Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АНАЛИЗА ВИДОВОГО СОСТАВА ЛУГОВОЙ ТРАВЫ

Изобретение относится к измерению качества различных видовых комплексов трав и травянистых растений на пробах, преимущественно на пойменных лугах, и может быть использовано в экологическом мониторинге территорий с травяным покровом. Изобретение относится также к ландшафтам малых рек с луговой растительностью и может быть использовано при оценке видового разнообразия травы по наличию отдельных видов растений.

Известен способ испытания пробы травяных растений по патенту РФ №2389015, включающий отмечание контура площадки на месте взятия пробы травяных растений, после срезки травы со всей площадки пробу сразу же взвешивают на весах около площадки, а после первого взвешивания пробу травы размещают на естественную сушку в сухом и безветренном месте, затем после высыхания пробу травы взвешивают.

Недостатком является то, что способ предполагает неделимость пробы на отдельные элементы по видовому составу, и это не позволяет проводить анализ пробы по видовому составу травяных и травянистых растений по наличию видов.

Известен также способ испытания травяного покрова на пойме малой реки по патенту №2384048, включающий выделение на малой реке или ее притоке визуально по карте или натурно участка пойменного луга с испытуемым травяным покровом, затем на этом участке по течению малой реки или ее притока в характерных местах размечают не менее трех гидрометрических створов в поперечном направлении в пределах водоохраной зоны, вдоль каждого гидрометрического створа размечают не менее трех пробных площадок с каждой стороны малой реки или ее притока, а после выявляют закономерности показателей проб травы.

Недостатком является невозможность учета наличия видов травяных и травянистых растений на пробных площадках.

Технический результат - повышение точности учета наличия видов травяных и травянистых растений, упрощение процесса анализа видового состава без проведения измерений, повышение функциональных возможностей сравнения проб травы по относительной встречаемости и обилию видов на разных пробных площадках, причем без срезания с них травяных проб.

Этот технический результат достигается тем, что способ анализа видового состава луговой травы, включающий выделение на малой реке или ее притоке визуально по карте или натурно участка пойменного луга с травяным покровом, затем на этом участке по течению малой реки или ее притока в характерных местах размечают не менее трех гидрометрических створов в поперечном направлении, вдоль каждого гидрометрического створа размечают не менее трех пробных площадок с каждой стороны малой реки или ее притока, а после выявляют закономерности показателей проб травы, отличающийся тем, что размеры квадратных пробных площадок принимают с укладкой в характерных местах выделенного участка последовательно рамки с внутренними сторонам не менее 0,50×0,50 м и количество укладок рамки в характерных местах выделенного участка пойменного луга принимается таким, чтобы сумма всех укладок рамки, то есть всех виртуальных пробных площадок, по площади была не менее 4 м², причем определение видового состава травы проводится без срезки травы с виртуальной пробной площадки и без измерений расстояний поперек, вдоль и по высоте расположения виртуальной пробной площадки, на них внутри рамки сосчитывают количество видов травы и заносят в таблицу с общим списком по строкам этой таблицы всех видов травяных и травянистых растений, встречающихся хотя бы один раз на любой виртуальной пробной площадке, а в столбцах по номерам виртуальных пробных площадок ставят единицу при наличии данного вида травяного и травянистого растения и оставляют клетку таблицы пустой при отсутствии вида растения из списка видов, так последовательно выполняют измерения наличия видов травы во всех виртуальных пробных площадках, после этого суммируют единицы по строкам и столбцам таблицы видового состава луговой травы и вычисляют количества занятых данным видам растения виртуальных пробных площадок и количества видов растений на каждой виртуальной пробной площадке, а затем рассчитывают коэффициент коррелятивной вариации и выявляют статистическим моделированием закономерности относительной встречаемости видов по рангам, обилия видов по каждому рангу на всех виртуальных пробных площадках на выделенном участке пойменного луга как цельном объекте.

