Forestry Engineering Journal Forestry Engineering Journal Лесотехнический журнал 2222-7962 72806 10.34220/issn.2222-7962/2023.3/3 uqvnze Естественные науки и лес NATURAL SCIENCES AND FOREST Естественные науки и лес Potential difference in trunks of silver birch (Betula pendula Roth): features of relaxation processes at changes in ambient temperature Разность потенциалов в стволах березы повислой (Betula pendula ROTH): особенности процессов релаксации при изменении температуры окружающей среды Матвеев Николай Николаевич Matveev N. N. nmtv@vglta.vrn.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Камалова Нина Сергеевна Kamalova Nina Sergeevna rc@icmail.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-2148-1988 Лисицын Виктор Иванович Lisitsyn Viktor Ivanovich viktor-lisicyn@yandex.ru

кандидат физико-математических наук;кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;candidate of physical and mathematical sciences;

 Евсикова Наталья Юрьевна Evsikova Natal'ya Yur'evna Нгуенг Хоай Тхыонг Nguyen Hoai Thuong

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова Россия Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov Russian Federation Воронежская государственная лесотехническая академия Voronezh State Forestry Engineering Academy Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова RU FSBE Institution of Higher Education Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov RU Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова Россия Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov Russian Federation ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова» Россия ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова» Russian Federation Промышленный университет Хошимина Хошимин Вьетнам Industrial University of Ho Chi Minh City Ho Chi Minh Vietnam 27 12 2023 27 12 2023 13 3 30 40 18 08 2023 13 11 2023 http://lestehjournal.ru/en/journal/2023/no-3-51/potential-difference-trunks-silver-birch-betula-pendula-roth-features

Суточная динамика разности потенциалов, возникающей в древесине ствола березы повислой (Betula pendula ROTH) при перепадах температуры окружающей среды дает возможность моделирования динамики процессов перераспределения ионов солей в порах. Анализ результатов измерений разности потенциалов в древесине ствола модельного дерева показал, что ее динамика носит релаксационный характер и стремится к некоторому стационарному значению. На базе данных натурных измерений разности потенциалов в рамках классической электродинамики построена формализованная модель динамики относительной разности потенциалов, содержащая три параметра. В результате вычислительного эксперимента, использующего оптимизационную процедуру на основе критерия Нэша-Сатклиффа, рассчитаны параметры вызванного изменением температуры окружающей среды релаксационного процесса формирования вдоль ствола березы устойчивой разности потенциалов. Выявлено, что динамическое равновесие потоков перераспределения зарядов определяется факторами стимулирующих и стабилизирующих процессов внутри стволов древесных растений. Показано, что грамотное сочетание результатов мониторинга разности потенциалов в стволах деревьев и вычислительного эксперимента позволит сформировать обширную базу параметров процессов формирования устойчивого динамического равновесия потоков ионов солей в них в зависимости от особенностей произрастания, суточных и сезонных изменений температуры окружающей среды и состава почвы. Исследование изменения состояния деревьев вследствие отклика на воздействие различных факторов окружающей среды дает возможность расширить спектр инструментов для систем прогнозирования возникновения в лесных экосистемах катастрофических ситуаций.

The daily dynamics of the potential difference arising in the wood of the trunk of the hanging birch (Betula pendula Roth) at ambient temperature changes makes it possible to simulate the dynamics of the processes of redistribution of salt ions in the pores. An analysis of the results of measuring the potential difference in the wood of the model tree trunk showed that its dynamics is of a relaxation nature and tends to a certain stationary value. On the basis of the data of full-scale measurements of the potential difference in the framework of classical electrodynamics, a formalized model of the dynamics of the relative potential difference was constructed, containing three parameters. As a result of a computational experiment using an optimization procedure based on the Nash-Sutcliffe criterion, the parameters of the relaxation process of formation of a stable potential difference along the birch trunk caused by a change in the ambient temperature were calculated. It was revealed that the dynamic balance of the charge redistribution flows is determined by the factors of stimulating and stabilizing processes inside the trunks of woody plants. It is shown that a competent combination of the results of monitoring the potential difference in tree trunks and a computational experiment will make it possible to form an extensive database of parameters for the processes of formation of a stable dynamic equilibrium of salt ion fluxes in them, depending on the characteristics of growth, daily and seasonal changes in ambient temperature and soil composition. The study of changes in the state of trees due to the response to the impact of various environmental factors makes it possible to expand the range of tools for predicting the occurrence of catastrophic situations in forest ecosystems.

