СПОСОБ АНАЛИЗА КРОНЫ УЧЕТНОЙ ЕЛИ ПО ИСПЫТАНИЯМ ХВОИНОК ГОДИЧНЫХ ВЕТОЧЕК

Изобретение относится к экологической таксации лесных, нелесных и одиночных деревьев ели и оно может быть использовано в природообустройстве и инженерной экологии, дендроэкологическом мониторинге, защите и охране окружающей природной среды путем анализа результатов измерений распределения в кроне и испытаний годичных веточек ели. Анализ кроны учетных деревьев ели можно проводить при однократной или многократной экологической оценке городских и лесных территорий по вегетационным периодам развития и роста еловых веточек по разным мутовкам кроны с южной стороны ели.

Известен способ испытания еловых хвоинок от веточек учетного дерева ели по патенту №2408184, включающий выбор учетных деревьев ели, находящихся под различным антропогенным воздействием, взятие проб в виде веточек ели, отделение хвоинок от каждого стебелька, причем после выбора учетного дерева ели выбирают мутовку, после этого на выбранной ветви намечают веточки одного года возраста, в дальнейшем хвоинки раскладывают в емкости для сушки в комнатных условиях, а после срезки и в процессе сушки пробы хвоинок от каждой веточки взвешивают на весах с погрешностью измерений 0,0005 грамм.

Недостатком является отсутствие геометрической привязки годичных веточек и массы их хвоинок к структуре и параметрам кроны учетной ели.

Известен также способ испытания дерева ели для оценки влагоудерживающей способности срезанных веточек по патенту №2411717, включающий выбор учетного дерева ели и ее мутовку, затем выбирают ветвь первого порядка внутри выбранной мутовки с измерением геодезического направления ее стебля, с конца стебля срезают основную пробу в виде веточки для анализа ее влагоудерживающей способности, после срезки каждую веточку помещают в емкость для транспортировки, а затем все срезанные веточки в лабораторных условиях многократно взвешивают с сушкой в комнатных условиях до достижения постоянной массы.

Недостатком также является отсутствие геометрической привязки годичных веточек и массы их хвоинок к структуре и параметрам кроны учетной ели. Поэтому по результатам испытания веточек на влагоудерживающую способность не удается по прототипу провести анализ кроны учетной ели. При этом высушивание всех срезанных веточек без разделения каждой веточки на хвою и черешок не дает возможности изучать содержание влаги и относительную влажность отдельно в черешке и хвоинках.

При этом анализ кроны у учетной ели можно проводить только по одному геодезическому направлению, например, для экологической оценки месса произрастания учетной ели только южную сторону.

Измерения с южной стороны известны. В испытаниях, например, по патенту №2194385, для экологического мониторинга берутся пробы с южной стороны учетного дерева ели, а для технологического мониторинга для целей выращивания высококачественной технической древесины ствола - с северной стороны.

Таким образом, объект измерения известен в виде веточек от ветвей из различных мутовок дерева ели с южной стороны растения, но прототип не позволяет сопоставлять результаты испытаний веточек в целом, а также их частей в идее черешков и хвоинок по отдельным мутовкам по всей высоте растущей учетной ели.

Технический результат - повышение комплексности анализа кроны учетной ели по результатам измерений и испытаний каждой веточки, срезанной осенью или вначале зимы с одного геодезического направления, например, для экологической оценки места произрастания ели с южной ее стороны, причем по одной годичной веточке у каждой южной ветви по всем мутовкам ели без учета ее терминального побега.

Этот технический результат достигается тем, что способ анализа кроны учетной ели по испытаниям хвоинок годичных веточек, включающий выбор учетного дерева ели и ее мутовку, затем выбирают ветвь первого порядка внутри выбранной мутовки с измерением геодезического направления ее стебля, с конца стебля срезают основную пробу в виде веточки для анализа ее водоудерживающей способности, после срезки каждую веточку помещают в емкость для транспортировки, а затем все срезанные веточки в лабораторных условиях многократно взвешивают с сушкой в комнатных условиях до достижения постоянной массы, отличающийся тем, что после определения учетного дерева ели выбирают геодезическое направление, затем по высоте учетного дерева ели в заданном геодезическом направлении выбирают ветви первого порядка в части мутовок или во всех мутовках, определяют ретроспективный возраст выбранных в мутовках ветвей, начиная с терминального побега у учетного дерева ели, после срезки с отметкой текущего времени срезания и номера мутовки, а также последующей транспортировки каждой срезанной веточки в отдельной емкости, в лабораторных условиях срезанные веточки взвешивают с записью в журнал наблюдения времени, прошедшей после срезки каждой веточки до момента взвешивания, затем разделяют каждую веточку на черешок и пробу хвоинок, причем черешок и пробу хвоинок также взвешивают с указанием момента времени измерения, а после многократного взвешивания черешков и проб хвоинок со срезанных веточек с сушкой их в комнатных условиях до достижения постоянной массы сосчитывают количество хвоинок в каждой пробе, после достижения постоянной массы у проб хвоинок по измеренным значениям текущей массы выполняют моделирование динамики сушки проб хвоинок, затем по полученным статистическим моделям динамики сушки выписывают расчетные значения массы сухой пробы хвоинок и массы влаги, содержащейся в пробе хвоинок в момент времени срезания веточек, при этом суммированием получают общую расчетную массу хвои срезанной веточки, которую сравнивают для оценки погрешности моделирования с измеренными на весах значениями массы хвоинок веточки, кроме этого по измеренным данным делением сухой и сырой массы хвои веточки и массы влаги в ней вычисляют средние значения удельной массы одной хвоинки, и по всем измеренным и расчетным данным выполняют идентификацию биотехнических закономерностей изменения параметров массы в зависимости от ретроспективного возраста веточек учетного дерева ели.

