Первоначально разработка методов исследования корней деревьев была подчинена требованиям получения достоверных данных по отдельным фрагментарным аспектам корневых систем.
Конкретный выбор этих аспектов определялся в зависимости от постановки задачи и цели изучения корней, что привело к разработке и применению различных методов и модификаций, дающих зачастую несопоставимые результаты.
Разнообразие используемых приемов, разнородность задачи и целей (иногда наличие принципиальных методических различий) сделали затруднительной классификацию даже самих методов исследования корней.
Всей совокупности методов и методик исследования морфологии корней присущи 2 предопределяющих элемента, по которым можно осуществлять их сравнительную характеристику. Это метод препарирования корневых систем и корней от земли и методики исследования препарированных корней в лабораторных условиях. После полного извлечения из почвы корневой системы дерева должна быть дана ее описательная характеристика, затем определена ее масса и проведены биометрический и анатомический анализы.
Принципиальную систематизацию наиболее известных методических приемов удобно осуществить по методическим группам, объединяющим приемы и методы, однородные по технике препарирования корней и корневых систем.
Метод скелета. Получил свое название от специфики препарирования корней. Он заключается в полной раскопке скелетных корней всей корневой системы или части ее, в зарисовке, замере длин, фотографировании корней, определении их массы.
Метод скелета позволяет определить характер размещения корневой системы, глубину проникновения скелетных корней, ярусность их распределения в почве, получить данные о длине отдельных корней и суммарной длине, определить количество корней.
Метод монолитов. Метод скелета не дает информации о тонких корнях корневой системы. Материалы, характеризующие эту часть корневой системы, можно получить, применяя метод монолитов. Суть метода монолитов заключается в отграничении (вырезе) определенного объема почвы (монолита) с заключенными в нем корнями растений. В таком монолите одновременно могут находиться корни различных древесных пород и трав, разной толщины и всех групп: тонкие (всасывающие), полускелетные, скелетные. Препарируют корни от почвы, отмывая водой. Отмывку проводят послойно, т. е. по горизонтам почвы. Техника отмывки предусматривает использование специальных решет, отличающихся размерами отверстий, с таким расчетом, чтобы на решетах уловить самые тонкие корни. Горизонты могут быть установлены произвольно (например, 0—10,11—20 см и т. д.) или в увязке с генетическими горизонтами почвенного профиля. Основание монолита может иметь форму круга или квадрата. Обычно применяют форму квадрата размером 1,0×1,0 или 0,5×0,5 м. Глубина монолита может соответствовать глубине проникновения корней, однако она может быть и меньшей, если ставится соответствующая задача исследований.
Камеральное изучение корней после их отмывки заключается в отделении корней деревьев различных древесных пород и травянистой растительности по каждому слою. Затем эти корни разделяют по фракциям толщины с выделением фракции тонких корней. По каждой фракции замеряют длину корней, затем определяют их массу в сыром и абсолютно сухом состоянии.
В конечном результате получается комплекс данных, включающих следующие показатели: общее количество по длине и массе корней в данном монолите по каждой древесной породе, присутствующей в данном древостое; количество корней каждой участвующей породы по соответствующим горизонтам почвы; количество (длина, масса) корней различных фракций толщины по горизонтам почвы и по каждой присутствующей в данном древостое древесной породе.
Известно более 30 модификаций метода монолитов, разработанных в период с конца прошлого столетия до современного периода В. Г. Ротмистровым, А. П. Модестовым, Н. А. Качинским, И. Н. Рахтеенко, П. С. Погребняком.
Применение метода монолитов позволило получить ранее неизвестные данные о характере размещения корней деревьев в почвенном пространстве, о соотношении корней деревьев различных древесных пород в соответствующих горизонтах почвы и соотношении корней различных фракций толщины. Тем не менее, существуют объективные недостатки метода монолитов. Первый — неравномерное размещение в почвенном пространстве корневых систем деревьев. Это приводит к значительной вариабельности получаемых данных при закладке серии монолитов, что затрудняет получение статистически достоверных результатов и дает низкий показатель точности. Высокая вариабельность не позволяет получить желаемый показатель достоверности даже при закладке значительного количества монолитов. Обычно закладывают по 3—4 повторности монолита, ограничиваясь средними показателями по данным монолитам.
