Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АНАЛИЗА ВЫНОСА С ЛУГОВОЙ ТРАВОЙ БИОХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Изобретение относится к прибрежным ландшафтам малых рек с естественной лесной и луговой растительностью и может быть использовано при биотехнической и биохимической оценке выноса отдельных видов химических соединений и суммы питательных веществ в зависимости от параметров рельефа сенокосного луга на водосборе малой реки.

Известен способ измерения урожайности травяного покрова [Почвы и первичная биологическая продуктивность пойм рек Центральной России / И.Т.Кузьменко, М.П.Павлова, Р.Т.Богомолова, А.Н.Тюрюканов, Л.А.Шкуренков. М.: Наука, 1977. 152 с., С.106-107], включающий учет колебаний в зависимости от структуры фитоценоза в виде травяного покрова, когда необходимое число повторных измерений сильно колеблется как по отдельным фитоценозам, так и по годам измерений на одних и тех же участках. При этом для лугов, расположенных в прирусловой и центральной пойме, число необходимых повторных измерений при требуемой точности 15% изменялось от 1 до 6, а для лугов, расположенных в притеррасной пойме, - от 1 до 10, что объясняется менее равномерным распределением видов в травостое притеррасных лугов. При требуемой точности 10% количество повторных измерений увеличивается от 2 до 14 для лугов прирусловой и центральной поймы и от 3 до 22 для лугов притеррасной поймы. В целом, данные статистической обработки показали, что принятая для исследования 9-кратная повторность оказалась достаточной в среднем для получения данных с точностью 15%. Однако для получения более точных данных целесообразно увеличивать количество пробных площадок на лугах, расположенных в притеррасье, а также на лугах с неравномерным, мозаичным размещением видов травы в фитоценозе.

Недостатком аналога является явное усреднение не только значений показателя урожайности, но даже и количества необходимых повторений по пробным площадкам. При этом резко возрастает трудоемкость измерений и вместе с тем снова и снова по методу среднего арифметического достигается низкая точность оценки урожайности травы или продуктивности луговой почвы по надземной части травяного покрова. Поэтому авторы этого способа посчитали возможным выбрать аналог вместо прототипа, так как даже при взятии травяных проб до 22 штук для лугов притеррасной поймы реки результат получается один и тот же - по среднеарифметическому значению урожайности травы в сыром и воздушно-сухом состоянии в виде сена.

Известен также способ измерения урожайности травяного покрова по патенту РФ 2388213, включающий учет колебаний урожайности в зависимости от структуры фитоценоза в виде травяного покрова, установление требуемой точности измерений урожайности по испытаниям травы на пробных площадках, проведение статистической обработки данных испытаний проб травы с пробных площадок на прирусловых, центральных и притеррасных поймах, а также на лугах с неравномерным и мозаичным размещением видов трав, причем до закладки пробных площадок проводят рекогносцировку местности с выбранным для измерений травяным покровом, составляют карту-схему расположения компонент травяного покрова, после этого на каждой компоненте травяного покрова закладывают по крайней мере одну временную пробную площадку, по срезанной пробе травы взвешиванием определяют сырую и воздушно-сухую массу пробы.

Недостатком является то, что не проводится биохимический анализ части высушенной пробы травы, даже по результатам дополнительного биохимического анализа высушенных проб травы не при оценке урожайности луговой травы не измеряется вынос отдельных питательных веществ азота, фосфора и калия, и тем более не учитывается вынос суммы веществ вместе с заготовленным сеном. Это, в свою очередь, не дает возможности определить рациональные объемы вносимого удобрения, например, на незатопляемых участках прирусловых, центральных и притеррасных пойм малой реки.

Из-за обмеления малых рек продуктивность лугов, в особенности на участках сенокоса, резко снижается и поэтому актуальным для кормопроизводства становится внесение на сенокосные луга натуральных или искусственных удобрений.

Технический результат - расширение функциональных возможностей прототипа по анализу высушенных проб травы на вынос биохимических веществ по отдельности или суммарно с надземной частью травяного покрова и влияния на этот вынос орографических параметров участка малой реки с пойменным лугом по створам измерений, повышение точности сопоставления выноса с результатами биохимического анализа высушенных проб травы по содержанию питательных веществ в идее азота, фосфора и калия.

Этот технический результат достигается тем, что способ анализа выноса с луговой травой биохимических веществ, включающий учет колебаний урожайности в зависимости от структуры фитоценоза в виде травяного покрова, проведение статистической обработки данных испытаний проб травы с пробных площадок на прирусловых, центральных и притеррасных поймах, а также на лугах с неравномерным и мозаичным размещением видов трав, причем до закладки пробных площадок проводят рекогносцировку местности с выбранным для измерений травяным покровом, составляют карту-схему расположения компонент травяного покрова, после этого на каждой компоненте травяного покрова в виде делянки закладывают, по крайней мере, одну временную пробную площадку, по срезанной пробе травы взвешиванием определяют сырую и воздушно-сухую массу пробы, отличается тем, что дополнительно на высушенных пробах травы проводят испытания по биохимическому анализу для определения концентрации, по крайней мере, у трех химических питательных веществ в виде азота подвижного, оксидов калия и фосфора, затем суммированием концентраций этих трех веществ вычисляют общий и удельный суммарный вынос веществ из надземной части травы на всех пробных площадках, после этого суммарный вынос по всем пробным площадкам сопоставляют статистическим моделированием, идентификацией устойчивых закономерностей, с учетом колебаний части суммарного выноса со значениями параметров рельефа и массой пробы травы после ее срезания и сушки, а также с массой влаги в срезанной пробе травы, причем дополнительно, при размере пробной площади, не равном квадратному метру, удельный суммарный вынос сопоставляют также моделированием с удельной массой травы, сена и влаги в траве, затем для определения требуемого количества удобрений площадь компоненты мозаичного луга в виде делянки перемножают на значения удельной массы сырой травы, сена и влаги в сырой траве, а также перемножают на концентрацию каждого вещества и удельного суммарного выноса питательных веществ, после этого по всем делянкам определяют совокупный суммарный вынос питательных веществ с выбранного для измерений травяного покрова.

