Способ определения массы корневой системы пшениц

Изобретение относится к способам определения массы корневой системы пшениц и может быть использовано для изучения динамики их роста на опытных площадках, в лабораторных и полевых условиях, включено в арсенал рабочих методик научно-исследовательских и сельскохозяйственных учреждений.

Изучение корневой системы пшениц осуществляют различными способами, что говорит об актуальности разработки способов определения показателей, характеризующих рост и развитие растений и, в том числе, такого важного показателя, как масса корневой системы, т.к. корни, в неменьшей степени, чем надземная часть, определяют продуктивный потенциал растения.

Корневая система пшеницы, имеющая мочковатый тип строения, морфологически значительно отличается от других корневых типов растений. На концах ответвлений придаточных корней имеется зона, которая состоит их тоненьких волосков, толщиной 0,1 мм и длиной 1-10 мм. Строение корневой системы пшеницы также характеризуется высочайшей плотностью и имеет мочковатую структуру. Поэтому при разработке способа определения массы корневой системы пшеницы очень важно, чтобы способ позволял точно учитывать все части системы. (Найдено в Интернете: http://fb.ru/article/208787/stroenie-kornya-rasteniya-osobennosti-stroeniya-kornya, http://nalugah.ru/zernovye/pshenica/kornevaya-sistema-pshenicy.htm, дата обращения 19.09.2018.).

Анализ найденных информационных источников показал, что основным способом экспериментального измерения параметров корневых систем растений до настоящего времени остается способ их раскопки, фиксации, отмывки и последующих прямых измерений длины, толщины, массы.

В настоящее время известны три основных способа определения подземной массы растений.

1. Весовой (разрушающий). Основным способом экспериментального измерения параметров корневых систем растений остается их раскопка и прямые измерения длины, толщины, а также массы путем взвешивания. При подготовке образцов к исследованию используют различные устройства и многовариантные технологии раскопок корневых систем, которые продолжают совершенствовать. (Методы изучения корневых систем растений в поле и лаборатории: учеб.-методич. пособие / В.А. Рожков, И.В. Кузнецова, X.Р. Рахматуллоев. - 2-е изд. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2008. С. 10-29). 2. Инструментальные (неразрушающие - без предварительного извлечения корней из почвы), к которым можно отнести методы с применением радарной техники и электрометрических измерений. 3. Корреляционный (неразрушающий - без предварительного извлечения корней из почвы), суть которого заключается в определении подземной массы части растений по количественным показателям их надземных органов (массе, числу и размеру побегов, числу листьев и т.д.) с применением для расчетов ранее выявленных зависимостей между параметрами подземных и надземных частей этих растений. (Методы изучения корневых систем растений в поле и лаборатории: учеб.-методич. пособие / В.А. Рожков, И.В. Кузнецова, X.Р. Рахматуллоев. - 2-е изд.- М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2008. С. 30).

Известен электрометрический способ определения массы корней, включающий использование специального устройства, один электрод которого крепят у корневой шейки дуба, а три других электрода контактируют с почвой вокруг ствола дерева. Затем с миллиамперметра снимают отсчеты сопротивления и по соответствующим формулам рассчитывают массу или объем корневой древесины. (Якушев Б.И. Электрометрический способ оценки массы подземных органов растений. Докл. АН БССР, 1972, т. 16, №9, с. 848-850.).

Недостаток способа заключается в том, что он предназначен для древесных культур, имеющих большой радиус расположения корней, требует предварительной разработки переводных коэффициентов от показателя электрического сопротивления корней к их объему или массе. Коэффициенты необходимо определять экспериментальным способом непосредственно для каждого исследуемого вида в данных почвенно-гидрологических условиях.