Веточки срезают от ветвей из всех или различных по группам распределения мутовок с южной стороны учетного дерева ели, причем за южную сторону принимается ветвь, у которой продольная ось стебля находится по азимуту в пределах ±15 градусов от южного геодезического направления.

Общее количество направлений может быть равно 12 и в особых случаях испытания учетного дерева ели может быть взято до 12 веточек с каждой мутовки, что дает возможность оценить влияние внешней среды по 12 направлениям или же по количеству ветвей в каждой мутовке, причем при учете числа ветвей в мутовках измеряется азимут каждой ветви первого порядка по направлению ее стебля.

Южная сторона дерева ели дает наибольшую изменчивость в параметрах физиологических процессов развития и роста хвоинок и годичных веточек, поэтому через массу однолетних веточек наилучшими образом выявляются биотехнические закономерности влияния экологического состояния воздуха, воды и почвы на месте произрастания учетной ели в вегетационный период.

Взятие годичных веточек выполняют в конце вегетационного периода у хвоинок в октябре или ноябре месяце.

Срезка одной веточки на конце на один вегетационный период не приводит к разрушению структуры веточек на одной ветви, поэтому испытания веточек можно продолжить на одном и том же учетном дереве ели многократно, что позволяет наладить простой экологический мониторинг территории на 10-25 лет.

Для повышения уровня коррелятивной вариации показателей оценки экологического режима на данной территории принимают несколько учетных деревьев ели, при этом каждая учетная ель оценивается по годичным веточкам отдельно, с учетом индивидуальных особенностей развития и роста ее веточек и ветвей, при этом по параметрам влагоудерживающей способности хвои у веточек разных учетных деревьев ели проводится факторный анализ для возможности среднестатистической оценки по коррелятивной вариации экологической обстановки на прошлый вегетационный период и экологического режима за периоды многолетних наблюдений.

После первой серии испытаний веточек от одной ветви с каждой мутовки, исключая терминальный побег, на второй и последующие года годичные веточки срезаются с южной стороны только у нижних мутовок, причем первая серия опытов позволяет выявить основные биотехнические закономерности изменения параметров водоудерживающей способности у хвои веточек по всей высоте дерева и всему ретроспективному возрасту мутовок, начиная от второй после терминального побега мутовки и завершая приземной мутовкой, при этом многосерийные испытания годичных веточек снижает трудоемкость экспериментов, в ходе экологического мониторинга уточнять ранее выявленные закономерности на основе учета новых факторов внешней среды.

Веточки срезаются от биогруппы или даже куртины деревьев ели, находящихся в естественном процессе развитии и роста популяции еловой породы древесных растений, причем на молодых учетных деревьях ели веточки срезаются с южной стороны по всем мутовкам, а от взрослых деревьев ели срезка веточек выполняется только с нижних мутовок, что повышает комплексность экологической оценки от одной особи до всей биогруппы, семейства или даже всего лесного ельника.

По измеренным значениям текущей массы выполняют моделирование динамики сушки проб хвоинок по формуле:

,

где m - динамическая масса пробы хвои с одной веточки ели, г;

m₁ - масса сухой хвои после естественной сушки, г;

m₂ - динамическая масса влаги, содержащейся в растительной массе хвоинок с одной веточки в процессе естественной сушки, г;

m_в0 - масса влаги в хвое при срезании веточки, г;

t - текущее время естественной сушки хвоинок с одной веточки ели с момента ее срезания, ч;

a ₁, a ₂ - параметры формулы динамики удерживания влаги растительной массой хвоинок после срезания веточки, причем:

a ₁ - активность спада водоудерживающей способности хвоинок по закону гибели;

a ₂ - интенсивность спада по закону гибели водоудерживающей способности срезанной с одной веточки хвои.

Суммированием получают общую расчетную массу хвои срезанной веточки по формуле:

m_t=0=m₁+m_в0,

где m_t=0 - расчетная масса хвои одной срезанной веточки, г;

m₁ - масса сухой хвои после естественной сушки, г;

m_в0 - масса влаги в хвое при срезании веточки, г.