По разности между сырой и воздушно-сухой массой пробы травы определяют массу влаги в сырой пробе травы.

Высшую адекватность имеет влияние удельной массы сена на удельный суммарный вынос питательных веществ вместе с пробой травы, при этом интенсивность экспоненциального роста указывает на то, что с ростом урожайности травяного покрова по сену вынос веществ происходит с ускорением, поэтому для увеличения продуктивности почвы требуется вносить удобрения в количестве, равном количеству совокупного суммарного выноса по всем делянкам выбранного для измерений травяного покрова, а для ориентировочного подсчета потребного количества удобрений, исходя из принципа инвариантности луговой травы к разным условиям рельефа и температурно-влажностного режима места произрастания, применяют детерминированную модель с числовыми параметрами по закону экспоненциального роста по формуле:

,

где СВ - удельный суммарный вынос питательных веществ, мг/г,

m_c - удельная масса травы воздушно-сухого состояния (сена), г/м²,

а при отличающихся от примера в описании условиях произрастания и рельефа проводят новые измерения и испытания.

Существует оптимальная высота центра пробной площадки над урезом воды в летнюю межень, которая в среднем, по принципу инвариантности физиологических процессов в травяных растениях, для сходных условий произрастания меняется для участков малой реки в интервале от 1,5 до 1,9 м, получая максимум суммы выносимых вместе сеном веществ на 1,7 м.

Для ориентировочной оценки удельного суммарного выноса трех химических соединений на произвольной пробной площадке с известной по новым измерениям высотой над урезом воды малой реки применяют трехчленную формулу вида

СВ=СВ₁+СВ₂+СВ₃,

СВ₁=11,74569ехр(-1,84440H),

CB₂=1290,3058H^19,59257exp(-8,58154L^1,14723),

CB₃=Acos(πH/p+4,38519),

A=6,18672·10^-5H^170,91139ехр(-25,59577H^2,10390),

р=0,15706+0,0048586H^0,70547,

где СВ - удельная сумма веществ, выносимых вместе с сеном, мг/г,

CB₁ - первая составляющая, показывающая закон экспоненциального спада концентрации питательных веществ в пробе травы, в связи с повышением уровня пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки в летнюю межень, мг/г,

CB₂ - вторая составляющая, показывающая стрессовое детерминированное возбуждение травяного покрова на изменение высоты над рекой, преимущественно в пределах интервала высоты 1,5-2,0 м, мг/г,

CB₃ - волновая составляющая, показывающая способность колебательной адаптации травяного покрова к внешним условиям произрастания в зависимости от высоты расположения пробной площадки над урезом поверхности воды малой реки, мг/г,

А - амплитуда (половина) колебательного возмущения травяного покрова по содержанию суммы питательных веществ, при адаптации к режиму влагообеспечения на разных высотах от уровня малой реки, мг/г,

р - период (половина) колебательного возмущения со снижающейся частотой колебания при росте высоты расположения пробной площадки над поверхностью малой реки, м,

H - измеренная высота расположения центра пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки, м.

Влияние расстояния вдоль створов реки закономерное и максимум удельного суммарного выноса химических веществ находится ближе к противоположному от населенного пункта берегу малой реки, при этом влияние расстояния вдоль створов измерений малой реки на удельный суммарный вынос трех химических соединений ориентировочно определяется по формуле:

СВ=2,46935ехр(0,0010690L)+1,42950·10^-8L^7,39692exp(-0,13799L^1,09483),

где СВ - удельная сумма веществ, выносимых вместе с сеном, мг/г,

L - расстояние вдоль створов наблюдений от центра самой крайней с лева по ходу течения реки пробной площадки, м.

Влияние удельной сырой массы пробы травы на удельный суммарный вынос трех химических соединений ориентировочно определяется по формуле:

СВ=СВ₁+СВ₂,

СВ₁=9157385exp(-0,0035037m),

СВ₂=Acos(πm/p+3,63744),

А=-9,64899·10^-8m^2,72110,

р=131,6099-0,0094112m^1,24710,

где СВ - удельная сумма веществ, выносимых вместе с сеном, мг/г,

CB₁ - первая составляющая, показывающая закон экспоненциального спада концентрации питательных веществ в траве, в связи с повышением удельной массы пробы, мг/г,

СВ₂ - волновая составляющая, показывающая способность колебательной адаптации травяного покрова к внешним условиям произрастания в зависимости от возрастаний удельной массы пробы, мг/г,

А - амплитуда (половина) кризисного колебательного возмущения травяного покрова по содержанию суммы питательных веществ, при адаптации к росту удельной массы пробы, мг/г,

р - период (половина) колебательного возмущения с повышающейся частотой колебания при росте удельной массы пробы травы, г/м².

Влияние удельной массы влаги в пробе сырой травы на удельный суммарный вынос трех химических соединений ориентировочно определяется по формуле:

CB=CB₁+CB₂,

CB₁=2,88302exp(-0,00025836m_в0),

СВ₂=Acos(πm/р+5,12364),

,

.