Вместо крупной площадки размерами 2,00×2,00 м для подсчета количества видов на всем выделенном участке пойменного луга выделяются пробные площадки размерами в минимальном случае 0,50×0,50 м, но в совокупности обеспечивающие площадь не менее 4 м², при этом минимальное количество пробных площадок равно 3 створа ×6 площадок = 18 шт., тогда по прототипу общая площадь их в минимальном случае будет равной 18×0,50×0,50=4,50 м², что больше требуемой площади в 4,00 м².

Применение укладок одной и той же рамки позволяет заложить постоянные пробные площадки, которые отмечаются по центру колышками, а измерения состава луговой травы проводятся несколько раз в течение вегетационного периода всего травяного покрова.

Затем рассчитывают коэффициент коррелятивной вариации на всех виртуальных пробных площадках на выделенном участке пойменного луга как цельном объекте, причем коэффициент коррелятивной вариации позволяет сравнивать участки одной и той же реки или даже разных малых рек между собой, как отношение общей суммы всех единиц по строкам и столбцам таблицы к произведению количества этих же строк и столбцов таблицы.

После этого выявляют статистическим моделированием закономерности относительной встречаемости видов по рангам на всех виртуальных пробных площадках на выделенном участке пойменного луга как цельном объекте по формуле:

,

где P - относительная встречаемость видов травяных и травянистых растений, 0≤P≤1,

P_max - максимальная для данного выделенного участка относительная встречаемость какого-то вида травы (этот параметр модели позволяет сравнивать разные участки вдоль малой реки),

R - ранг количества видов растений, R=0, 1, 2, …,

a ₁…a ₄ - параметры модели, определяемые в программной среде Curve-Expert-1.40 статистическим моделированием по измеренным на конкретном участке малой реки данным.

В конце двумя математическими способами выявляют статистическим моделированием закономерности обилия видов по каждому рангу на всех виртуальных пробных площадках на выделенном участке пойменного луга как цельном объекте, причем обилие как встречаемость видов травы в каждом ранге позволяет оценить экологическое качество территории всего выделенного участка на пойменном лугу малой реки.

Сущность технического решения заключается в том, что вместо крупной площадки размерами 2,00×2,00 м для подсчета обилия видов на всем выделенном участке пойменного луга выделяются пробные площадки всего размерами 0,50×0,50 м, но в совокупности обеспечивающие площадь не менее 4 м². Минимальное количество пробных площадок равно 3 створа ×6 площадок = 18 шт. Тогда общая площадь их в минимальном случае будет равной 18×0,50×0,50=4,50 м², что больше требуемой площади в 4,00 м².

Сущность технического решения заключается также и в том, что опыты по определению видового состава травы можно проводить без срезки проб травы и без измерений расстояний поперек, вдоль и по высоте расположения пробной площадки. Это позволяет заложить постоянные пробные площадки. На них приходится только сосчитать количество видов травы.

Положительный эффект достигается тем, что общее количество видов в составе всех 18 проб показывает качество травяного покрова на данном мозаичном участке по биоразнообразию. Выявление математической связи видовому составу происходит по показателю относительной встречаемости видов на пробных площадках пойменного луга по сторонам малой реки. При этом участок пойменного луга принимается за цельный объект исследования.

Новизна технического решения заключается в том, что впервые доказаны закономерности видового распределения. Коэффициент коррелятивной вариации позволяет сравнивать участки одной и той же реки или даже разных малых рек между собой. Относительная встречаемость видов растений и обилия в каждом ранге позволяют оценить экологическое качество территории всего выделенного участка на пойменном лугу.

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

На фиг.1 приведена схема выделенного участка с тремя створами измерений по течению водотока малой реки Манага: 1-18 - номера пробных площадок; на фиг.2 показан график изменения по рангам относительной встречаемости видов травы и остатки после формулы (1); на фиг.3 дан график рангового распределения обилия видов растений без ограничений роста количества видов и остатки от формулы (2); на фиг.4 - то же, что на фиг.3 при ограничении роста обилия видов и остатки после уравнения (3); на фиг.5 показаны общий график и остатки после формулы (4) при ограничении роста количества видов и дополнительной волновой составляющей колебательной адаптации травяной растительности;

Способ анализа видового состава луговой травы содержит следующие основные действия.