Общую расчетную массу хвои срезанной веточки, для оценки погрешности статистического моделирования, сравнивают с измеренными на весах фактическими значениями массы хвоинок веточки по формуле

,

где Δ - относительная погрешность моделирования, %;

m_ф - фактически измеренная при первом взвешивании после срезания масса пробы хвоинок с одной веточки, г;

m_t=0 - расчетная масса хвои одной срезанной веточки, г.

По измеренным данным делением сухой и сырой массы хвои веточки и массы влаги в ней вычисляют средние значения удельной массы одной хвоинки по формулам:

- масса сухой хвоинки в среднем , мг

;

- масса воды в сырой хвоинке в среднем , мг

;

- масса свежей хвоинки в среднем , мг

,

где m₁ - масса сухой хвои после естественной сушки, г;

m_в0 - масса влаги в хвое при срезании веточки, г;

m_t=0 - расчетная масса хвои одной срезанной веточки, г;

N - количество хвоинок в одной срезанной веточке, шт.

По измеренным значениям текущей массы высушиваемой хвои после моделирования идентификацией закона динамики сушки проб хвоинок вычисляют показатели относительной влажности проб хвои веточки по формулам:

- начальную влажность W₀ (%) хвои срезанной веточки

W₀=100m_в0/m₁;

- безразмерный закон водоудерживающей способности срезанной хвои веточки

;

- безразмерный закон обезвоживания хвои веточки

,

где W₀ - начальная относительная влажность сырых хвоинок веточки, %;

W - динамическая относительная влажность пробы хвои от одной веточки в конце ветви мутовки ели в процессе естественной сушки, %;

m₁ - масса сухой хвои после естественной сушки, г;

m_в0 - масса влаги в хвое при срезании веточки, г;

t - текущее время естественной сушки хвоинок с одной веточки ели с момента ее срезания, ч.

Водоудерживающая способность пробы хвоинок веточки ели определяется как отношение динамически удерживаемой в процессе сушки воды к отнятой массе воды по формулам:

K_BC=W/(W₀-W);

где K_BC - коэффициент водоудерживающей способности растений;

W - динамическая относительная влажность пробы хвои от одной веточки в конце ветви мутовки ели в процессе естественной сушки, %;

W₀ - начальная относительная влажность сырых хвоинок веточки, %;

t - текущее время естественной сушки хвоинок с одной веточки ели с момента ее срезания, ч;

a ₁ - активность спада водоудерживающей способности хвоинок по закону гибели;

a ₂ - интенсивность спада по закону гибели водоудерживающей способности срезанной с одной веточки хвои.

После моделирования идентификацией закона динамики сушки вычисляют фактический период обезвоживания проб хвоинок веточки при разнице относительной влажности между предыдущим и последующим замерами динамической массы у пробы хвоинок веточки при условии не более 0,1% от значений относительной динамической влажности.

Сущность технического решения заключается в том, что ветви вырастают в мутовках не случайным, а вполне определенным образом. Поэтому общее количество живых годичных веточек в каждой ветви и в любой мутовке вырастает исходя из взаимодействия нескольких сил:

во-первых, организм каждой веточки существует обособленно от других веточек и это определяет пластичность поведения всей ели;

во-вторых, каждая веточка питается минеральными веществами от корневой системы, то есть от общего материнского дерева, поэтому зависит от общего физиологического состояния и поведения всего учетного дерева ели; ель в целом и ее структурные элементы, в том числе веточки и хвоинки, живет по генетически заданной и подкрепленной прошлым ростом и развитием кроны, то есть питание продуктами от фотосинтеза;

в-третьих, противодействие этому напору жизни (давление жизни по В.И.Вернадскому) дерева в ходе его биологического времени со стороны фенотипических факторов среды, прежде всего антропогенного воздействия, нарастает и постепенно прекращает дальнейшую генерацию веточек на концах ветвей мутовок;

в-четвертых, генерация веточек во многом зависит от геодезической ориентации стебля и других элементов ветви, поэтому для анализа кроны и сопоставления учетных деревьев ели, произрастающих в различных по условиям загрязнения воздуха, следует принять одно направление - южное.

Сущность технического решения заключается также в том, что за южную сторону дерева ели принимаются ветви, стебли которых в каждой мутовки по высоте дерева направлены относительно южного геодезического направления в горизонтальном сегменте с углами 180±15 градусов при отсчете азимута относительно главного северного направления света. Тогда общее количество направлений может быть равно 12 и в особых случаях испытания учетного дерева ели может быть взято до 12 веточек с каждой мутовки. В этом случае появляется возможность оценить влияние внешней среды по 12 направлениям или же по количеству ветвей в мутовке. При учете числа ветвей в мутовках измеряется азимут каждой ветви первого порядка по направлению ее стебля.