где СВ - удельная сумма веществ, выносимых вместе с сеном, мг/г,

CB₁ - первая составляющая, показывающая закон экспоненциального спада концентрации питательных веществ в траве, в связи с повышением удельной массы влаги в свежесрезанной пробе травы, мг/г,

CB₂ - волновая составляющая, показывающая способность колебательной адаптации травяного покрова к внешним условиям произрастания в зависимости от роста удельной массы влаги в растущей траве, мг/г,

А - амплитуда (половина) адаптивного колебательного возмущения травяного покрова по содержанию суммы питательных веществ, при адаптации по показательному закону к росту удельной массы влаги в свежесрезанной пробе травы, мг/г,

p - период (половина) колебательного возмущения травы с успокоением по снижающейся частоте колебания при росте удельной массы влаги, содержащейся в свежесрезанной пробе травы, г/м².

Влияние расстояния вдоль течения реки по трем створам дает только местное изменение, поэтому нужно проводить измерения по большему множеству створов, причем хотя бы по одному створу и по одной пробной площадке в нем нужно закладывать на характерных местах рельефа в виде впадин и ложбин, бугров и холмиков на прирусловых, центральных и притеррасных поймах по всей длине или ее части вдоль малой реки или ее притока.

Из-за обмеления малых рек продуктивность лугов, в особенности на участках сенокоса, резко снижается и поэтому актуальным для кормопроизводства становится внесение на сенокосные луга органических или искусственных удобрений по вычисленным количествам вносимого удобрения, причем для снижения смыва удобрения вносят сразу же после сенокоса преимущественно на незатопляемых участках прирусловых, центральных и притеррасных пойм малой реки.

Сущность технического решения заключается в том, что дополнительно к прототипу на высушенных пробах травы проводят испытания по биохимическому анализу для определения концентрации, по крайней мере, у трех химических питательных веществ в виде азота подвижного, оксидов калия и фосфора, затем суммированием этих трех веществ вычисляют удельный суммарный вынос веществ из пробной площадки, а этот суммарный вынос сопоставляют моделированием со значениями параметров рельефа и массой пробы после ее срезания и сушки, а также с массой влаги в срезанной пробе.

Сущность технического решения заключается в том, что высшую адекватность имеет влияние удельной массы сена на удельный суммарный вынос питательных веществ из почвы, при этом интенсивность экспоненциального роста указывает на то, что с ростом урожайности травяного покрова по сену вынос веществ происходит с ускорением. Для роста продуктивности почвы требуется вносить удобрения. По вышеприведенным формулам можно подсчитать потребное количество удобрений.

Сущность технического решения заключается также в том, что существует оптимальная высота центра пробной площадки над урезом воды в летнюю межень, и она меняется для исследованного участка малой реки в интервале от 1,5 до 1,9 м, получая максимум суммы выносимых вместе сеном веществ на 1,7 м.

Сущность технического решения заключается также в том, что влияние расстояния вдоль створов реки закономерное и максимум удельной массы веществ находится ближе к противоположному от населенного пункта берегу малой реки.

Сущность технического решения заключается также и в том, что влияние расстояния вдоль течения реки по трем створам дает только местное изменение, поэтому нужно проводить измерения по большому множеству створов, причем хотя бы по одному створу и по одной пробной площадке в нем нужно закладывать на характерных местах на прирусловых, центральных и притеррасных поймах по всей длине малой реки или ее притока.

Положительный эффект достигается тем, что сопоставление результатов биохимического анализа высушенных проб травы по суммарному выносу с измеренными параметрами рельефа позволяет выявлять пространственную картину распределения количества питательных веществ в сумме по компонентам мозаичного луга. А сопоставление удельного суммарного выноса с удельной массой сырой и сухой пробы, а также с удельной влагой в сырой пробе позволяет оценивать влияние физиологических состояний травяного покрова по накоплению питательных веществ. В обоих случаях появляется возможность научного обоснования потребности в минеральных или органических удобрениях, причем по каждому компоненту мозаичного луга. Практически это позволяет ежегодно, после проведения сенокоса, вносить расчетные дозы удобрений по компонентам в виде делянок луга.

Новизна технического решения заключается в том, что впервые получены фундаментальные закономерности изменения суммы питательных веществ в зависимости от параметров рельефа участка малой реки или ее притока, а также физиологические закономерности между суммарным выносом питательных веществ и сырой травой, а также компонентами сырой травы в виде сена и влаги в сырой траве.

Предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и значительным положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну технического решения, нами не обнаружено.

На фиг.1 приведена схема расположения первых шести пробных площадок размерами 1,00×1,00 м на первом створе измерений на участке малой реки Ировка (приречная полоса показана между двумя пунктирными линиями); на фиг.2 - то же на фиг.1 на втором створе измерений; на фиг.3 - то же на фиг.1 на третьем створе измерений; на фиг.4 показан график содержания суммы веществ в пробах травы вдоль трех створов реки Ировка по 18 пробным площадкам; на фиг.5 дан график содержания суммы веществ в пробах от высоты площадок над водой реки Ировка; на фиг.6 - то же на фиг.5 содержания суммы веществ в пробах от высоты площадок над водой реки Ировка по биотехнической закономерности с волновой составляющей; на фиг.7 показан график изменения содержания суммы веществ в пробах в зависимости от удельной массы сырой травы по биотехнической закономерности с кризисной волновой составляющей; на фиг.8 дан график содержания суммы веществ в пробах в зависимости от удельной массы сухой травы; на фиг.9 приведен график содержания суммы веществ в пробах в зависимости от удельной массы влаги в сырой траве; на фиг.10 показан график удельного выноса суммы веществ с сеном во всех 18 пробах луговой травы в зависимости от удельной массы сырой пробы; на фиг.11 - то же на фиг.11 от удельной массы сена; на фиг.12 - то же на фиг.10 от удельной массы влаги в траве.

Способ анализа выноса с луговой травой биохимических веществ содержит следующие действия.