Второй — монолит закладывают в междурядьях или между деревьями. При этом, как правило, он не включает стержневые корни, поэтому при определении массы корней в целом для данного древостоя получаются заниженные показатели. Существует значительное количество модификаций метода монолита, разработанных в течение длительного периода (с 1899 по 1968 год) Г. Н. Высоцким, А. П. Тольским, В. А. Колесниковым и др. авторами. Наиболее подробная модификация для исследования корневых систем деревьев была разработана И. Н. Рахтеенко и его последователями. Широко применял этот метод П. С. Погребняк, модифицировав его в направлении получения наряду с традиционными характеристиками данных о поверхности тонких корней. Применение специальных буров для взятия монолитов позволяет проводить исследования с большим количеством повторностей, что повышает возможность применения математических методов при анализе данных.
Метод среза (профиля), или траншейный. Этот метод дает относительное представление о размещении корней в почве и интенсивности их присутствия. Первоначально на определенном расстоянии от дерева или группы деревьев выкапывают траншею. Затем зачищают соответствующую стенку траншеи и на ней учитывают выходы корней деревьев по их количеству и диаметру (или площади сечения среза корней). Обычно для этого применяют зарисовку на масштабной бумаге. По количеству выходов корней, площади сечений их срезов на стенке траншеи делают выводы о характере и интенсивности размещения корней в почве. Метод не претендует на получение количественных характеристик корней и корневых систем, однако дает хорошо результаты для сравнительного анализа.
Метод стационар скелета. Предусматривает выращивание корней в специальных ящиках, оранжереях, домиках. Наблюдение ведут через смотровые приспособления без раскопки. Метод позволяет изучать скорость роста корней, направление роста, ветвление, переход корня из первичного строения во вторичное, регенерацию корней, влияние микроклиматических условий на их рост, процессы отмирания корней. Метод стационар скелета известен еще под названием стационара, или стекол. Обычно это дорогостоящий метод, поскольку требует для своего осуществления более или менее стационарных сооружений. Техника его заключается в том, что в специальных корневых домиках (лабораториях) устанавливаются приспособления, имеющие стеклянные (или из другого прозрачного материала) пластины, через которые можно наблюдать за ростом корней. Такие пластины (оконные рамы) могут иметь довольно большие размеры. Применяются рамы размером 101×122 и 107×122 см. Учет изменений в состоянии корней проводят при помощи специальной маркировки стекол или зарисовки положения корней на стенке.
Метод обладает комплексом недостатков, в той или иной мере искажающих результаты. Стеклянные панели неизбежно влияют на изменение естественного направления роста корней. При установке панелей необходима укладка почвы в зоне, контактирующей с плоскостью стекла, что приводит к изменению естественного состояния почвенно-гидрологических условий, корни растут в этой зоне более интенсивно. В процессе роста корни появляются и отходят от стекла, выходя из доступного для наблюдений состояния. При этом сама зона наблюдения ограничена размерами смотровой панели. Все это обусловливает присутствие фактора случайности в возможности фиксации интересующего наблюдателя аспекта роста и состояния корней.
Метод вольного монолита. Метод был разработан В. А. Колесниковым в 1947 г. Теоретическим обоснованием метода является установленное автором сходство ряда принципиальных особенностей в строении всей корневой системы и отдельных ее частей (сеток). Это сходство относится к таким элементам, как средняя длина корня, количество порядков ветвления, динамика роста корней. Эти закономерности (Колесников, 1972), проявляясь в частном, дают ясное и убедительное представление об общем, т. е. данные по исследованию небольшой части корневой системы могут быть перенесены на всю корневую систему дерева. Изучить небольшую часть корневой системы сравнительно легко, что позволяет проводить исследование с большим количеством повторностей. Обычно изучают типичное (среднее) дерево.
Результаты, полученные при помощи различных методов, практически не могут быть сопоставлены. Методы, входящие в одну методическую группу, как правило, обладают принципиальными оригинальными особенностями, в результате чего полученные данные также носят локальный характер (решает частные задачи, характеризуя ту или иную особенность строения корневых систем) и во многом не могут быть обобщены. Принадлежность отдельных модификаций к определенной методической группе не дает основания считать их равноценными в методическом отношении.
Большинство методов отличаются огромной трудоемкостью, что ограничивает объем эксперимента.
Тем не менее, каждый описанный метод может достаточно полно решить частную задачу при определении особенностей и свойств корней деревьев.