Вначале визуально изучают травяной покров на данной территории пойменного луга и намечают места со створами измерений и виртуальными пробными площадками относительно них поперек малой реки. При этом размечают не меньше трех створов и не меньше трех виртуальных пробных площадок с каждой стороны малой реки. 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 гидрометрических створов 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 гидрометрического створа 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.

Вначале осмотром всего выделенного участка глазомерно устанавливают общий список всех видов травы. Для идентификации всех видов составляют методическое пособие путем выбора видов растений из атласа или из других источников информации. Такой заранее заготовленный видовой состав всех возможных видов травяных и травянистых растений на данной малой реке значительно ускоряет работу.

Контуры виртуальной, то есть не используемой для срезания пробы травы, а применяемой только для подсчета количества видов травы внутри, площадки размером 0,50×0,50 отмечают колышком в центре нее.

Для укладки изготовляют рамку с внутренними сторонами 0,50×0,50 м, например, из деревянных реек, сколоченных гвоздями. Ее укладывают на траву вокруг колышка.

Размеры квадратных пробных площадок принимают с укладкой в характерных местах выделенного участка последовательно рамки с внутренними сторонам не менее 0,50×0,50 м и количество укладок рамки в характерных местах выделенного участка пойменного луга принимается таким, чтобы сумма всех укладок рамки, то есть всех виртуальных пробных площадок, по площади была не менее 4 м². Причем определение видового состава травы проводится без срезки травы с виртуальной пробной площадки и без измерений расстояний поперек, вдоль и по высоте расположения виртуальной пробной площадки. На них внутри рамки сосчитывают количество видов травы и заносят в таблицу с общим списком по строкам этой таблицы всех видов травяных и травянистых растений, встречающихся хотя бы один раз на любой виртуальной пробной площадке. А в столбцах по номерам виртуальных пробных площадок ставят единицу при наличии данного вида травяного и травянистого растения и оставляют клетку таблицы пустой при отсутствии вида растения из списка видов. Так последовательно выполняют измерения наличия видов травы во всех виртуальных пробных площадках.

После этого суммируют единицы по строкам и столбцам таблицы видового состава луговой травы и вычисляют количества занятых данным видам растения виртуальных пробных площадок и количества видов растений на каждой виртуальной пробной площадке. А затем рассчитывают коэффициент коррелятивной вариации и выявляют статистическим моделированием закономерности относительной встречаемости видов по рангам, обилия видов по каждому рангу на всех виртуальных пробных площадках на выделенном участке пойменного луга как цельном объекте.

Вместо крупной площадки размерами 2,00×2,00 м для подсчета количества видов на всем выделенном участке пойменного луга выделяются пробные площадки размерами в минимальном случае 0,50×0,50 м, но в совокупности обеспечивающие площадь не менее 4 м², при этом минимальное количество пробных площадок равно 3 створа ×6 площадок = 18 шт., тогда по прототипу общая площадь их в минимальном случае будет равной 18×0,50×0,50=4,50 м², что больше требуемой площади в 4,00 м².

Применение укладок одной и той же рамки позволяет заложить постоянные пробные площадки, которые отмечаются по центру колышками, а измерения состава луговой травы проводятся несколько раз в течение вегетационного периода всего травяного покрова.

Затем рассчитывают коэффициент коррелятивной вариации на всех виртуальных пробных площадках на выделенном участке пойменного луга как цельном объекте, причем коэффициент коррелятивной вариации позволяет сравнивать участки одной и той же реки или даже разных малых рек между собой, как отношение общей суммы всех единиц по строкам и столбцам таблицы к произведению количества этих же строк и столбцов таблицы.