Дополнительно на высушенных пробах травы проводят испытания по биохимическому анализу для определения концентрации, по крайней мере, у трех химических питательных веществ в виде азота подвижного, оксидов калия и фосфора. Затем суммированием концентраций этих трех веществ вычисляют общий и удельный суммарный вынос веществ из надземной части травы на всех пробных площадках. После этого суммарный вынос по всем пробным площадкам сопоставляют статистическим моделированием, идентификацией устойчивых закономерностей, с учетом колебаний части суммарного выноса со значениями параметров рельефа и массой пробы травы после ее срезания и сушки, а также с массой влаги в срезанной пробе травы.

Причем дополнительно, при размере пробной площади, не равном квадратному метру, удельный суммарный вынос сопоставляют также моделированием с удельной массой травы, сена и влаги в траве. Затем для определения требуемого количества удобрений площадь компоненты мозаичного луга в виде делянки перемножают на значения удельной массы сырой травы, сена и влаги в сырой траве, а также перемножают на концентрацию каждого вещества и удельного суммарного выноса питательных веществ. После этого по всем делянкам определяют совокупный суммарный вынос питательных веществ с выбранного для измерений травяного покрова.

По разности между сырой и воздушно-сухой массой пробы травы определяют массу влаги в сырой пробе травы.

Высшую адекватность имеет влияние удельной массы сена на удельный суммарный вынос питательных веществ вместе с пробой травы, при этом интенсивность экспоненциального роста указывает на то, что с ростом урожайности травяного покрова по сену вынос веществ происходит с ускорением, поэтому для увеличения продуктивности почвы требуется вносить удобрения в количестве, равном количеству совокупного суммарного выноса по всем делянкам выбранного для измерений травяного покрова, а для ориентировочного подсчета потребного количества удобрений, исходя из принципа инвариантности луговой травы к разным условиям рельефа и температурно-влажностного режима места произрастания, применяют детерминированную модель с числовыми параметрами по закону экспоненциального роста по формуле:

,

где СВ - удельный суммарный вынос питательных веществ, мг/г,

m_c - удельная масса травы воздушно-сухого состояния (сена), г/м²,

а при отличающихся от примера в описании условиях произрастания и рельефа проводят новые измерения и испытания.

Существует оптимальная высота центра пробной площадки над урезом воды в летнюю межень, которая в среднем, по принципу инвариантности физиологических процессов в травяных растениях, для сходных условий произрастания меняется для участков малой реки в интервале от 1,5 до 1,9 м, получая максимум суммы выносимых вместе сеном веществ на 1,7 м.

Для ориентировочной оценки удельного суммарного выноса трех химических соединений на произвольной пробной площадке с известной по новым измерениям высотой над урезом воды малой реки применяют трехчленную формулу вида

СВ=СВ₁+СВ₂+СВ₃,

CB₁=11,74569ехр(-1,84440H),

CB₂=1290,3058H^19,59257exp(-8,58154L^1,14723),

CB₃=Acos(πH/p+4,38519),

А=6,18672·10^-5H^170,91139ехр(-25,59577H^2,10390),

p=0,15706+0,0048586H^0,70547,

где СВ - удельная сумма веществ, выносимых вместе с сеном, мг/г,

CB₁ - первая составляющая, показывающая закон экспоненциального спада концентрации питательных веществ в пробе травы, в связи с повышением уровня пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки в летнюю межень,

мг/г,

CB₂ - вторая составляющая, показывающая стрессовое детерминированное возбуждение травяного покрова на изменение высоты над рекой, преимущественно в пределах интервала высоты 1,5-2,0 м, мг/г,

CB₃ - волновая составляющая, показывающая способность колебательной адаптации травяного покрова к внешним условиям произрастания в зависимости от высоты расположения пробной площадки над урезом поверхности воды малой реки, мг/г,

А - амплитуда (половина) колебательного возмущения травяного покрова по содержанию суммы питательных веществ, при адаптации к режиму влагообеспечения на разных высотах от уровня малой реки, мг/г,

p - период (половина) колебательного возмущения со снижающейся частотой колебания при росте высоты расположения пробной площадки над поверхностью малой реки, м,

Н - измеренная высота расположения центра пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки, м.

Влияние расстояния вдоль створов реки закономерное и максимум удельного суммарного выноса химических веществ находится ближе к противоположному от населенного пункта берегу малой реки, при этом влияние расстояния вдоль створов измерений малой реки на удельный суммарный вынос трех химических соединений ориентировочно определяется по формуле:

СВ=2,46935ехр(0,0010690L)+1,42950·10^-8L^7,39692exp(-0,13799L^1,09483),

где СВ - удельная сумма веществ, выносимых вместе с сеном, мг/г,

L - расстояние вдоль створов наблюдений от центра самой крайней с лева по ходу течения реки пробной площадки, м.

Влияние удельной сырой массы пробы травы на удельный суммарный вынос трех химических соединений ориентировочно определяется по формуле:

СВ=СВ₁+СВ₂,

СВ₁=9157385ехр(-0,0035037m),

СВ₂=Acos(πm/p+3,63744),

A=-9,64899·10^-8m^2,72110,

p=131,6099-0,0094112m^1,24710,

где СВ - удельная сумма веществ, выносимых вместе с сеном, мг/г,

CB₁ - первая составляющая, показывающая закон экспоненциального спада концентрации питательных веществ в траве, в связи с повышением удельной массы пробы, мг/г,

СВ₂ - волновая составляющая, показывающая способность колебательной адаптации травяного покрова к внешним условиям произрастания в зависимости от возрастаний удельной массы пробы, мг/г,

А - амплитуда (половина) кризисного колебательного возмущения травяного покрова по содержанию суммы питательных веществ, при адаптации к росту удельной массы пробы, мг/г,

p - период (половина) колебательного возмущения с повышающейся частотой колебания при росте удельной массы пробы травы, г/м.