Известен способ определения подземной биомассы древесных растений по содержанию воды, включающий использование устройства, измеряющего электрический ток в системе растение - почва и расчет по формуле: где у - сухой вес корней одного растения, г; fp - показание по микроамперметру для всей корневой системы, мкА; Jx - показание микроамперметра для заземленных отрезков корней, мкА; -JM2 (постоянное число); # - длина заземленного отрезка корня, м; S/c - площадь поперечного сечения заземленного отрезка корня, мм; а# - приведенный удельный вес заземленного отрезка корня, равный весу сухого корня (г), деленному на объем сырого корня (см³); /=-jT-) где В - возраст растения, лет Jf - постоянный коэффициент связи для конкретных природных зон. (Исследование подземных органов кустарников и полукустарников Каракумов с использованием электрометрических измерений. Зверев Н.Е. дисс канд. биол наук, Ашхабад, 1964. с. 31-36. Найдено в Интернете: http://www.dslib.net/botanika/issledovanie-podzemnyh-organov-kustarnikov-i-polukustarnikov-karakumov-s.html, дата обращения 25.09.2018.)

Недостаток способа заключается в том, что он разработан для корней древесных растений и неприменим для измерения корневой массы пшениц.

Известен способ определения массы корней, включающий исследование всей корневой системы путем фиксирования ее положения в пространстве при постепенном освобождении от почвы, зарисовыванием освобождаемых частей, подробное описание характера корневой системы, взвешивание и получение документального материала - зарисовок и фотографий отпрепарированных корней. (Методы изучения корневых систем растений в поле и лаборатории: учеб.-методич. пособие / В.А. Рожков, И.В. Кузнецова, X.Р. Рахматуллоев. - 2-е изд. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2008. С. 16-18.).

Недостаток способа заключается в том, что фотографирование объекта является конечным действием и фотография корневой системы несет в себе функцию только документального материала.

Анализ различных способов определения массы корневых систем растений показал, что они достаточно сложны и трудоемки, так как объект исследования является подземной частью биомассы растений. Общим недостатком известных аналогов является то, что полученные данные по объекту исследования является разовыми, при повторении измерений через значительный промежуток времени эти данные будут другими, так как биологический объект за это время существенно изменился.

Поэтому были проведены информационные исследования альтернативных способов получения данных о биологическом объекте, т.е. не путем их непосредственного изучения, а получения данных по их изображениям. Анализ найденных информационных источников показал, что существуют многочисленные способы использования аэро- и фотоснимков для получения данных о биомассе таких биологических объектов, как лесные массивы, посевы сельскохозяйственных культур и др. биологических объектов.

Сущность известных аналогов заключается в определении размеров или объемов объекта не путем измерения самих объектов, а по данным исследований аэрофотоснимков. Данные получают различными методами: дешифрования аэрофотоснимков, сравнения с наземными данными, разработкой коэффициентов корреляционных связей между параметрами объекта и т.д. (найдено в Интернете: http://bic.iwlearn.org/ru/dokumenty/dokumenty/publikacii/opredelenie-biomassy-lesa-s-ispolzovaniem-sputnikovyh-dannyh, дата обращения 25.09.2018.).

Общим недостатком данных способов получения информации об объекте по их изображению является то, что они предназначены для исследования надземной биомассы растений.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и по способу обработки изображения является способ определения оптической плотности ветрозащитного барьера и ажурности лесных полос, включающий фотографирование объекта, введение изображения в компьютер, обработку в графическом редакторе Adobe Photoshop, сохранение его в черно-белом цвете, выделение исследуемой области (кадрирование) и построение гистограммы спектрального состава изображения, выделение трех областей в черной, белой и переходной серой частях спектра и определение процентного содержания в выделенных областях, причем содержание оттенков серого цвета распределяют пропорционально долям черного и белого цвета, по оптической плотности судят по сумме доли черного цвета и пропорциональной ему доли серого цвета, а об ажурности - по сумме доли белого цвета и пропорциональной ему доли серого цвета. (Патент РФ №2285389 МКИ A01G 23/00, опубл. 20.10.2006, Бюл. №29.) - прототип.

Недостаток способа заключается в том, что он предназначен для исследования свойств только надземной массы растений - оптической плотности ветрозащитного барьера и ажурности лесных полос - по данным, полученным путем компьютерной обработки фотоснимков методом гистограмм. Задача прототипа отличается от задачи заявляемого изобретения.

Задача изобретения состоит в разработке нового способа определения массы корневой системы и поиске объективных показателей новых корреляционных связей между массой и показателями гистограммной обработки изображения.