После этого выявляют статистическим моделированием закономерности относительной встречаемости видов по рангам на всех виртуальных пробных площадках на выделенном участке пойменного луга как цельном объекте по формуле:

,

где P - относительная встречаемость видов травяных и травянистых растений, 0≤P≤1,

P_max - максимальная для данного выделенного участка относительная встречаемость какого-то вида травы (этот параметр модели позволяет сравнивать разные участки вдоль малой реки),

R - ранг количества видов растений, R=0, 1, 2, …,

a ₁…a ₄ - параметры модели, определяемые в программной среде Curve-Expert-1.40 статистическим моделированием по измеренным на конкретном участке малой реки данным.

В конце двумя математическими способами выявляют статистическим моделированием закономерности обилия видов по каждому рангу на всех виртуальных пробных площадках на выделенном участке пойменного луга как цельном объекте, причем обилие как встречаемость видов травы в каждом ранге позволяет оценить экологическое качество территории всего выделенного участка на пойменном лугу малой реки.

Пример. Объект исследования - земельные участки на территории племенного завода «Азановский» Медведевского района Республики Марий Эл с растительным покровом в травяной пойме реки Манага (фиг.1).

Предмет исследования - закономерности влияния расстояния поперек и вдоль реки, а также высоты от уреза воды на видовой состав травяного покрова.

Манага - левый приток Малой Кокшаги, длина реки 27 км, площадь водосбора 194 км². Участок по течению реки Манага расположен с северо-востока на юго-запад. Пойма реки - для выпаса скота и сенокошения.

Нами был выбран метод пробных площадок, при изучении травы является принятие пробных площадок размерами 0,5×0,5 м и площадью в 0,25 м². Для соблюдения постоянных условий отбор проб на пойменном лугу предложено проводить в период созревания травы.

Для количественного учета растительности прежде всего необходимо определить видовой состав биоценоза, выявить характер распределения растений по площади. Это дает возможность выяснить годичную изменчивость, смену видов и устойчивость видового состава луга.

Размещение (отбор) пробных площадей в пространстве для методов геоботанического исследования может быть типическим или случайным.

При типическом отборе определение места заложения пробной площадки выполняется более или менее субъективно, после визуального изучения всей совокупности растительности. Применяют типический отбор при качественных исследованиях, что позволяет экономить время на стадии полевых исследований.

Исследования проводились в июле 2011 года.

Сначала визуально была изучена с обеих сторон береговая линия малой реки Манага и травяной покров на пойменном лугу, далее натурно были намечены места расположения восемнадцати пробных площадок пойменного луга. По течению реки выбирали три створа и с каждого створа по обеим сторонам реки по три пробы.

Расположение пробных площадок представлено на фигуре 1.

На выбранном первом створе, на расстоянии 90 м от кромки воды, обозначаем первую пробную площадку размером 0,5×0,5 м. Для упрощения процесса установления пробной площадки был изготовлен квадратный шаблон из деревянных реек. На выбранную учетную площадку накладываем шаблон с внутренним сечением в 0,25 м² и после этого проводим учет видов растений.

При анализе видового состава в хозяйственно-ботаническом отношении в пойме реки Манага было отмечено несколько групп растений. Мы не разделяли виды травы по группам.

Поэтому наличие всех 32 видов травяных и травянистых растений приведено полностью в таблице 1. Нумерация видов была произвольной.

В таблице 2 даны некоторые расчетные показатели по рангам, которые приняты по вектору предпорядка предпочтительности «лучше → хуже»: чем больше количество пробных площадок, на которых встречается данный вид растения, тем экологически лучше данный участок луга.

На 18 площадках встречается 134 заполненных клеток по наличию данного вида травы. Теоретически может быть заполненными все 32×18=576 клеток. Тогда коэффициент коррелятивной вариации по численности видов травы равен 134/(32×18)=134/576=0,2326.

Этот показатель является универсальным и может применяться для сравнения разных участков на одной реке и даже на разных реках.

Средняя встречаемость видов равна 4,1875 пробным площадкам. А среднее арифметическое значение численности видов на одной пробной площадке равно 7,4444 видам травяных и травянистых растений. По коэффициенту корреляции в каждой клетке находится в среднем 0,2326 видов.