Влияние удельной массы влаги в пробе сырой травы на удельный суммарный вынос трех химических соединений ориентировочно определяется по формуле:

СВ=СВ₁+СВ₂,

CB₁=2,88302exp(-0,00025836m_в0),

CB₂=Acos(πm_в0/p+5,12364),

,

.

где СВ - удельная сумма веществ, выносимых вместе с сеном, мг/г,

СВ₁ - первая составляющая, показывающая закон экспоненциального спада концентрации питательных веществ в траве, в связи с повышением удельной массы влаги в свежесрезанной пробе травы, мг/г,

СВ₂ - волновая составляющая, показывающая способность колебательной адаптации травяного покрова к внешним условиям произрастания в зависимости от роста удельной массы влаги в растущей траве, мг/г,

А - амплитуда (половина) адаптивного колебательного возмущения травяного покрова по содержанию суммы питательных веществ, при адаптации по показательному закону к росту удельной массы влаги в свежесрезанной пробе травы, мг/г,

p - период (половина) колебательного возмущения травы с успокоением по снижающейся частоте колебания при росте удельной массы влаги, содержащейся в свежесрезанной пробе травы, г/м².

Влияние расстояния вдоль течения реки по трем створам дает только местное изменение, поэтому нужно проводить измерения по большему множеству створов, причем хотя бы по одному створу и по одной пробной площадке в нем нужно закладывать на характерных местах рельефа в виде впадин и ложбин, бугров и холмиков на прирусловых, центральных и притеррасных поймах по всей длине или ее части вдоль малой реки или ее притока.

Из-за обмеления малых рек продуктивность лугов, в особенности на участках сенокоса, резко снижается и поэтому актуальным для кормопроизводства становится внесение на сенокосные луга органических или искусственных удобрений по вычисленным количествам вносимого удобрения, причем для снижения смыва удобрения вносят сразу же после сенокоса преимущественно на незатопляемых участках прирусловых, центральных и притеррасных пойм малой реки.

Способ анализа выноса с луговой травой биохимических веществ, например, на пойменном лугу в охранной зоне малой реки выполняется следующими действиями.

Вначале визуально или по карте изучают травяной покров на пойменном лугу и отмечают его расположение относительно речки и других природных, природно-антропогенных и антропогенных объектов. Затем на лугу размечают места взятия проб травы. А для травяного покрова на территории луга намечают по створам реки, располагаемым в характерных местах вдоль течения реки, места с пробными площадками.

После разметки измеряют расстояния от принятого начала координат на одной стороне малой реки или ее притока до центров пробных площадок, кроме этого измеряют высоту расположения центра каждой пробной площадки от поверхности малой реки или ее притока.

Визуально по карте или натурно выделяют участок пойменного луга с испытуемым травяным покровом до проведения сенокоса.

По течению малой реки или ее притока за естественные характерные места принимают излучины и другие формы руслообразования малой реки или ее притока.

На изучаемом пойменном лугу размечают не менее трех створов измерений в поперечном направлении с расстояниями между ними по течению малой реки или ее притока не более 100-кратной ширины зеркала воды в летнюю межень, а пробные площадки располагают на промежутках не менее чем 10 м между собой и от кромки зеркала воды прибрежных пробных площадок. Вдоль каждого створа измерений размечают не менее трех пробных площадок с каждой стороны малой реки или ее притока, причем нумерацию пробных площадок проводят от левого берега к правому при нахождении наблюдателя лицом по течению малой реки или ее притока.

После разметки пробных площадок измеряют расстояния от принятого начала координат на одной стороне малой реки или ее притока до центров пробных площадок, при этом начало координат на всех гидрометрических створах от левой кромки зеркала воды примерно в летнюю межень устанавливают примерно на одинаковом расстоянии, например 40-50 метров и более с точностью 0,1 м.

Высоту расположения центра каждой пробной площадки от поверхности малой реки или ее притока измеряют с помощью геодезических приборов с точностью до одного сантиметра, причем измерения этого параметра рельефа в другие сезоны года выполняют по постоянным реперным меткам.

До срезания надземной части травы отмечают контуры каждой пробной площадки размером 1,00×1,00 м на месте взятия пробы травяных растений, например, с шаблоном или натянутым между ними шнуром по сторонам пробной площадки, ориентированным вдоль течения малой реки. При этом такой размер пробной площадки приводит к равенству значений параметров проб с удельными их значениями показателей. В ином случае, при других размерах пробных площадок, для определения удельных показателей значения измеренных параметров у проб травы нужно будет поделить на площадь пробной площадки. Кроме того, площадь пробной площадки в один квадратный метр позволяет применять переносные бытовые весы с ценой деления 5 грамм или с погрешностью измерений ±2,5 грамм.

Дополнительно на высушенных пробах травы проводят испытания по биохимическому анализу для определения концентрации, по крайней мере, у трех химических питательных веществ в виде азота подвижного, оксидов калия и фосфора. Затем суммированием концентраций этих трех веществ вычисляют общий и удельный суммарный вынос веществ из надземной части травы на всех пробных площадках. После этого суммарный вынос по всем пробным площадкам сопоставляют статистическим моделированием, идентификацией устойчивых закономерностей, с учетом колебаний части суммарного выноса со значениями параметров рельефа и массой пробы травы после ее срезания и сушки, а также с массой влаги в срезанной пробе травы.

