Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ СТОРОН БЕРЕЗНЯКА ГОРОДСКОГО СКВЕРА ПО ФЛУКТУИРУЮЩЕЙ АСИММЕТРИИ ЛИСТЬЕВ

Изобретение относится к инженерной биологии и индикации окружающей среды в виде березняка городского сквера свойствами пространственного расположения пробных ветвей для измерения флуктуирующей асимметрии на множестве листьев каждой ветви. Научно-техническое решение относится к косвенным измерениям качества территории по двум сторонам распределения проб в виде листьев берез с простой и небольшой листовой пластинкой. Оно может быть применено также при экологических измерениях березняков, произрастающих на сельских территориях на колках, у которых имеется хотя бы одна дорога с одной стороны.

Известен способ экологического испытания листьев березы по В.М. Захарову флуктуирующей асимметрии листьев березы (Захаров В.М. К оценке асимметрии билатеральных признаков как популяционной характеристики / В.М. Захаров, В.В. Зюганов // Экология. 1980. - №1, с.10-16; Захаров В.М. Онтогенез и популяция (стабильность развития и популяционная изменчивость) / В.М. Захаров // Экология. 2001. - №3. - С.164-168); Здоровье среды: методика оценки / Захаров В.М. [и др.]. - М.: Центр экологической политики России, 2000. - 68 с.; Здоровье среды: практика оценки / Захаров В.М. [и др.]. - М.: Центр экологической политики России, 2000. - 320 с.), включающий взятие листьев от учетных деревьев, растущих в одинаковых экологических условиях местопроизрастания, причем листья с одного дерева хранятся отдельно, чтобы можно было проанализировать полученные результаты индивидуально для каждой березы, а для этого следует собранные с одного дерева листья связывать за черешки, причем все листья, собранные для одной выборки, следует сложить в полиэтиленовый пакет, туда же вложить этикетку, в которой указаны номер выборки, место сбора, делая максимально подробную привязку к местности, дату сбора, причем для непродолжительного хранения собранный материал хранится в полиэтиленовом пакете на нижней полке холодильника, а для длительного хранения можно зафиксировать материал в 60% растворе этилового спирта или гербаризировать, при этом для измерения каждый лист помещают перед собой стороной, обращенной к верхушке побега, с каждого листа снимают показатели по пяти параметрам листа с левой и правой сторон листа, а для измерений применяют измерительный циркуль, линейку и транспортир, причем промеры длин снимаются циркулем-измерителем, а угол между жилками измеряется транспортиром.

Наше изобретение расширяет признак аналога «делая максимально подробную привязку к местности».

Основным недостатком известного способа является то, что нарушается принцип индивидуальности флуктуирующей асимметрии, когда берутся в каждой выборке 100 листьев (по 10 листьев с 10 растений). Это выполнено в угоду существующей теории средней арифметической величины. Но такого параметра нет у листьев, поэтому каждый листочек имеет свои значения параметров, которые нужно определять.

Известен также способ экологического испытания листьев березы по патенту 2374828, включающий взятие пробы листьев березы из относительно чистых и загрязненных участков зеленых насаждений города или на любой местности около автомагистрали, причем до взятия пробы листьев выбирают учетные деревья и отмечают на карте местности их расположения относительно сторон света и автомагистрали, затем на каждом учетном дереве выбирают точки отбора проб относительно сторон света и автомагистрали на нижней части кроны.

Недостатком является также нарушение принципа индивидуальности флуктуирующей асимметрии, когда берутся в каждой пробы массы листьев обезличенные выборки и тем самым не удастся проводить испытание отдельных листьев. При этом в прототипе также недостаточно выполнена максимально подробная привязка к местности, когда рассматривается только одно дерево березы, а пробы листьев в совокупности по массе, обеспечивающие расчетную точность взвешивания на переносных весах, берутся с разных сторон света. Поэтому из прототипа признаки массы и процесса взвешивания отпадают и остаются только признаки геодезической привязки к местности у отдельных листьев как биологических особей, произрастающих на нескольких (не менее 10) материнских березах.