Сущность технического решения заключается также в том, что южная сторона дерева ели дает наибольшую изменчивость в параметрах физиологических процессов развития и роста хвоинок и годичных веточек, поэтому через массу однолетних (точнее, с марта по сентябрь) веточек наилучшими образом выявляются биотехнические закономерности влияния экологического состояния воздуха, воды и почвы на месте произрастания учетной ели в вегетационный период.

Сущность технического решения заключается также и в том, что срезка одной веточки на конце на один вегетационный период не приводит к разрушению структуры веточек на одной ветви, поэтому испытания веточек можно продолжить на одном и том же учетном дереве ели многократно, что позволяет наладить простой экологический мониторинг территории на 10-25 лет. Если же учесть возможность взятия веточек из концов ветвей разного геодезического направления, то, с учетом поправок на стороны света, одним учетным деревом ели можно проводить непредвзятый и очень точный по результатам измерений экологический мониторинг во всю продолжительность ее жизнедеятельности. Для повышения уровня коррелятивной вариации экологического режима на данной территории можно принять несколько учетных деревьев ели. Но при этом каждая ель оценивается отдельно, с учетом индивидуальных особенностей развития и роста веточек и ветвей. А по параметрам водоудерживающей способности хвои у веточек разных учетных деревьев ели проводится факторный анализ для возможности среднестатистической оценки по коррелятивной вариации экологической обстановки (на прошлый вегетационный период) и экологического режима за периоды многолетних наблюдений за деревьями, измерений веток и испытаний веточек с хвоей.

Сущность технического решения заключается также и в том, что после первой серии испытаний веточек от одной ветви с каждой мутовки, исключая терминальный побег, на второй и последующие года можно срезать веточки с южной стороны только у нижних мутовок. Первая серия опытов позволяет выявить основные биотехнические закономерности изменения параметров хвои веточек по всей высоте дерева и всему ретроспективному возрасту мутовок, начиная от второй после терминального побега мутовки и завершая приземной мутовкой. Это позволяет не только снизить трудовые затраты на эксперименты, но и узнавать в ходе экологического мониторинга уточняющие ранее выявленные закономерности на основе учета новых факторов внешней среды.

Сущность технического решения заключается также и в том, что веточки срезаются от биогруппы или даже куртины деревьев ели, находящихся в естественном процессе развитии и роста популяции (семейства) еловой породы древесных растений. Тогда, например, на молодых учетных деревьях ели проводиться срезка веточке с южной стороны по всем мутовкам, а со взрослых деревьев ели срезка веточек выполняется только с нижних мутовок. Такой вариант предлагаемо8о способа позволяет повысить уровень комплексности экологической оценки от одно особи до биогруппы. семейства или даже до всего ельника.

Положительный эффект заключается в том, что повышается комплексность анализа кроны учетной ели по результатам измерений и испытаний каждой веточки из ветвей южного направления, расположенных на разных мутовках (части или всех) и повышается точность экологической оценки прошедшего до срезки веточек вегетационного периода. При этом веточки можно срезать из разных сочетаний мутовок, например, из сформировавшихся за несколько лет и относительно окрепших физически. Тогда оставляется на доращивание не только терминальный побег, но и смежные верхние мутовки, например, до 3-4 летнего ретроспективного возраста. В этом случае изъятие веточек с нижних мутовок молодых деревьев ели не оказывает существенного влияния на здоровье растения. В разновозрастном ельнике без применения подъемников и других приспособлений (например, кусторезов со штангами и кусачками, обеспечивающими срезку веточке до уровня 8 метров) удается срезать веточки и с крупных деревьев ели, например, материнских семенных деревьев.

Существенной новизной является привязка срезанной веточки и испытанной ее хвои к структуре кроны ели с различных сторон света, появляется возможность поиска принципиально новых научно-технических решений, после накопления достаточных экспериментальных данных, анализа взаимодействия крон соседних деревьев ели, учтенных в биогруппе, куртине и даже в ельнике.

Существенной новизной в предлагаемом научно-техническом решении становится также и то, что появляется практическая возможность экологической оценки места произрастания учетной ели по свойствам хвои веточек на разных уровнях мутовок с южных ветвей. Эти свойства хвои отдельных веточек в зависимости от ретроспективного возраста мутовки (по защищаемым в первом пункте формулы изобретения отличительным признакам) относятся к фундаментальным исследованиям в физиологии древесных растений.

Из научно-технической и патентной литературы материалов, порочащих новизну предлагаемого способа, не обнаружено.