Поставленная задача решается с помощью признаков, общих с прототипом, включающих фотографирование объекта, перенесение изображения в компьютер, осуществление кадрирования, обработку изображения с помощью гистограммы и анализ оттенков, и отличительных признаков: подготовку образца к фотографированию, анализ области только черной части изображения и ее оттенков, использование показателя гистограммы процентиль и расчет массы корневой системы пшеницы по формуле:

Мкс=D×К;

где Мкс - масса корневой системы пшеницы, т/га;

D - процентиль гистограммы, %;

К - постоянный коэффициент, показывающий отношение между массой корневой системы (Мкс) и значением - процентиль гистограммы (D).

Значение постоянного коэффициента авторами установлено экспериментальным путем и равно 0,85.

Сравнительный анализ общих и отличительных признаков заявляемого способа с прототипом показал, что изобретение обладает «новизной».

Значение постоянного коэффициента было получено авторами экспериментальным путем следующим образом. Отмытую и высушенную корневую систему предварительно фотографировали и оставляли для дальнейшего анализа. Биологический образец делили на участки по высоте, с шагом в 10 см, взвешивали на лабораторных весах.

В таблице 1 представлены результаты определения значений массы корневой системы пшеницы, полученной в результате взвешивания исследуемого образца, выраженной в граммах. Площадь, с которой были отобраны монолиты составляла 15×30 см=0,045 м².

Масса корневой системы была определена послойно в слоях почвы 0-10 см, 10-20 см и так далее до глубины 60 см. В таблице представлены результаты взвешивания корневой системы пшеницы в двукратной повторности и рассчитаны средние значения (таблица 1)

Для сопоставления полученных данных массу корней с площади 0,045 м² пересчитывали на 1 гектар (10000 м²), затем для дальнейшего использования данных, полученную массу привели к международной системе единиц (СИ), выразив ее в тоннах, и рассчитали по формуле:

Mт=S×Mг/S уч.;

где Мт - масса корней с площади 1 га, т/га,

S - площадь 1 гектара, м²,

Мг - масса корней с учетной площади 0,045 м², г,

S уч. - учетная площадь (15×30 см=0,045 м²).

10000 м²×34,78 (г):0,045 м²=7728888 г или 7,73 т/га.

Затем на полученном ранее изображении определяли заявляемым способом массу корневой системы и сопоставляли ее с полученными значениями путем взвешивания (таблица 2).

По результатам наших исследований была выявлена тесная корреляционная взаимосвязь (r=0,98) между массой корневой системы (Мкс) и значением показателя процентиль гистограммы (D). На основании выявленной тесной корреляционной связи был рассчитан постоянный коэффициент, отражающий отношение между массой корневой системы (Мкс) и значением показателя процентиль гистограммы (D): Mкс/D=0,85 (К=0,85).

Технический результат, решаемый данным изобретением, заключается в том, что разработан способ, позволяющий расширить арсенал инструментов для определения массы корневой системы пшениц, отличающийся от известных способов объективностью определения, которая достигается за счет того, что измеряют не сами объекты, а их изображения, (т.к. изображение объекта со временем не изменяется), возможностью проведения повторных объективных измерений и автоматизации процесса измерений в цифровом формате.

Сущность изобретения.

Сущность способа заключается в получении фотоснимка объекта и определении его массы по данным обработки фотоснимка. Подготовку образца и отбор проб для фотографирования осуществляют методом монолитов. Фотографируют объект. Дальнейшее исследование параметров корневой системы растения пшеницы осуществляют по фотоснимку. Изображение переносят в компьютер. Компьютерная методика исследования изображения включает набор алгоритмов, применяемых последовательно к фотоснимку. Изображение обрабатывают в графическом редакторе Adobe Photoshop, сохраняют его в черно-белом цвете, выделяют исследуемую область и строят гистограмму спектрального состава изображения. Гистограмму используют для количественного определения черного цвета по показателю процентиль, затем этот показатель используют для расчета массы корневой системы пшеницы:

Мкс=D×К;

где Мкс - масса корневой системы пшеницы, т/га;

D - процентиль гистограммы, %;

К - постоянный коэффициент, показывающий отношение между массой корневой системы (Мкс) и значением показателя процентиль гистограммы (D).