Кроме того, недостатком является недостаточный учет асимметричного загрязнения березняка с двух сторон.

Технический результат - расширение функциональных возможностей экологических измерений по косвенным относительно известного по налогу способа измерений флуктуирующей асимметрии с двух сторон березняка, подверженного асимметричному загрязнению, а также повышение точности индикации качества локальной среды в виде самого березняка.

Этот технический результат достигается тем, что способ экологического измерения сторон березняка городского сквера по флуктуирующей асимметрии листьев, включающий взятие пробы листьев березы из относительно чистых и загрязненных участков зеленых насаждений города или на любой местности около автомобильной дороги, причем до взятия пробы листьев выбирают учетные деревья и отмечают на карте местности их расположения относительно сторон света и автомобильной дороги, затем на каждом учетном дереве выбирают точки отбора проб относительно сторон света и автомагистрали на нижней части кроны, отличается тем, что по березняку вытянутой формы в виде городского сквера выделяют на каждой удлиненной стороне не менее по пяти учетных деревьев березы, затем по четырем сторонам света на учетных деревьях березы выделяются висячие укороченные ветви с возможными пробными листьями для оценки флуктуирующей асимметрии, затем эти вертикально висячие укороченные ветви измеряются по высоте расположения середины укороченной ветви до поверхности почвы, расстоянию от этой ветви до автомобильной дороги, периметру ствола каждой учетной березы на постоянной высоте от почвы.

Для оценки экологического качества одной из двух сторон городского сквера достаточно измерить такие параметры укороченных ветвей, как:

- периметр дерева березы на высоте 1,5 м от поверхности почвы (примерно 1,3 м от корневой шейки ствола березы), м;

- расстояние от перпендикуляра, опущенного из места сбора пробных листьев для флуктуирующей асимметрии в виде укороченных ветвей, с учетом четырех сторон света, до края дороги, м.

Сущность изобретения заключается в том, что рассматриваются асимметрично загрязненные березняки, которые наиболее распространены в городских скверах с двумя сторонами автомобильного движения с асимметричной интенсивностью движения. Кроме того, такая асимметричность присуща сельским полезащитным полосам, на одной стороне которых находится грунтовая дорога.

Сущность изобретения заключается в том, что принимаются два объекта: сами листья на висячих ветках березы, которые можно взять или не брать для измерений флуктуирующей асимметрии, и деревья березы, на которых растут эти листья. Тогда даже не беря пробы листьев, а только выбирая и намечая их места взятия потенциально, но при этом четко измеряя место расположения этих потенциальных особей в виде отдельных листьев, можно оценивать косвенно две стороны одного древостоя.

Сущность изобретения заключается и в том, что по березняку вытянутой формы в виде городского сквера выделяются на каждой удлиненной стороне не менее по пять учетных деревьев березы, затем по четырем сторонам света на учетных деревьях березы выделятся висячие ветви с листьями для проведения измерений флуктуирующей асимметрии. Эти вертикально висячие ветви измеряются по высоте расположения середины ветви до поверхности почвы и расстояние до автомобильной дороги. Кроме этого измеряются расстояние от дороги до ствола растущей учетной березы, а также периметр ствола учетной березы на высоте от почвы 1,5 м.

Новизна технического решения заключается в том, что впервые выполняется косвенная индикация экологического качества территории по двум продольным сторонам городского сквера, на котором расположен относительно небольшой вытянутый березняк, по местам распределения проб листьев (точнее ветвей с кисточкой из пробных листьев), принимаемых строго по методике В.М. Захарова для изучения флуктуирующей асимметрии. В итоге появляется практическая возможность не проводить сами измерения флуктуирующей асимметрии, то есть не брать для измерений сами пробные листья, а проводить анализ только по параметрам пространственного расположения вертикально свисающих ветвей, из которых рекомендуется брать пробы листьев.