На фиг.1 приведена схема ветви 1 со срезаемой крайней по стеблю веточкой 2; на фиг.2 показана принципиальная расчетная схема динамики массы хвои веточки в процессе естественной сушки в комнатных условиях; на фиг.3 - то же на фиг.2 динамики относительной влажности высушиваемой пробы хвои от одной веточки; на фиг.4 дан график закона динамики естественной сушки пробы хвоинок с южной веточки ели от первой мутовки; на фиг.5 - то же на фиг.4 от 17-ой мутовки; на фиг.6 изображен график тренда изменения численности хвоинок в веточках в зависимости от ретроспективного возраста мутовок учетной ели; на фиг.7 - то же на фиг.6 по тренду и трем волновым составляющим колебательного возмущения численности хвоинок в веточках; на фиг.8 показан график влияния ретроспективного возраста мутовки (или веточки на ее южной ветви) на изменение массы сухой хвои веточки по всем 17 мутовкам; на фиг.9 - то же на фиг.8 массы воды в сырой хвое веточки; на фиг.10 - то же на фиг.8 массы сырой хвои веточки; на фиг.11 показан график влияния ретроспективного возраста мутовки на параметр активности a ₁ закона спада массы в динамике сушки в комнатных условиях; на фиг.12 - то же на фиг.11 по параметру интенсивности a ₂; на фиг.13 показан график тренда влияния ретроспективного возраста мутовки на влажность сырой хвои веточки; на фиг.14 - то же на фиг.13 график общей модели с волновыми составляющими; на фиг.15 показан график трехчленного тренда влияния ретроспективного возраста мутовки на коэффициент водоудерживающей способности хвои веточки; на фиг.16 - то же на фиг.15 по общей модели с волновыми составляющими колебательного возмущение годичных веточек; на фиг.17 изображен график влияния ретроспективного возраста мутовки на массу сухой хвоинки в среднем по всей срезанной веточке; на фиг.18 - то же на фиг.17 по массе воды в одной сырой хвоинке; на фиг.19 - то же на фиг.17 по массе сырой хвоинки в среднем по веточке всех 17 мутовок ученой ели.

Способ анализа кроны учетной ели по испытаниям хвоинок годичных веточек включает следующие действия.

После определения учетного дерева ели выбирают геодезическое направление, затем по высоте учетного дерева ели в заданном геодезическом направлении выбирают ветви 1 первого порядка в части мутовок или во всех мутовках. Затем определяют ретроспективный возраст выбранных в мутовках ветвей, начиная с терминального побега у учетного дерева ели. После срезки с отметкой текущего времени срезания и номера мутовки, а также последующей транспортировки каждой срезанной веточки в отдельной емкости, в лабораторных условиях срезанные веточки 2 взвешивают с записью в журнал наблюдения времени, прошедшей после срезки каждой веточки до момента взвешивания.

Затем разделяют каждую веточку на черешок и пробу хвоинок, причем черешок и пробу хвоинок также взвешивают с указанием момента времени измерения. А после многократного взвешивания черешков и проб хвоинок со срезанных веточек с сушкой их в комнатных условиях до достижения постоянной массы сосчитывают количество хвоинок в каждой пробе. После достижения постоянной массы у проб хвоинок по измеренным значениям текущей массы выполняют моделирование динамики сушки проб хвоинок.

По полученным статистическим моделям динамики сушки выписывают расчетные значения массы сухой пробы хвоинок и массы влаги, содержащейся в пробе хвоинок в момент времени срезания веточек. При этом суммированием получают общую расчетную массу хвои срезанной веточки, которую сравнивают для оценки погрешности моделирования с измеренными на весах значениями массы хвоинок веточки.

Кроме этого по измеренным данным делением сухой и сырой массы хвои веточки и массы влаги в ней вычисляют средние значения удельной массы одной хвоинки.

По всем измеренным и расчетным данным выполняют идентификацию биотехнических закономерностей изменения параметров массы в зависимости от ретроспективного возраста веточек учетного дерева ели.

Веточки срезают от ветвей из всех или различных по группам распределения мутовок с южной стороны учетного дерева ели, причем за южную сторону принимается ветвь, у которой продольная ось стебля находится по азимуту в пределах ±15 градусов от южного геодезического направления.

Общее количество направлений может быть равно 12 и в особых случаях испытания учетного дерева ели может быть взято до 12 веточек с каждой мутовки, что дает возможность оценить влияние внешней среды по 12 направлениям или же по количеству ветвей в каждой мутовке, причем при учете числа ветвей в мутовках измеряется азимут каждой ветви первого порядка по направлению ее стебля.

Южная сторона дерева ели дает наибольшую изменчивость в параметрах физиологических процессов развития и роста хвоинок и годичных веточек, поэтому через массу однолетних веточек наилучшими образом выявляются биотехнические закономерности влияния экологического состояния воздуха, воды и почвы на месте произрастания учетной ели в вегетационный период.

Взятие годичных веточек выполняют в конце вегетационного периода у хвоинок в октябре или ноябре месяце.

Срезка одной веточки на конце на один вегетационный период не приводит к разрушению структуры веточек на одной ветви, поэтому испытания веточек можно продолжить на одном и том же учетном дереве ели многократно, что позволяет наладить простой экологический мониторинг территории на 10-25 лет.