Причем дополнительно, при размере пробной площади, не равном квадратному метру, удельный суммарный вынос сопоставляют также моделированием с удельной массой травы, сена и влаги в траве. Затем для определения требуемого количества удобрений площадь компоненты мозаичного луга в виде делянки перемножают на значения удельной массы сырой травы, сена и влаги в сырой траве, а также перемножают на концентрацию каждого вещества и удельного суммарного выноса питательных веществ. После этого по всем делянкам определяют совокупный суммарный вынос питательных веществ с выбранного для измерений травяного покрова.

По разности между сырой и воздушно-сухой массой пробы травы определяют массу влаги в сырой пробе травы.

Высшую адекватность имеет влияние удельной массы сена на удельный суммарный вынос питательных веществ вместе с пробой травы, при этом интенсивность экспоненциального роста указывает на то, что с ростом урожайности травяного покрова по сену вынос веществ происходит с ускорением, поэтому для увеличения продуктивности почвы требуется вносить удобрения в количестве, равном количеству совокупного суммарного выноса по всем делянкам выбранного для измерений травяного покрова, а для ориентировочного подсчета потребного количества удобрений, исходя из принципа инвариантности луговой травы к разным условиям рельефа и температурно-влажностного режима места произрастания, применяют детерминированную модель с числовыми параметрами по закону экспоненциального роста по формуле:

,

где СВ - удельный суммарный вынос питательных веществ, мг/г,

m_c - удельная масса травы воздушно-сухого состояния (сена), г/м²,

а при отличающихся от примера в описании условиях произрастания и рельефа проводят новые измерения и испытания.

Существует оптимальная высота центра пробной площадки над урезом воды в летнюю межень, которая в среднем, по принципу инвариантности физиологических процессов в травяных растениях, для сходных условий произрастания меняется для участков малой реки в интервале от 1,5 до 1,9 м, получая максимум суммы выносимых вместе сеном веществ на 1,7 м.

Для ориентировочной оценки удельного суммарного выноса трех химических соединений на произвольной пробной площадке с известной по новым измерениям высотой над урезом воды малой реки применяют трехчленную формулу вида

СВ=CB₁+СВ₂+CB₃,

CB₁=11,74569ехр(-1,84440H),

СВ₂=1290,3058H^19,59257exp(-8,58154L^1,14723),

CB₃=Acos(πH/p+4,38519),

А=6,18672·10^-5H^170,91139ехр(-25,59577H^2,10390),

р=0,15706+0,0048586H^0,70547,

где СВ - удельная сумма веществ, выносимых вместе с сеном, мг/г,

CB₁ - первая составляющая, показывающая закон экспоненциального спада концентрации питательных веществ в пробе травы, в связи с повышением уровня пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки в летнюю межень, мг/г,

СВ₂ - вторая составляющая, показывающая стрессовое детерминированное возбуждение травяного покрова на изменение высоты над рекой, преимущественно в пределах интервала высоты 1,5-2,0 м, мг/г,

CB₃ - волновая составляющая, показывающая способность колебательной адаптации травяного покрова к внешним условиям произрастания в зависимости от высоты расположения пробной площадки над урезом поверхности воды малой реки, мг/г,

А - амплитуда (половина) колебательного возмущения травяного покрова по содержанию суммы питательных веществ, при адаптации к режиму влагообеспечения на разных высотах от уровня малой реки, мг/г,

p - период (половина) колебательного возмущения со снижающейся частотой колебания при росте высоты расположения пробной площадки над поверхностью малой реки, м,

H - измеренная высота расположения центра пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки, м.

Влияние расстояния вдоль створов реки закономерное и максимум удельного суммарного выноса химических веществ находится ближе к противоположному от населенного пункта берегу малой реки, при этом влияние расстояния вдоль створов измерений малой реки на удельный суммарный вынос трех химических соединений ориентировочно определяется по формуле:

СВ=2,46935exp(0,0010690L)+1,42950·10^-8L^7,39692exp(-0,13799L^1,09483),

где СВ - удельная сумма веществ, выносимых вместе с сеном, мг/г,

L - расстояние вдоль створов наблюдений от центра самой крайней с лева по ходу течения реки пробной площадки, м.

Влияние удельной сырой массы пробы травы на удельный суммарный вынос трех химических соединений ориентировочно определяется по формуле:

СВ=СВ₁+СВ₂,

CB₁=9157385exp(-0,0035037m),

CB₂=Acos(πm/p+3,63744),

А=-9,64899·10^-8m^2,72110,

р=131,6099-0,0094112m^1,24710,

где СВ - удельная сумма веществ, выносимых вместе с сеном, мг/г,

CB₁ - первая составляющая, показывающая закон экспоненциального спада концентрации питательных веществ в траве, в связи с повышением удельной массы пробы,

мг/г,

СВ₂ - волновая составляющая, показывающая способность колебательной адаптации травяного покрова к внешним условиям произрастания в зависимости от возрастаний удельной массы пробы, мг/г,

А - амплитуда (половина) кризисного колебательного возмущения травяного покрова по содержанию суммы питательных веществ, при адаптации к росту удельной массы пробы, мг/г,

p - период (половина) колебательного возмущения с повышающейся частотой колебания при росте удельной массы пробы травы, г/м².

Влияние удельной массы влаги в пробе сырой травы на удельный суммарный вынос трех химических соединений ориентировочно определяется по формуле:

СВ=СВ₁+СВ₂,

CB₁=2,88302exp(-0,00025836m_в0),

СВ₂=Acos(πm_в0/p+5,12364),

,

,

где СВ - удельная сумма веществ, выносимых вместе с сеном, мг/г,

CB₁ - первая составляющая, показывающая закон экспоненциального спада концентрации питательных веществ в траве, в связи с повышением удельной массы влаги в свежесрезанной пробе травы, мг/г,

СВ₂ - волновая составляющая, показывающая способность колебательной адаптации травяного покрова к внешним условиям произрастания в зависимости от роста удельной массы влаги в растущей траве, мг/г,

А - амплитуда (половина) адаптивного колебательного возмущения травяного покрова по содержанию суммы питательных веществ, при адаптации по показательному закону к росту удельной массы влаги в свежесрезанной пробе травы, мг/г,

p - период (половина) колебательного возмущения травы с успокоением по снижающейся частоте колебания при росте удельной массы влаги, содержащейся в свежесрезанной пробе травы, г/м².