Положительный эффект заключается в том, что значительно расширяются функциональные возможности метода флуктуирующей асимметрии за счет дополнительного учета параметров расположения нужных для анализа ветвей у учетных берез по двум сторонам городского сквера. В итоге повышается точность измерений экологического качества улиц с двух сторон березняка за счет измерения расстояний от дороги. Кроме того, косвенная индикация значительно сокращает время и груд при проведении измерений. Если же дополнительно берутся листья для измерения флуктуирующей асимметрии, то появляется уверенность в результатах экологического анализа за счет совпадения результатов измерений с заранее известными уровнями загрязненности улицы. В итоге появляется возможность изучения биологического поведения берез по ветвям, которые ориентированы по сторонам света и могут быть использованы для сбора листьев с целью анализа флуктуирующей асимметрии.

Таким образом, предлагаемое научно-техническое решение обладает существенными признаками, новизной и положительным эффектом. В научно-технической и патентной литературе информационных материалов, порочащих новизну предполагаемого изобретения, нами не обнаружено. Мы считаем это решение на уровне изобретения пионерным.

На фиг.1 приведен спутниковый снимок городского березового сквера; на фиг.2 показана карта городскою березового сквера с указанием мест расположения 10 учетных берез; на фиг.3 дана расчетная схема учетной березы с местом взятия листа на восточной стороне (обозначено буквой В) от ствола дерева: L_дд - расстояние от вертикальной оси ствола дерева до границы березняка или дороги, м; L_сд - расстояние от перпендикуляра, опущенного из места сбора листьев, с учетом стороны света, до границы березняка или дороги, м; H - высота от земли до места сбора листьев, м; P_1.5 - периметр у ствола дерева березы на высоте 1,5 м от поверхности почвы (примерно 1,3 м от корневой шейки ствола березы), м; на фиг.4 показана расчетная схема, вид сверху, на расположения по меньшей мере четырех висячих ветвей, причем стороны света измеряются по компасу по азимуту φ - угол, отсчитанный по ходу движения часовой стрелки между направлениями на север и на ориентир от центра ствола дерева до места взятия пробы листа (север С - 0°; восток В - 90°; юг Ю - 180°; запад З - 270°), град.; на фиг.5 показаны два графика H=f(L_сд) влияния расстояния от края дороги до висячих веток на чистой западной и загрязненной восточной сторонах улицы по двум сторонам городского сквера; на фиг.6 то же на фиг.5 по выражении. H=f(P_1.5); на фиг.7 то же на фиг.5 по формуле L_дд=f(L_сд); на Фиг.8 то же на Фиг.5, по формуле Р_1.5=f(L_сд).

Способ экологического измерения сторон березняка городского сквера по флуктуирующей асимметрии листьев, например, окруженного с запада и востока двумя дорогами на одной улице с разной интенсивностью движения автотранспорта, включает такие действия.

В данном случае расстояния L_сд и L_сд определяются до дороги, которая, даже при очень малой интенсивности движения с травой на поверхности дороги, четко проглядывается как граница антропогенного воздействия на деревья и листву берез через автомобильные выбросы в воздух.

При этом принимается допущение, что границей березняка как экосистемы становится край дороги (грунтовой, асфальтовой, бетонной). Эту погрешность в измерениях дороги и границы экосистемы пока не сможем выделить особо, поэтому в каждом конкретном случае нужно принимать отдельные решения о том, что же является границей экосистемы березняка. Если же дороги нет, то погрешность установления границы земельного участка у березняка возрастает. При наличии даже мало интенсивной по движению дороги четко видна край полосы дороги, где начинает отсутствовать травяная растительность или она очень плохая.

По березняку вытянутой формы в виде городского сквера выделяют на каждой удлиненной стороне не менее по пяти учетных деревьев березы.

Затем по четырем сторонам света на учетных деревьях березы выделяются висячие укороченные ветви с возможными пробными листьями для оценки флуктуирующей асимметрии.

Эти вертикально висячие укороченные ветви измеряются по высоте расположения середины укороченной ветви до поверхности почвы, расстоянию от этой ветви до автомобильной дороги, периметру ствола каждой учетной березы на постоянной высоте от почвы.