Для повышения уровня коррелятивной вариации показателей оценки экологического режима на данной территории принимают несколько учетных деревьев ели, при этом каждая учетная ель оценивается по годичным веточкам отдельно, с учетом индивидуальных особенностей развития и роста ее веточек и ветвей. При этом по параметрам влагоудерживающей способности хвои у веточек разных учетных деревьев ели проводится факторный анализ для возможности среднестатистической оценки по коррелятивной вариации экологической обстановки на прошлый вегетационный период и экологического режима за периоды многолетних наблюдений.

После первой серии испытаний веточек от одной ветви с каждой мутовки, исключая терминальный побег, на второй и последующие года годичные веточки срезаются с южной стороны только у нижних мутовок. Причем первая серия опытов позволяет выявить основные биотехнические закономерности изменения параметров водоудерживания у хвои веточек по всей высоте дерева и всему ретроспективному возрасту мутовок, начиная от второй после терминального побега мутовки и завершая приземной мутовкой. При этом многосерийные испытания годичных веточек снижает трудоемкость экспериментов, в ходе экологического мониторинга уточнять ранее выявленные закономерности на основе учета новых факторов внешней среды.

Веточки срезаются от биогруппы или даже куртины деревьев ели, находящихся в естественном процессе развитии и роста популяции еловой породы древесных растений. Причем на молодых учетных деревьях ели веточки срезаются с южной стороны по всем мутовкам, а от взрослых деревьев ели срезка веточек выполняется только с нижних мутовок, что повышает комплексность экологической оценки от одной особи до всей биогруппы, семейства или даже всего лесного ельника.

Далее выполняют действия по моделированию и расчетам на основе полученных биотехнических закономерностей.

Способ анализа кроны учетной ели по испытаниям хвоинок годичных веточек реализуется, например, при экологической оценке территории городской среды, следующим образом.

На городской территории выделяется участок с одной или несколькими учетными деревьями ели.

Визуально далее составляют описание значений свойств выбранного учетного дерева и места его произрастания, наносят с помощью компаса на ствол отметки о южной стороне ели, устанавливают местоположения шейки корня. Измерения вдоль ствола выполняют от шейки корня до верхушки терминального побега по мутовкам ветвей кроны, а расстояния между мутовками измеряют сверху вниз. При этом за начало координат принимают верхнюю точку терминального побега ели.

После определения учетного дерева ели выбирают геодезическое направление, затем по высоте учетного дерева ели в заданном геодезическом направлении выбирают ветви 1 первого порядка в части мутовок или во всех мутовках. Затем определяют ретроспективный возраст выбранных в мутовках ветвей, начиная с терминального побега у учетного дерева ели. После срезки с отметкой текущего времени срезания и номера мутовки, а также последующей транспортировки каждой срезанной веточки 2 в отдельной емкости, в лабораторных условиях срезанные веточки взвешивают с записью в журнал наблюдения времени, прошедшей после срезки каждой веточки до момента взвешивания.

Затем разделяют каждую веточку на черешок и пробу хвоинок, причем черешок и пробу хвоинок также взвешивают с указанием момента времени измерения. А после многократного взвешивания черешков и проб хвоинок со срезанных веточек с сушкой их в комнатных условиях до достижения постоянной массы сосчитывают количество хвоинок в каждой пробе. После достижения постоянной массы у проб хвоинок по измеренным значениям текущей массы выполняют моделирование динамики сушки проб хвоинок.

По полученным статистическим моделям динамики сушки выписывают расчетные значения массы сухой пробы хвоинок и массы влаги, содержащейся в пробе хвоинок в момент времени срезания веточек. При этом суммированием получают общую расчетную массу хвои срезанной веточки, которую сравнивают для оценки погрешности моделирования с измеренными на весах значениями массы хвоинок веточки.

Кроме этого по измеренным данным делением сухой и сырой массы хвои веточки и массы влаги в ней вычисляют средние значения удельной массы одной хвоинки.

По всем измеренным и расчетным данным выполняют идентификацию биотехнических закономерностей изменения параметров массы в зависимости от ретроспективного возраста веточек учетного дерева ели.

Веточки срезают от ветвей из всех или различных по группам распределения мутовок с южной стороны учетного дерева ели, причем за южную сторону принимается ветвь, у которой продольная ось стебля находится по азимуту в пределах ±15 градусов от южного геодезического направления.

Общее количество направлений может быть равно 12 и в особых случаях испытания учетного дерева ели может быть взято до 12 веточек с каждой мутовки, что дает возможность оценить влияние внешней среды по 12 направлениям или же по количеству ветвей в каждой мутовке, причем при учете числа ветвей в мутовках измеряется азимут каждой ветви первого порядка по направлению ее стебля.

Южная сторона дерева ели дает наибольшую изменчивость в параметрах физиологических процессов развития и роста хвоинок и годичных веточек, поэтому через массу однолетних веточек наилучшими образом выявляются биотехнические закономерности влияния экологического состояния воздуха, воды и почвы на месте произрастания учетной ели в вегетационный период.

Взятие годичных веточек выполняют в конце вегетационного периода у хвоинок в октябре или ноябре месяце.