Анализ способов определения массы корневой системы и способов получения данных по их изображению, выявленных при проведении патентных исследований, показал, что заявляемая совокупность существенных признаков: использование нового корреляционного показателя и формула расчета корневой массы пшениц, не известны из существующего уровня техники и не следуют явным образом для специалиста, следовательно, изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Способ осуществляется в 2 этапа: взятие образца, фотографирование и получение данных по изображению.

Поэтапное описание способа и обоснование признаков.

1 этап. Отбор образцов массы корневой системы пшеницы и фотографирование.

Полученный при помощи метода монолита образец корневой системы пшеницы необходимо отмыть, извлечь из устройства и расположить на листе белой бумаги для фотографирования. Для сопоставления размеров рядом располагают измерительную линейку длиной 1 м. Фотографирование производят при дневном освещении и с одинаковой высоты, равной 1 м. Угол между направлением съемки и объектом (корневой системой) должен составлять 90°.

2 этап. Получение данных по изображению.

Полученное изображение переносят в компьютер. Формат графического файла может быть любого разрешения: JPEG, JPG, JPE, BMP, ECW, GIF, ICO, ILBM, VIL, MrSID, PCX, PNG, PSD, TGA, TIFF, HD Photo, WebP, XBM, XPS, RLA, RPF, PNM.

Изображение обрабатывают в графическом редакторе Adobe Photoshop, переводя его в ахроматический режим, с помощью опции «коррекция». Данный режим позволяет цветное изображение перевести в черно-белое.

В дальнейшем для определения массы корневой системы в различных слоях почвы подготовленное изображение разделяют на участки или кадрируют с шагом в 10 см. Для каждого кадрированного файла строят гистограмму распределения оттенков черного цвета. На гистограмме, представленной на рисунке 1 видны области спектра. Область черного цвета, которая соответствует светонепроницаемой области, отражает содержание оттенков черного цвета. Границу между первой и второй областями выделяют мышкой и устанавливают там, где содержание черного цвета резко уменьшается и переходит в серую область (фиг. 1).

Гистограмма показывает, какая часть изображения максимально черная, а какая - максимально белая, а также все то, что находится между этими цветами. Гистограммы начинаются черными оттенками слева. Чем выше «столбик» гистограммы на определенном уровне яркости, тем больше пикселей изображения находятся на этом уровне. Более короткие столбики гистограммы указывают на те уровни яркости, где находится меньше всего пикселей. А если в определенной области градиента столбик вообще не отображается, это значит, что на этом участке изображения нет пикселей, которые охватывают этот уровень яркости. Гистограмма не показывает конкретное количество пикселей. Вместо этого гистограмма дает лишь общее представление о тональном диапазоне изображения, распределенного на светлые участки, полутона и тени, а также показывает полностью черные или белые области.

В изображении может быть очень мало чисто черных или чисто белых тонов, но между ними гистограмма показывает крутые возвышения, что говорит о наличии тонов другой тональности, т.е. полутоновых оттенков. Гистограмма графически показывает распределение пикселей изображения по уровням яркости. Чем выше столбик гистограммы, тем больше пикселей данной яркости присутствует в изображении. Показатель процентиль отображает число пикселей в месте расположения указателя или под ним; эта величина выражается как процент от общего числа пикселей изображения. (Найдено в Интернете: http://www.internet-technologies.ru/articles/uchimsya-chitat-i-ponimat-gistogrammy-v-photoshop.html 19.09.2018.).

Ниже гистограммы приведена ее статистика. Из всех значений, приведенных на гистограмме, выбираем для анализа процентное значение показателя процентиль. Оно обозначает совокупное число пикселей, соответствующих уровню интенсивности области под указателем мыши. Левая часть гистограммы начинается от левого края, над самым черным оттенком градиента (это самые темные оттенки, которые могут быть). Если начать слева и продвигаться в правую сторону, то можно увидеть, что на снимке имеются темные цвета, а затем, при приближении к полутонам, идет резкий спад количества пикселей. Затем снова идет стремительное увеличение, после которого следует резкий обрыв или снижение пикселей.

Примеры выполнения способа.

Для взятия образцов с различной массой корневой системы пшениц пробы отбирали на полях с разными вариантами обработки почвы и после различных предшественников.

Пример №1. Применение способа для определения массы корневой системы пшеницы, посеянной по предшественнику горох на варианте с отвальной обработкой почвы.