Для оценки экологического качества одной из двух сторон городского сквера достаточно измерить такие параметры укороченных ветвей, как:

- периметр дерева березы на высоте 1,5 м от поверхности почвы (примерно 1,3 м от корневой шейки ствола березы), м;

- расстояние от перпендикуляра, опущенного из места сбора пробных листьев для флуктуирующей асимметрии в виде укороченных ветвей, с учетом четырех сторон света, до края дороги, м.

Пример. В городе Звенигово Республики Марйи Эл небольшой озелененный земельный участков (фиг.1) вытянутой прямоугольной формы находится в середине улицы Чехова. Общая площадь сквера составляет около 0,56 га. Сквер окружен с северной и восточной сторон грунтовой автомобильной дорогой, с южной стороны расположен лесной массив. По обе стороны от сквера (восточная и западная стороны) расположены дома.

Для эксперимента были отобраны 10 берез (фиг.2), причем деревья №1-5 расположены на западной (менее освещенной из-за тени от соседних деревьев сквера), а деревья №6-10 находятся на восточной (более освещенной из-за отсутствия деревьев на улице) стороне рассматриваемого сквера. При этом на восточной стороне улицы наблюдается большая интенсивность движения автомобилей. Поэтому и загрязненность по сравнению с западной на восточной стороне выше.

На западной стороне сквера около границы березняка проложена несанкционированная грунтовая дорога для проезда автомобилей к домам. Поэтому и расстояния от дороги к пробным ветвям и стволам деревьев берез №1-3 не совпадает с картой на фиг.2.

Методика эксперимента. Наиболее полно отвечает необходимым критериям метод анализа флуктуирующей асимметрии по В.М. Захарову.

Таким образом, аналог сохраняется в части методики взятия проб листьев, но в данном научно-техническом решении они могут и не браться, а если берутся, то в любом случае обрабатываются с тщательной геометрической привязкой к местности. То есть происходит идентификация параметров размещения в пространстве пробных ветвей на двух сторонах березняка, у которых заранее известно различие в загрязнении воздуха.

У березы сбор листьев намечали из нижней части кроны дерева с максимального количества доступных веток с четырех сторон света, которые определяли с помощью компаса. Листья собирали только с укороченных побегов. С помощью мерной ленты измерили высоту от земли до места, с которого срывали листья. Так же измеряли периметр ствола дерева, расстояние от дерева до дороги и расстояние от веток (они свисают вертикально вниз у вида - березы повислой) до дороги (фиг.3 и фиг.4), произрастающих с разных сторон света по азимуту φ, град.

Таким образом, нужно узнать, как ведут себя пять деревьев с каждой стороны улицы в двух загрязненных по-разному местах.

Результаты измерений. В таблице 1 представлены результаты измерений параметров мест произрастания у пробных ветвей и учетных деревьев, произрастающих на территории сквера на двух сторонах.

Дополнительно снимались параметры дерева и места взятия пробы:

1) азимут φ - угол, отсчитанный по ходу движения часовой стрелки между направлениями на север и на ориентир, град;

2) L_дд - расстояние от вертикальной оси ствола дерева до дороги, м;

3) L_сд - расстояние от перпендикуляра, опущенного из места сбора листьев, с учетом стороны света, до дороги, м;

4) H - высота от земли до места сбора листьев, м;

5) Р_1.5 - периметр дерева березы на высоте 1,5 м от поверхности почвы (примерно 1,3 м от корневой шейки ствола березы), м.

При проведении эксперимента было обнаружено, что встречаются поврежденные листья, но их мало, всего 5% от всех собранных листьев. Можно считать, что в городских условиях 5% - это приемлемый уровень.

Для удобства сравнения приводим попарно закономерности по западной и восточной сторонам. При этом замечаем, что солнечный свет попадает в полдень на обе стороны сквера одинаково, поэтому можно считать, что на развитие и рост ветвей с пробными листьями освещенность примерно одинаковая.

Тогда разница в закономерностях типа H=f(L_сд), H=f(P_1.5), L_дд=f(L_сд) и Р_1.5=f(L_сд); будет объясняться только асимметричностью загрязнения воздуха автомобильным транспортом.