Срезка одной веточки на конце на один вегетационный период не приводит к разрушению структуры веточек на одной ветви, поэтому испытания веточек можно продолжить на одном и том же учетном дереве ели многократно, что позволяет наладить простой экологический мониторинг территории на 10-25 лет.

Для повышения уровня коррелятивной вариации показателей оценки экологического режима на данной территории принимают несколько учетных деревьев ели, при этом каждая учетная ель оценивается по годичным веточкам отдельно, с учетом индивидуальных особенностей развития и роста ее веточек и ветвей. При этом по параметрам влагоудерживающей способности хвои у веточек разных учетных деревьев ели проводится факторный анализ для возможности среднестатистической оценки по коррелятивной вариации экологической обстановки на прошлый вегетационный период и экологического режима за периоды многолетних наблюдений.

После первой серии испытаний веточек от одной ветви с каждой мутовки, исключая терминальный побег, на второй и последующие года годичные веточки срезаются с южной стороны только у нижних мутовок. Причем первая серия опытов позволяет выявить основные биотехнические закономерности изменения параметров водоудерживания у хвои веточек по всей высоте дерева и всему ретроспективному возрасту мутовок, начиная от второй после терминального побега мутовки и завершая приземной мутовкой. При этом многосерийные испытания годичных веточек снижает трудоемкость экспериментов, в ходе экологического мониторинга уточнять ранее выявленные закономерности на основе учета новых факторов внешней среды.

Веточки срезаются от биогруппы или даже куртины деревьев ели, находящихся в естественном процессе развитии и роста популяции еловой породы древесных растений. Причем на молодых учетных деревьях ели веточки срезаются с южной стороны по всем мутовкам, а от взрослых деревьев ели срезка веточек выполняется только с нижних мутовок, что повышает комплексность экологической оценки от одной особи до всей биогруппы, семейства или даже всего лесного ельника.

Далее выполняют действия по моделированию и расчетам на основе полученных биотехнических закономерностей.

Пример. Измерения проводили осенью, в конце вегетационного периода годичных веточек ели.

Для проведения эксперимента было выбрано одно учетное дерево ели европейской, растущее на территории городской местности. Экологическое состояние ели на период измерений (октябрь 2010 г.) нормальное, она обладает обильным покровом хвои с мутовчатым ветвлением, хвоинки темно-зеленого цвета, игловидные и колючие. Из всего визуального наблюдения можно сделать вывод, что учетная ель находится в хорошем физиологическом состоянии, несмотря на расположение в городской среде.

Учетная ель имеет биологический возраст 18 лет и 17 мутовок от терминального побега (нулевой ранг и годичный возраст). Веточка 2 (фиг.1) срезалась с конца стебля южной ветви 1. Далее от каждой веточки отдельно срезались все хвоинки, и пробы взвешивались с учетом времени от момента срезания веточки.

Результаты эксперимента по динамике сушки хвои у 17 веточек, фрагментарно показано для двух южных веточек мутовок №1 и №17, приведены в данных таблицы 1.

В таблице 1 приведены следующие условные обозначения:

r - ранг мутовки, r=0 для терминального побега;

A_p - ретроспективный возраст мутовки ели (по количеству мутовок, начиная от терминального побега), лет;

t - время естественной сушки с момента срезки пробы в виде крайней веточки на южной ветви (черешка и хвоинок), ч;

m_ф - фактически измеренная взвешиванием масса проб хвои, г.

Общий график (фиг.2) динамики водоудерживающей способности в процессе сушки характеризуется законом в виде двухчленного уравнения

где m - динамическая масса пробы хвои с одной веточки ели, г;

m₁ - масса сухой хвои после естественной сушки, г;

m₂ - динамическая масса влаги, содержащейся в растительной массе хвоинок с одной веточки в процессе естественной сушки, г;

m_в0 - масса влаги в хвое при срезании веточки, г;

t - текущее время естественной сушки хвоинок с одной веточки ели с момента ее срезания, ч;

a ₁, a ₂ - параметры формулы динамики влагоудерживания растительной массой хвоинок после срезания веточки, причем:

a ₁ - активность спада водоудерживающей способности хвоинок по закону гибели;

a ₂ - интенсивность спада по закону гибели водоудерживающей способности срезанной с одной веточки хвои.

По измеренным значениям текущей массы высушиваемой хвои после моделирования идентификацией закона динамики сушки проб хвоинок вычисляли показатели относительной влажности проб хвои веточки по следующим формулам:

- начальную влажность W₀ (%) хвои срезанной веточки

- безразмерный закон удерживания влаги срезанной хвои веточки

- безразмерный закон обезвоживания хвои веточки

где W₀ - начальная относительная влажность сырых хвоинок веточки, %;

W - динамическая относительная влажность пробы хвои от одной веточки в конце ветви мутовки ели в процессе естественной сушки, %;

m₁ - масса сухой хвои после естественной сушки, г;

m_в0 - масса влаги в хвое при срезании веточки, г;

t - текущее время естественной сушки хвоинок с одной веточки ели с момента ее срезания, ч.