Образцы корневой системы пшеницы отбирали при помощи устройства, созданного в ФГБНУ «Федеральный Ростовский аграрный научный центр» (патент на полезную модель №119108 15.03.2012) на стационарном опыте, расположенном на склоне балки Большой Лог, Аксайского района Ростовской области Опыт был заложен в системе контурно-полосной ландшафтной организации территории склона крутизной до 3,5-4°. Почва опытного участка - чернозем обыкновенный, тяжелосуглинистый на лессовидном суглинке, слабо эродированный. Монолиты отбирали размером 15×30×60 см. Обработка почвы - отвальная, осуществлялась на глубину 25-30 см. Образцы отбирали в фазу максимального развития корневой системы - цветение-колошение.

Монолит отмывали, переносили на лист белой бумаги с измерительной линейкой и фотографировали.

Полученное цифровое изображение переносили на компьютер и в графическом редакторе Adobe Photoshop сохраняли в черно-белом изображении (фиг. 2).

На полученном изображении выделяли область размером 10×30 см и строили гистограмму. На гистограмме отмечали область распределения черного цвета, расположенную с левой стороны и заканчивающуюся в месте максимального «пика». Значения показателя процентиль заносили в таблицу (фиг. 3, таблица 3.)

Данные подставляли в формулу для расчета массы корневой системы в слое почвы 0-10 см. Значение постоянного коэффициента, установленного экспериментальным путем, равно 0,85.

Мкс=14,15 (процентиль)×0,85=12,03 т/га.

Для слоя почвы 10-20 см масса корневой системы будет равна:

Мкс=5,53 (процентиль)×0,85=4,7 т/га.

Для каждого слоя почвы массу корневой системы пшеницы определяли последовательно, подставляя значения в формулу (таблица 3).

Как видно из представленных в таблице данных, масса корневой системы пшеницы уменьшается с увеличением глубины отбора.

Пример №2. Применение способа для определения массы корневой системы пшеницы, посеянной по предшественнику чистый пар на варианте с поверхностной обработкой почвы.

Образцы корневой системы отбирали на стационарном опыте, как описано в примере №1. Основная обработка почвы - поверхностная - на глубину 10-15 см. Образцы отбирали в фазу максимального развития корневой системы - цветение-колошение. Монолит отмывали, переносили на лист белой бумаги с измерительной линейкой и фотографировали. Полученное цифровое изображение переносили на компьютер и в графическом редакторе Adobe Photoshop сохраняли в черно-белом изображении (фиг. 4).

На полученном изображении выделяли область размером 10×30 см и строили гистограмму. На гистограмме отмечали область распределения черного цвета, расположенную с левой стороны и заканчивающуюся в месте максимального «пика». Данные заносили в таблицу (фиг. 5, таблица 4.)

Данные показателя процентиль подставляли в формулу для определения массы корневой системы в слое почвы 0-10 см.

Мкс=13,22 (процентиль)×0,85=11,24 т/га

Для слоя почвы 10-20 см масса корневой системы будет равна:

Мкс=7,35 (процентиль)×0,85=6,25 т/га.

Для каждого слоя почвы массу корневой системы пшеницы определяли последовательно, подставляя значения в формулу (таблица 4).

Как видно из представленных в таблице данных, масса корневой системы пшеницы при поверхностной обработке почвы резко уменьшается, начиная со слоя почвы 10-20 см.

Изучение развития корневой системы пшеницы имеет значительную практическую пользу.

Способ дает возможность определять массу корневой системы по фотоснимкам в лабораторных условиях в любое время, независимо от погоды, получать в короткий срок информацию о количественном значении массы корневой системы растений пшеницы, как в послойных горизонтах почвы, так и в целом, проводить повторные измерения объекта, который не изменил своих параметров со временем.

Способ без труда может быть реализован в полевых и лабораторных условиях. Устройство и приборы, необходимые для проведения измерений биомассы растений, являются достаточно простыми и не требуют сложного технического обеспечения.

Учет корневой массы пшеницы, важнейшей стратегической культуры России, имеет большое значение для решения многих важных теоретических и практических задач агропромышленного комплекса, таких, как разработка систем земледелия, технологий возделывания зерновых культур и т.д.