Западная чистая сторона сквера. Зависимость H=f(L_сд) (фиг.5) определяется формулой вида

,

,

H₃=-A₁cos(πL_сд/p₁-0,16045),

,

, H₄=A₂cos(πL_сд/p₂-1,95287),

,

Выражение H=f(P_1.5) (фиг.6) дастся формулой

,

.

При этом расстояние от дороги до ствола учетного дерева березы L_дд=f(L_сд) (фиг.7) определяется формулой

, L₂=-A₁cos(πL_сд/p₁-5,03910),

A₁=0,94200exp(-0,37375L_сд), ,

L₃=A₂cos(πL_сд/p₂-1,61789),

, p₂=0,049556,

L₄=A₃cos(πL_сд/p₃+1,21855),

,

Дополнительно получены еще семь волновых составляющих.

Зависимость Р_1.5=f(L_сд) (фиг.8) определяется формулой

,

,

P₃=Acos(πL_сд/p+4,94014).

,

.

Таким образом, основной влияющей переменной становится расстояние от дороги до висячей пробной ветки березы, расположенной на азимуте по сторонам свеча.

Восточная грязная сторона сквера. Аналогично получены уравнения взаимной связи между параметрами места произрастания веток, отобранных для измерения флуктуирующей асимметрии по формулам:

- влияние расстояния от дороги на высоту (фиг.5) до середины ветви

,

,

H₃=Acos(π/L_сд/p-4,58967),

,

;

- влияние периметра ствола (фиг.6) на высоту пробных листьев

H₁=1,88754exp(-0,069514P_1.5),

,

- влияние расстояния от дороги до пробной ветки (фиг.7) на изменение расстояния до ствола березы

,

L₂=A₁cos(πL_сд/p₁-1,25111),

A₁=-2,50200exp(-0,45749L_сд), ,

L₃=A₂cos(πL_сд/p₂-0,77319),

,

;

- влияние расстояния от дороги на периметр ствола деревьев (на фиг.8) на высоте 1,5 м от поверхности почвы

,

P₁=0,059810ехр(0,88417L_сд),

.

Как видно из формул и графиков на фиг.5-8, сократились формулы.

Сравнение чистой и грязной сторон сквера. В таблице 2 даны сравнительные показатели двух сторон сквера. При этом использованы данные по предыдущим формулам.

Наибольшей разницей в 1,8090 (80,90%) обладает зависимость P_1.5=f_1.5(L_сд). Эта формула находится на первом месте также и по снижению в 1,5 раза количества составляющих у модели. Но особенно сильно загрязнение сказывается на снижении в 3,75 раза количество параметров модели. А на втором месте при отношении 1,4142 (41,42%) находится биотехническая функция H=f(P_1.5).

На третьем месте с соотношением 1,1042 находится биотехническая функция H=f(L_сд), а самая сложная функция L_дд=f(L_сд) заняла только четвертое место с разницей всего 0,37%.

Тогда получается, что незагрязненные березняки получают более сложные статистические модели, чем в сравнении с загрязненными. Поэтому становится понятным, что загрязнение приводит к ослаблению способностей колебательной адаптации берез к окружающей популяцию березняка окружающей воздушной среде.

Таким образом, для оценки экологического качества одной из двух сторон городского сквера достаточно измерить такие параметры ветвей, расположенных на сторонах света как укороченные ветви для взятия пробных листьев флуктуирующей асимметрии, как:

Р_1.5 - периметр дерева березы на высоте 1,5 м от поверхности почвы (примерно 1,3 м от корневой шейки ствола березы), м;

L_сд - расстояние от перпендикуляра, опущенного из места сбора пробных листьев для флуктуирующей асимметрии в виде укороченных ветвей, с учетом четырех сторон света, до края дороги, м.

Преимуществом предлагаемого способа является техническая простота исполнения, так как из оборудования требуется только геодезическая мерная лента до 20 м, гибкая миллиметровая лента и компас.

Поэтому изобретение может быть широко реализовано в школьных экологических кружках, пришкольных лесничествах, и даже в детских садах, а также в географических и иных экспедициях при дополнительном исследовании качества территории по косвенной индикации свойствами расположения ветвей и листьев учетных берез.