Влияние расстояния вдоль течения реки по трем створам дает только местное изменение, поэтому нужно проводить измерения по большему множеству створов, причем хотя бы по одному створу и по одной пробной площадке в нем нужно закладывать на характерных местах рельефа в виде впадин и ложбин, бугров и холмиков на прирусловых, центральных и притеррасных поймах по всей длине или ее части вдоль малой реки или ее притока.

Из-за обмеления малых рек продуктивность лугов, в особенности на участках сенокоса, резко снижается и поэтому актуальным для кормопроизводства становится внесение на сенокосные луга органических или искусственных удобрений по вычисленным количествам вносимого удобрения, причем для снижения смыва удобрения вносят сразу же после сенокоса преимущественно на незатопляемых участках прирусловых, центральных и притеррасных пойм малой реки.

Пример. Река Ировка впадает в Илеть, которая затем вливается в Волгу, и находится на территории Параньгинского района Республики Марий Эл. Объект исследования расположен на территории Илетьского возвышенно-равнинного южнотаежного района с развитием современного карста. Этот географический район расположен целиком в бассейне реки Илеть.

Рельеф территории отличается сложностью. Глубина эрозионного расчленения составляет 125-160 м, местами возрастает до 175 м. Густота овражно-балочной сети колеблется в пределах 100-1300 м/км². Общая длина реки Ировка составляет 61,6 км, суммарная длина ее с притоками и ручьями - 140,3 км. Коэффициент извилистости речной сети равен 140,3/61,6=2,278. Водосборная площадь реки Ировка равна 918 км² и состоит в основном из сельскохозяйственных угодий. Долина реки Ировка неясно выраженного типа. Русло реки извилистое, берега обрывистые.

Пойма реки используется для выпаса скота и сенокошения.

По обоим берегам реки Ировка были заложены три створа: до, в черте и за деревней. Три створа измерений показаны на фигурах 1, 2 и 3. На них также показана пунктиром разделение участка луга площадью в 10 га на три прибрежные полосы: левобережье, приречье и правобережье.

Тогда всего на трех створах с тремя полосами образуется девять характерных мозаичных зон по две пробные площадки в каждой из них. При этом делянки относительно всех 18 пробных площадок учитывались без криволинейных границ.

Всего были заложены 18 пробных площадок 1,0×1,0 м с 18 делянками (табл.1) и до сенокоса с них срезалась трава, а затем пробы высушивались в естественных условиях. Осенью проводили биохимический анализ высушенных проб луговой травы.

Для измерений параметрами рельефа становятся расстояние L (м) от левого края трех створов и высота H (м) от уреза воды в летнюю межень.

Способы измерения, испытания и анализа влияния параметров рельефа на участке малой реки на биофизические показатели проб луговой травы защищены патентами 2380890, 2380891, 2484048, 2388213, 2389015, 2392617.

Модели суммы выносимых веществ от влияющих факторов

В таблице 2 приведены исходные данные для статистического моделирования, полученные способами биофизического и биохимического анализа.

Ученые не пришли еще к единому мнению относительно показателя «сумма питательных химических веществ». Поэтому этот показатель рассмотрим отдельно и дадим для трех основных веществ формулу

Поэтому искать связи суммы веществ СВ в зависимости от отдельных химических соединений не нужно. Тогда существуют с различной адекватностью по коэффициенту корреляции пять бинарных отношений.

Рассмотрим отдельно каждую из них.

Влияние расстояния вдоль створов реки. После структурно-параметрической идентификации была получена (фиг.4) формула вида

Волновая составляющая не получается из-за пары противоположно направленных точек при одном значении L.

Эта двухчленная формула (2) ранее была признана обобщенной по своей конструкции. Из фиг.4 видно, что максимум удельной массы веществ находится ближе к левому берегу реки.

Высота пробной площадки над урезом водной поверхности реки влияет на содержание суммы веществ (фиг.5) по формуле аналогично

Существует оптимальная высота центра пробной площадки над урезом воды в летнюю межень. Она меняется для исследованного участка малой реки в интервале от 1,5 до 1,9 м, получая максимум суммы веществ на 1,7 м.

Этот показатель позволил получить волновую составляющую. Поэтому на фиг.6 показан график трехчленной формулы вида

CB₁=11,74569ехр(-1,84440H),

CB₂=1290,3058H^19,59257exp(-8,58154L^1,14723),

CB₃=Acos(πH/p+4,38519),

А=6,18672·10^-5H^170,91139ехр(-25,59577H^2,10390).

р=0,15706+0,0048586H^0,70547,

где СВ - сумма веществ, выносимых вместе с сеном, мг/г,

CB₁ - первая составляющая, показывающая закон экспоненциального спада концентрации питательных веществ в пробах травы, в связи с повышением уровня пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки в летнюю межень,

мг/г,

CB₂ - вторая составляющая, показывающая стрессовое возбуждение травяного покрова на изменение высоты над рекой в пределах рационального интервала высоты 1,5-2,0 м, мг/г,

CB₃ - волновая составляющая, показывающая способность колебательной адаптации травяного покрова к внешним условиям произрастания в зависимости от высоты расположения пробной площадки над урезом поверхности воды малой реки, мг/г,

А - амплитуда (половина) колебательного возмущения травяного покрова по содержанию суммы питательных веществ в процессе адаптации к режиму влагообеспечения на разных высотах от уровня малой реки, мг/г,

p - период (половина) колебательного возмущения по высоте расположения пробной площадки над поверхностью малой реки, м,

H - высота расположения центра пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки, м.