После моделирования в программной среде CurveExpert-1.40 была получена (фиг.2) формула вида

где P - относительная встречаемость видов травяных и травянистых растений, 0≤P≤1,

R - ранг количества видов растений, R=0, 1, 2, …. Ранговое распределение идентифицируется с коэффициентом корреляции 0,9992.

Обилие видов показывает количество видов, встречающихся при одном и том же ранге, то есть этот показатель является одноранговым.

По данным таблицы 2 обилие видов определяется (фиг.3) формулой

Однако из фигуры 5 видно, что с дальнейшим продолжением рангов при условии R≥12 по формуле (2) будет обилие видов только возрастать.

Коэффициент корреляции формулы (2) равен 0,9733. Однако рост по двум законам (экспоненциальному и показательному) не может продолжаться бесконечно долго с дальнейшим повышением ранга.

Практически при условии R=12 обилие видов равно нулю, т.е. O=0.

Поэтому с дополнительным учетом точки (12; 0) получим (фиг.4):

Коэффициент корреляции этой формулы равен 0,9739, то есть чуть больше по сравнению с формулой (2).

Эвристически эта формула становится адекватной содержательному смыслу обилия видов растений. Первая составляющая по закону экспоненциального роста (закону Лапласа в математике, закону Мандельброта в физике, закону Ципфа в биологии, закону Парето в экономике) показывает увеличение обилия с возрастанием рангов. Это - естественный процесс. Но дальнейшие составляющие связаны с антропогенным воздействием на луговой биогеоценоз. Вторая составляющая по биотехническому закону показывает стрессовое возбуждение популяции из 32 видов травы, когда малообеспеченные условиями произрастания видов становится больше на каком-то интервале достатка (между рангами от 10 до 12, точно при условии R_opt=11).

Третья составляющая является кризисной (отрицательный знак перед составляющей) и она очень быстро (с интенсивностью показательного роста 15,92609) тормозит дальнейший рост обилия видов травы.

По остаткам на обеих фигурах 3 и 4 видно, что существуют волновые составляющие, то есть, как было нами доказано ранее, живые растения пытаются приспосабливаться к изменениям в окружающей их среде колебательным возмущением.

Это и происходит (фиг.5) по формуле вида

O₁=1,07088exp(0,068413R),

O₂=3,05685·10^-71R^111,82580exp(-10,12050R^0,96681),

O₃=-3,70699·10^-17R^16,72983,

O₄=Acos(πR/p-3,03076),

A=4,23281·10^-43R^115,29289exp(-17,49955R^l,00093),

p=0,42358+0,035139R^0,99920,

где A - амплитуда (половина) колебательного возмущения, p - полупериод колебательной адаптации растительного покрова к окружающей среде.

Здесь положительный знак перед волновой функцией (асимметричным вейвлет-сигналом) показывает, что происходит позитивная для травяной растительности колебательная адаптация. При этом полупериод возрастает по закону показательного роста и частота колебания снижается. Это указывает на благоприятные условия для травяного покрова. Но сами колебания, как видно из фигуры 5, происходят в интервале 5≤R≤9.

Адекватность формулы (4) равна по коэффициенту корреляции 1,0000.

Таким образом, поведение травяных растений вполне можно изучать по изменению ранговых распределений относительной встречаемости видов растений по убыванию ранга и обилия видов растений по каждому рангу на выделенном участке пойменного луга. При этом не требуется выполнять геодезических измерений и тем более не нужно срезать траву с пробных площадок. Причем видовой состав вполне можно изучать на множестве пробных площадок размерами 0,50×0,50 м.

Предлагаемое изобретение упрощается по исполнению и дает возможность ежегодного (и даже в вегетационный период для изучения годичной динамики видового состава) экологического мониторинга разных участков пойменного луга.

Причем, как оказалось, разные участки с различными уровнями антропогенного воздействия не оказывают влияния на видовое разнообразие и это дает возможность изучать малую реку по выделенным участкам.