 разность потенциалов береза повислая Betula pendula Roth флуктуации температуры окружающей среды формализованное моделирование потоки растворов солей potential difference Betula pendula Roth ambient temperature fluctuations formalized modeling salt solution currents исследование проведено в рамках работы по теме «Калибровка цифрового устройства по определению разности потенциалов в стволах деревьев», поддержанной локальным грантом ФГБОУ ВО ВГЛТУ the research was carried out as part of the work on the topic “Calibration of a digital device for determining the potential difference in tree trunks” supported by a local grant from the FSBEI HE VSUFT

Mahalingam, S. Wireless Sensor Based Forest Fire Early Detection with Online Remote Monitoring / S. Mahalingam, M. S. Deep, K. S. Krishna // International Journal of Engineering and Advanced Technology. - 2021. - Vol. 10, Iss. 5. - pp. 143-145. - DOI: https://doi.org/10.35940/ijeat.E2670.0610521. Mahalingam, S. Wireless Sensor Based Forest Fire Early Detection with Online Remote Monitoring / S. Mahalingam, M. S. Deep, K. S. Krishna // International Journal of Engineering and Advanced Technology. - 2021. - Vol. 10, Iss. 5. - pp. 143-145. - DOI: https://doi.org/10.35940/ijeat.E2670.0610521. Мониторинг гидротермического режима почвогрунтов с помощью инструмента Smat-Meter для измерения профилей влажности и температуры почвы / А. В. Базаров, С. А. Кураков, А. С. Базарова, Ю. Б. Башкуев // Метеорология и гидрология. - 2023. - № 3. - С. 129-131. - https://elibrary.ru/item.asp?id=54018972. Monitoring gidrotermicheskogo rezhima pochvogruntov s pomosch'yu instrumenta Smat-Meter dlya izmereniya profiley vlazhnosti i temperatury pochvy / A. V. Bazarov, S. A. Kurakov, A. S. Bazarova, Yu. B. Bashkuev // Meteorologiya i gidrologiya. - 2023. - № 3. - S. 129-131. - https://elibrary.ru/item.asp?id=54018972. Applications of low-cost environmental monitoring systems for fine-scale abiotic measurements in forest ecology / J. B. Cannon, L. T. Warren, G. C. Ohlson, J. K. Hiers, M. Shrestha, C. Mitra, E. M. Hill, S. J. Bradfield, T. W. Ocheltree // Agricultural and Forest Meteorology. - 2022. - Vol. 321. - Art. No. 108973. -https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2022.108973. Applications of low-cost environmental monitoring systems for fine-scale abiotic measurements in forest ecology / J. B. Cannon, L. T. Warren, G. C. Ohlson, J. K. Hiers, M. Shrestha, C. Mitra, E. M. Hill, S. J. Bradfield, T. W. Ocheltree // Agricultural and Forest Meteorology. - 2022. - Vol. 321. - Art. No. 108973. -https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2022.108973. Le, T. S. Application of Remote Sensing in Detecting and Monitoring Water Stress in Forests / T. S. Le, R. Harper, B. Dell // Remote Sensing. - 2023. - Vol. 15, Iss. 13. - Art. No. 3360. - https://doi.org/10.3390/rs15133360. Le, T. S. Application of Remote Sensing in Detecting and Monitoring Water Stress in Forests / T. S. Le, R. Harper, B. Dell // Remote Sensing. - 2023. - Vol. 15, Iss. 13. - Art. No. 3360. - https://doi.org/10.3390/rs15133360. A Review on Early Forest Fire Detection Systems Using Optical Remote Sensing / P. Barmpoutis, P. Papaioannou, K. Dimitropoulos, N. Grammalidis // Sensors. - 2020. - Vol. 20, Iss. 22. - Art. No. 6442. - https://doi.org/10.3390/s20226442. A Review on Early Forest Fire Detection Systems Using Optical Remote Sensing / P. Barmpoutis, P. Papaioannou, K. Dimitropoulos, N. Grammalidis // Sensors. - 2020. - Vol. 20, Iss. 22. - Art. No. 6442. - https://doi.org/10.3390/s20226442. Комплексная оценка состояния лесных генетических резерватов Свердловской области с помощью методов дистанционного и наземного обследования / С. А. Шавнин, В. А. Лебедев, В. А. Галако, В. Э. Власенко // Лесной журнал. - 2017. - № 1. - С. 104-118. - doi: https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2017.1.104. - https://elibrary.ru/item.asp?id=28140796. Kompleksnaya ocenka sostoyaniya lesnyh geneticheskih rezervatov Sverdlovskoy oblasti s pomosch'yu metodov distancionnogo i nazemnogo obsledovaniya / S. A. Shavnin, V. A. Lebedev, V. A. Galako, V. E. Vlasenko // Lesnoy zhurnal. - 2017. - № 1. - S. 104-118. - doi: https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2017.1.104. - https://elibrary.ru/item.asp?id=28140796. Determining fuel moisture thresholds to assess wildfire hazard: A contribution to an operational early warning system / J. P. Argañaraz, M. A. Landi, C. M. Scavuzzo, L. M. Bellis // PLoS One. - 2018. - Vol. 13, Iss. 10. - Art. No. 0204889. - doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0204889. Determining fuel moisture thresholds to assess wildfire hazard: A contribution to an operational early warning system / J. P. Argañaraz, M. A. Landi, C. M. Scavuzzo, L. M. Bellis // PLoS One. - 2018. - Vol. 13, Iss. 10. - Art. No. 0204889. - doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0204889. On the measurement of microclimate / I. M. D. Maclean, J. P. Duffy, S. Haesen, S. Govaert, P. De Frenne, T. Vanneste, J. Lenoir, J. J. Lembrechts, M. W. Rhodes, K. Van Meerbeek // Methods in Ecology and Evolution / - 2021. - Vol.12, Iss. 8. - pp. 1397-1410. - https://doi.org/10.1111/2041-210X.13627. On the measurement of microclimate / I. M. D. Maclean, J. P. Duffy, S. Haesen, S. Govaert, P. De Frenne, T. Vanneste, J. Lenoir, J. J. Lembrechts, M. W. Rhodes, K. Van Meerbeek // Methods in Ecology and Evolution / - 2021. - Vol.12, Iss. 8. - pp. 1397-1410. - https://doi.org/10.1111/2041-210X.13627. Rieder, J. S. Monitoring spatiotemporal soil moisture variability in the unsaturated zone of a mixed forest using electrical resistivity tomography / J. S. Rieder, C. Kneisel // Vadose Zone Journal. - 2023. - Vol. 22, Iss. 3. - Art. No. 20251. - doi: https://doi.org/10.1002/vzj2.20251. Rieder, J. S. Monitoring spatiotemporal soil moisture variability in the unsaturated zone of a mixed forest using electrical resistivity tomography / J. S. Rieder, C. Kneisel // Vadose Zone Journal. - 2023. - Vol. 22, Iss. 3. - Art. No. 20251. - doi: https://doi.org/10.1002/vzj2.20251. Electrical resistivity tomography: patterns in Betula pendula, Fagus sylvatica, Picea abies and Pinus sylvestris / A. Bär, M. Hamacher, A. Ganthaler, A. Losso, S. Mayr // Tree Physiology. - 2019.- Vol. 39, Iss. 7. - pp. 1262-1271. - doi: https://doi.org/10.1093/treephys/tpz052. Electrical resistivity tomography: patterns in Betula pendula, Fagus sylvatica, Picea abies and Pinus sylvestris / A. Bär, M. Hamacher, A. Ganthaler, A. Losso, S. Mayr // Tree Physiology. - 2019.- Vol. 39, Iss. 7. - pp. 1262-1271. - doi: https://doi.org/10.1093/treephys/tpz052. Noninvasive Analysis of Tree Stems by Electrical Resistivity Tomography: Unraveling the Effects of Temperature, Water Status, and Electrode Installation / A. Ganthaler, J. Sailer, A. Bär, A. Losso, S. Mayr // Frontiers in Plant Science. - 2019. - Vol. 10. - Art. No. 1455. - doi: https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01455. Noninvasive Analysis of Tree Stems by Electrical Resistivity Tomography: Unraveling the Effects of Temperature, Water Status, and Electrode Installation / A. Ganthaler, J. Sailer, A. Bär, A. Losso, S. Mayr // Frontiers in Plant Science. - 2019. - Vol. 10. - Art. No. 1455. - doi: https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01455. A Review on Applications of Time-Lapse Electrical Resistivity Tomography Over the Last 30 Years : Perspectives for Mining Waste Monitoring / A. Dimech, L. Zh. Cheng, M. Chouteau, J. Chambers, S. Uhlemann, P. Wilkinson, Ph. Meldrum, B. Mary, G. Fabien-Ouellet, A. Isabelle // Surveys in Geophysics. - 2022. - Vol. 43. - pp. 1699-1759. - DOI: https://doi.org/10.1007/s10712-022-09731-2. A Review on