015

  

Fig. 3. Diurnal temperature range of the sample plot with Liriope graminifolia. Sochi SBGK, 10-11. 06. 2015 

Для всех выбранных таксонов температура поверхности листьев была существенно ниже температуры воздуха. Максимальный разрыв составлял от 12,7° C (Liriope graminifolia) до 10,9° C (Ophiopogon japonicus), тогда как минимальный разрыв составил 3,6° C (Ophiopogon japonicus 'Pusillus' ). Причём максимальные температуры воздуха и поверхности листьев отмечались у Ophiopogon japonicus и Liriope graminifolia в 12:00 (рис. 1, 3), тогда как у карликовой формы первого виды максимальная температура воздуха была зафиксирована в 16:00, а максимальная температура листьев – утром, в 8:00 (рис. 2). Температура поверхности листьев повышалась выше показателя точки росы ненадолго в дневные часы – более выражено у Ophiopogon japonicus и незначительно у его садовой формы (рис. 1–2). Следует отметить, что потенциальная способность к конденсации влаги из атмосферного воздуха на поверхности опытных растений отмечалась, в среднем, 19 часов и была наиболее продолжительной у Liriope graminifolia – 20 часов, с 15:00 10.06 до 11:00 11.06.

Результаты проведённых измерений побудили нас проанализировать характер потери влаги этими таксонами в течение светлого и тёмного времени суток, для чего был проведён соответствующий  опыт. Двулетние растения в контейнерах объёмом 1,5 л и такие же контейнеры, заполненные аналогичной почвосмесью,  были выставлены на площадке под открытым небом и под густой кроной дерева (Ficus carica). Погода была солнечной; средняя ночная температура составляла 22° C, средняя дневная – 26° C. Взвешивания производились на электронных весах в 6:00 и 18:00. Анализ полученных данных по фактической потере влаги в граммах, в пересчёте на килограмм общего веса, приведён в таблицах 3 и 4. 

Table 3. Analysis of moisture loss for containers with plants. Sochi SBGK, 11 - 13. 06.2015 

Table 4. Analysis of moisture loss for containers with plants. SochiSBGK, 11-13. 06.2015

Во всех случаях разница в потере влаги контейнерами с растениями по отношению к контейнерам без растений не превышала 2 г на кг, будучи наиболее низкой у Ophiopogon japonicus и наиболее высокой у Liriope graminifolia. И это притом, что поверхность, с которой испаряется влага, у контейнеров с растениями была значительно больше, соответственно и влаги должно было испариться значительно больше, нежели было зафиксировано. Такое несоответствие можно объяснить только тем, что часть испарившейся влаги компенсировалась за счет конденсации атмосферной влаги на листьях, когда их температура была ниже точки росы. При этом не обязательно, чтобы влага вначале была поглощена листьями, а уже затем испарилась через устьица.

В подтверждение этого может свидетельствовать и то, что в дневное время интенсивность испарения возрастала более, чем в пять раз (табл. 4), тогда как средняя дневная температура была больше средней ночной всего лишь на 4o C. Но в дневное время температура поверхности листьев была либо выше точки росы, либо незначительно ниже и, соответственно, количество влаги, конденсировавшейся на поверхности листьев, было меньше, чем в ночное время.

Результаты проведённых исследований позволяют под новым углом зрения взглянуть на терморегуляцию у растений. Существующие представления, что более низкая температура поверхности листьев растений есть следствие интенсивного испарения влаги и способствует, преимущественно, предохранению растений от дневного перегрева (Curtis, 1936), не вполне корректно объясняют это явление. По нашему мнению, терморегуляция растений многофункциональна и одним из ее предназначений может являться самоорошение путем конденсации атмосферной влаги.

Нельзя исключить адаптационное значение конденсации атмосферной влаги на поверхности растений, охлажденной ниже точки росы. Отсюда вытекает значимость понимания данного явления при интродукционных испытаниях растений в несвойственных ему климатических условиях. 

References

Konnov N. A. Ofiopogon i Liriopa – perspektivnye gazonnye rasteniya // Tsvetovodstvo A Ofiopogon and Liriopa - perspective lawn plant // Floriculture. 2014. № 6. S. 12—14.

Konnov N. A., Karpun Yu. N. Itogi i perspektivy introduktsii predstavitelej roda Ophiopogon Ker Gawler na Tchernomorskoe poberezhe Rossii // Trudy Kubanskogo agrarnogo universiteta. Results and Perspectives of introduction the genus Ophiopogon Ker Gawler on the Black Sea coast of Russia // Proceedings of the Kuban Agrarian University 2014. Vyp. 3(48). S. 57—61.

Prokhorov A. A. Aktivnaya kondensatsiya vody rasteniyami // Printsipy ekologii. PetrGU. Active condensation of water by plants // Principles of Ecology 2013. № 3. S. 58—61. DOI: 10.15393/j1.art.2013.2921.

Prokhorov A. A. Totchka rosy - neizutchennyj faktor v ekologii, fiziologii i introduktsii rastenij Dewpoint - unstudied factor in ecology, physiology and plant introduction // Hortus bot. 2015. T. 10. DOI: 10.15393/j4.art.2015.2801.

Curtis O. F. Leaf temperatures and the cooling of leaves by radiation // Plant Physiol. 1936. Apr; 11(2). P. 343—364.

Gates D. M. Transpiration and Leaf Temperature // Annual Review of Plant Physiology. 1968. Vol. 19. P. 211—238.

Lange O. L., Lange R. Untersuchungen uber Blattemperaturen, Transpiration und Hitzeresistenz an Pflanzen mediterraner Standorte (Costabrava, Spanien). // Flora. 1963. 153. S. 387—425.




Displays: 3761; Downloads: 695;