График на фиг.6 показывает, что для питательных веществ существует так называемый «пояс жизни» на высоте 1,5-2,0 м, внутри которого концентрация химических соединений получает асимметричную закономерность в виде волны колебательного возмущения. Коэффициент корреляции возрастет до 0,8223 и бинарное отношение становится сильным по тесноте связи.

Полупериод колебания возрастает, поэтому частота адаптивного возмущения травы уменьшается. В итоге с ростом высоты расположения пробной площадки над урезом воды происходит успокоение растений по режиму водного и биохимического питания.

Эти факты, полученные апостериорно в ходе моделирования и анализа выявленной биотехнической закономерности, еще раз доказывают, что нельзя применять метод среднеарифметических вычислений по аналогу, а нужно признать волновую теорию функционирования растений в процессах физиологической адаптации к колебательным возмущениям параметров абиотической среды.

Сырая масса пробы травы m после исключения одной резко отклоняющейся точки влияет на сумму веществ (фиг.7) по формуле

CB₁=9157385exp(-0,0035037m),

СВ₂=Acos(πm/p+3,63744),

А=-9,64899·10^-8m^2,72110,

p=131,6099-0,0094112m^1,24710.

Здесь вторая составляющая в виде колебательного возмущения характеризует так называемый «масштабный фактор».

Этот эффект давно замечен в строительных материалах. Масштабный фактор чаще всего возникает из-за кратности массы пробы массе отдельных частиц, в нашем случае массе отдельных экземпляров растений. Мозаичность растительного покрова известна, поэтому волновое изменение содержания суммы питательных веществ от изменения сырой массы объясняется именно этим. При этом с увеличением общей массы пробы концентрация питательных веществ снижается по закону экспоненциального спада.

Сухая масса пробы травы после исключения одной резко отклоняющейся точки (фиг.8) изменяется по детерминированной модели по закону экспоненциального роста по трендовой закономерности

Волна возмущения не получается из-за пар разно отклоняющихся значений показателя. Невозможность волнового изменения указывает на хаотичность поведения сухих проб травы. Поэтому влага в растениях выполняет стабилизирующую функцию. Чтобы повысить адекватность модели, нужно увеличить количество пробных площадок на одном створе наблюдений и закономерности выявлять для каждого этого створа.

Масса влаги в срезанной пробе травы после исключения одной резко отклоняющейся точки (фиг.9) изменяется по закономерности вида

CB₁=2,88302exp(-0,00025836m_в0), CB₂=Acos(πm_в0/p+5,12364),

, .

Четкая волновая динамика с коэффициентом корреляции 0,8777, показывающая значимую волновую составляющую, в будущем позволит создать приборы и методы косвенной биохимической оценки травы, то есть без срезания пробы травяного покрова.

Поэтому измерение влажности и удельного содержания влаги в траве растущего состояния имеет большие научно-практические перспективы.

Вынос питательных веществ вместе со скошенной травой

Произведение массы m_c готового сена с одной пробной площадки размерами 1,00×1,00 м на сумму веществ СВ по данным таблицы 2 дает удельный вынос G=m_c×СВ (г/м²) питательных химических веществ вместе с урожаем травы (табл.3).

По сравнению с суммой веществ СВ этот показатель дает простые уравнения по закону экспоненциального роста.

Моделирование (табл.3) показало, что наивысшая корреляция наблюдается после исключения одной резко отклоняющейся точки от массы сырой травы, готового сена и массы влаги (фиг.10, 11 и 12):

Коэффициент корреляции равен соответственно 0,7249, 0,8403 и 0,653. Высшую адекватность имеет влияние удельной массы сена на удельный суммарный вынос питательных веществ из почвы.

При этом интенсивность экспоненциального роста 1,57367 указывает на то, что с ростом урожайности травяного покрова по сену вынос веществ происходит с ускорением.

Для роста продуктивности почвы требуется вносить удобрения. По вышеприведенным формулам можно подсчитать потребное количество удобрений. Поэтому для выявления биотехнических закономерностей нужны непреобразованные первичные данные измерений, причем без их усреднения даже по повторам наблюдений.

Изучение процесса выноса питательных веществ важно для сельского хозяйства.

Поэтому в таблице 4 приведены результаты расчетов выноса травы и биохимических веществ из делянок по данным таблицы 1.

По средним данным в конце таблицы 4 видно, что урожайность изученного луга по сырой траве равна 51 ц/га, по сену 13,96 ц/га. При этом в процессе естественной сушки испарилась из срезанной травы влага в количестве 37 ц/га. Вместе с сеном с одного гектара вывозится 0,526 кг азота, 4,695 кг калия и 0,544 кг фосфора. Общее количество вынесенных с сеном питательных веществ на лугу было 58,1 кг или 5,784 кг/га.

Предлагаемый способ прост в реализации и позволяет узнать о совместном биофизическом и биохимическом поведении совокупностей травяных проб, а через это о поведении травяного покрова пойменного луга в целом.

Свойства травы по пробам могут стать показателями эффективной экологической оценки любого речного ландшафта и прибрежного рельефа, на котором произрастает луговая трава.

Высшую адекватность имеет влияние удельной массы сена на удельный вынос питательных веществ из почвы.

При этом интенсивность экспоненциального роста 1,57367 указывает на то, что с ростом урожайности травяного покрова по сену вынос веществ происходит с ускорением.

Для роста продуктивности почвы требуется вносить удобрения. По вышеприведенным формулам можно подсчитать потребное количество удобрений.