Applications of Time-Lapse Electrical Resistivity Tomography Over the Last 30 Years : Perspectives for Mining Waste Monitoring / A. Dimech, L. Zh. Cheng, M. Chouteau, J. Chambers, S. Uhlemann, P. Wilkinson, Ph. Meldrum, B. Mary, G. Fabien-Ouellet, A. Isabelle // Surveys in Geophysics. - 2022. - Vol. 43. - pp. 1699-1759. - DOI: https://doi.org/10.1007/s10712-022-09731-2. Noninvasive Analysis of Tree Stems by Electrical Resistivity Tomography: Unraveling the Effects of Temperature, Water Status, and Electrode Installation / A. Ganthaler, J. Sailer, A. Bär, A. Losso, S. Mayr // Frontiers in Plant Science. - 2019. - Vol. 10. - Art. No. 01455. - DOI https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01455. Noninvasive Analysis of Tree Stems by Electrical Resistivity Tomography: Unraveling the Effects of Temperature, Water Status, and Electrode Installation / A. Ganthaler, J. Sailer, A. Bär, A. Losso, S. Mayr // Frontiers in Plant Science. - 2019. - Vol. 10. - Art. No. 01455. - DOI https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01455. İçel, B. Kızılçam (Pinus brutia Ten.) popülasyonlarında odun yoğunluğu ve radyal büyüme performansının Shigometer ile belirlenebilme imkanının araştırılması / B. İçel // Türkiye Ormancılık Dergisi. - 2017. - Vol. 18, Iss. 3. - pp. 241-246. - DOI: https://doi.org/10.18182/tjf.359640. İçel, B. Kızılçam (Pinus brutia Ten.) popülasyonlarında odun yoğunluğu ve radyal büyüme performansının Shigometer ile belirlenebilme imkanının araştırılması / B. İçel // Türkiye Ormancılık Dergisi. - 2017. - Vol. 18, Iss. 3. - pp. 241-246. - DOI: https://doi.org/10.18182/tjf.359640. Erazo-Mesa, E. Advances in Hass avocado irrigation scheduling under digital agriculture approach / E. Erazo-Mesa, A. Echeverri-Sánchez, J. G. Ramírez-Gil // Revista Colombiana de Ciencias Hortícolas. - 2022. - Vol. 16, No. 1. - Art. No. 13456. - https://doi.org/10.17584/rcch.2022v16i1.13456. Erazo-Mesa, E. Advances in Hass avocado irrigation scheduling under digital agriculture approach / E. Erazo-Mesa, A. Echeverri-Sánchez, J. G. Ramírez-Gil // Revista Colombiana de Ciencias Hortícolas. - 2022. - Vol. 16, No. 1. - Art. No. 13456. - https://doi.org/10.17584/rcch.2022v16i1.13456. Electrical response of plants to environmental stimuli: A short review and perspectives for meteorological applications / M. V. Randriamandimbisoa, N. A. M. N. Razafindralambo, D. Fakra, D. L. Ravoajanahary, J. C. Gatina, N. Jaffrezic-Renault // Sensors International. - 2020. - Vol. 1. - Art. No. 100053. - https://doi.org/10.1016/j.sintl.2020.100053. Electrical response of plants to environmental stimuli: A short review and perspectives for meteorological applications / M. V. Randriamandimbisoa, N. A. M. N. Razafindralambo, D. Fakra, D. L. Ravoajanahary, J. C. Gatina, N. Jaffrezic-Renault // Sensors International. - 2020. - Vol. 1. - Art. No. 100053. - https://doi.org/10.1016/j.sintl.2020.100053. Матвеев, Н. Н. Поляризационные явления в кристаллизующихся полимерах и биокомпозиционных материалах в неоднородном температурном поле : монография / Н. Н. Матвеев, Н. С. Камалова, Н. Ю. Евсикова; Воронеж. гос. лесотехн. ун-т им. Г.Ф. Морозова. - Воронеж, 2022. - 311 с. - https://elibrary.ru/item.asp?id=48270456. Matveev, N. N. Polyarizacionnye yavleniya v kristallizuyuschihsya polimerah i biokompozicionnyh materialah v neodnorodnom temperaturnom pole : monografiya / N. N. Matveev, N. S. Kamalova, N. Yu. Evsikova; Voronezh. gos. lesotehn. un-t im. G.F. Morozova. - Voronezh, 2022. - 311 s. - https://elibrary.ru/item.asp?id=48270456. The possible mechanism for the water transport in the tree trunks in early spring / N. N. Matveev, A. A. Rychkov, N. S. Kamalova, N. Yu. Evsikova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2019. - Vol. 226. - Art. No. 012047. - doi: https://doi.org/10.1088/1755-1315/226/1/012047. The possible mechanism for the water transport in the tree trunks in early spring / N. N. Matveev, A. A. Rychkov, N. S. Kamalova, N. Yu. Evsikova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2019. - Vol. 226. - Art. No. 012047. - doi: https://doi.org/10.1088/1755-1315/226/1/012047. The mechanism of the appearance of a potential difference in the natural high-molecular heterostructures by natural temperature changes / N. N. Matveev, N. S. Kamalova, N. Yu. Evsikova, Yu. A. Litvinova, L. A. Litvinova // Ferroelectrics. - 2018. - Vol. 536, Iss. 1. - pp. 187-193. - doi: https://doi.org/10.1080/00150193.2018.1497413. The mechanism of the appearance of a potential difference in the natural high-molecular heterostructures by natural temperature changes / N. N. Matveev, N. S. Kamalova, N. Yu. Evsikova, Yu. A. Litvinova, L. A. Litvinova // Ferroelectrics. - 2018. - Vol. 536, Iss. 1. - pp. 187-193. - doi: https://doi.org/10.1080/00150193.2018.1497413. Биоэлектрохимические системы на основе электроактивности растений и микроорганизмов в корнеобитаемой среде (обзор) / Т. Э. Кулешова, А. С. Галушко, Г. Г. Панова, Е. Н. Волкова, W. Apollon, Ch. Shuang, S. Sevda // Сельскохозяйственная биология. - 2022. - Том 57, № 3. - С. 425-440. - doi: https://doi.org/10.15389/agrobiology.2022.3.425rus. - https://elibrary.ru/item.asp?id=49168079. Bioelektrohimicheskie sistemy na osnove elektroaktivnosti rasteniy i mikroorganizmov v korneobitaemoy srede (obzor) / T. E. Kuleshova, A. S. Galushko, G. G. Panova, E. N. Volkova, W. Apollon, Ch. Shuang, S. Sevda // Sel'skohozyaystvennaya biologiya. - 2022. - Tom 57, № 3. - S. 425-440. - doi: https://doi.org/10.15389/agrobiology.2022.3.425rus. - https://elibrary.ru/item.asp?id=49168079. Камалова, Н. С. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019665896. Расчетный комплекс по моделированию отклика древесины стволов древесных растений на перепад температуры окружающей среды : № 2019664997 : заявл. 22.11.2019 : опубл. 02.12.2019 / Н. С. Камалова, В. И. Лисицын, Н. Ю. Евсикова; правообладатель: Воронежский гос. лесотехн. ун-т им. Г. Ф. Морозова. - 2019. - https://elibrary.ru/item.asp?id=41532595. Kamalova, N. S. Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registracii programmy dlya EVM № 2019665896. Raschetnyy kompleks po modelirovaniyu otklika drevesiny stvolov drevesnyh rasteniy na perepad temperatury okruzhayuschey sredy : № 2019664997 : zayavl. 22.11.2019 : opubl. 02.12.2019 / N. S. Kamalova, V. I. Lisicyn, N. Yu. Evsikova; pravoobladatel': Voronezhskiy gos. lesotehn. un-t im. G. F. Morozova. - 2019. - https://elibrary.ru/item.asp?id=41532595. Лисицын, В. И. Моделирование динамики хода роста древостоев на основе термодинамического подхода / В. И. Лисицын, М. В. Драпалюк, Н. Н. Матвеев // Известия вузов. Лесной журнал. - 2022. - № 3. - С. 213-225. - https://doi.org/10.37482/0536-1036-2022-3-213-225. - https://elibrary.ru/item.asp?id=48614799. Lisicyn, V. I. Modelirovanie dinamiki hoda rosta drevostoev na osnove termodinamicheskogo podhoda / V. I. Lisicyn, M. V. Drapalyuk, N. N. Matveev // Izvestiya vuzov. Lesnoy zhurnal. - 2022. - № 3. - S. 213-225. - https://doi.org/10.37482/0536-1036-2022-3-213-225. - https://elibrary.ru/item.asp?id=48614799. Kamalova, N. S. Justification of the device operation principle for measuring the potential difference in tree trunks / N. S. Kamalova, N. Yu. Evsikova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - IOP Publishing Ltd, 2020. - Vol. 595, Iss. 1. - Art. No. 012018. - doi: https://doi.org/10.1088/1755-1315/595/1/012018. Kamalova, N. S. Justification of the device operation principle for measuring the potential difference in tree trunks / N. S. Kamalova, N. Yu. Evsikova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - IOP Publishing Ltd, 2020. - Vol. 595, Iss. 1. - Art. No. 012018. - doi: https://doi.org/10.1088/1755-1315/595/1/012018.