График конкретной динамики (фиг.4) пробы хвоинок с мутовки №1 получил уравнение с четырьмя параметрами модели

График динамики (фиг.5) пробы хвоинок с мутовки №17 получил уравнение статистической модели

При условии t=0, то есть в момент срезки веточки и хвоинок от нее, получаем из уравнения (1) формулу

где m_t=0 - расчетная масса сырой хвои после срезания веточки с южной ветви мутовки, г;

m₁ - расчетная масса сухой хвои после высушивания пробы с одной веточки через полное время высушивания в 987 часов, г;

m_в0 - расчетная масса воды в сырой хвое у одной веточки, г.

Для веточки от мутовки №1 получаем m_t=0=m₁+m_в0=m_t=987+_mв0 или 0,2415+0,3285=0,5700, а для крайней веточки от южной ветви в мутовке №170,4743+0,4965=0,9708 (табл.2).

В данных таблицы 2 приведено сравнение фактически измеренных значений начальной массы хвои и расчетной общей массы хвои в момент срезания веточки от каждой южной ветви всех 17 мутовок учетной ели.

По всем 17 мутовкам максимальная относительная погрешность закона по формуле (1) составляет не более 7,10%.

С учетом количества N хвоинок в каждой срезанной веточке результаты испытаний и расчетов приведены в таблице 3.

По измеренным данным делением сухой и сырой массы хвои веточки и массы влаги в ней вычисляют средние значения (табл.4) удельной массы одной хвоинки по формулам:

- масса сухой хвоинки в среднем , мг

- масса воды в сырой хвоинке в среднем , мг

- масса свежей хвоинки в среднем , мг

где m₁ - масса сухой хвои после естественной сушки, г;

m_в0 - масса влаги в хвое при срезании веточки, г;

m_t=0 - расчетная масса хвои одной срезанной веточки, г;

N - количество хвоинок в одной срезанной веточке, шт.;

- масса свежей (срезанной от веточки, в среднем) хвоинки, мг;

- масса сухой хвоинки (в среднем по веточке), мг;

- масса воды одной сырой хвоинке после срезки (в среднем по веточке), мг.

Водоудерживающая способность пробы хвоинок веточки ели определяется как отношение динамически удерживаемой в процессе сушки воды к отнятой массе воды (табл.4) по формуле

,

где К_ВС - коэффициент водоудерживающей способности растений;

t - текущее время естественной сушки хвоинок с одной веточки ели с момента ее срезания, ч;

a ₁ - активность спада водоудерживающей способности хвоинок по закону гибели (табл.3);

a ₂ - интенсивность спада по закону гибели водоудерживающей способности срезанной с одной веточки хвои (табл.3).

Таблица 4 Коэффициент водоудерживающей способности хвои веточки и масса хвоинок в среднем по веточкам Возраст южной ветви Ар, лет Коэффициент водоудерживающей способности хвои через 1 ч после срезки Средние показатели одной хвоинки масса сухой хвоинки , мг масса воды в сырой хвоинке , мг масса свежей хвоинки , мг 2 9.5 4.31 5.87 10.18 3 81.2 3.24 3.69 6.93 4 12.5 2.90 3.31 6.21 5 10.3 2.94 3.35 6.29 6 15.8 2.63 3.10 5.73 7 16.5 2.99 3.69 6.68 8 18.1 2.27 2.87 5.14 9 24.3 2.38 2.75 5.14 10 65.6 1.46 1.65 3.11 11 341.9 1.90 2.24 4.14 12 82.1 2.08 2.38 4.46 13 82.3 1.84 1.95 3.78 14 25.0 1.57 1.90 3.47 15 48.6 1.54 1.77 3.31 16 38.8 2.30 2.40 4.71 17 13.2 1.63 1.78 3.42 18 102.8 1.64 1.72 3.36

Далее рассмотрим влияние ретроспективного возраста на каждый из показателей, приведенных в таблице 3 и таблице 4. Изменение наиболее чувствительных показателей будет показано биотехническими закономерностями, имеющими высокоадекватные волновые составляющие.

Количество хвоинок в веточке. Этот показатель легко измеряется даже без срезки веточки, поэтому количество хвоинок в одной веточке может стать великолепным биоиндикатором. Это научное решение в дальнейшем будет подкрепляться патентоспособными техническими решениями в последующих заявках на предполагаемые изобретения.

Тем самым, на основе применения нашей методологии научно-технического творчества доказывается практическая возможность поиска научно-технических решений на основе фундаментальных научных исследований поведения вегетативных элементов ели обыкновенной.

Тренд (фиг.6) получает формулу закона экспоненциального роста

Дополнительно были получены еще три волновые составляющие (фиг.7) и это привело к конструкции биотехнической закономерности вида

N₁=49,79428exp(0,073051A_p ^1,12172),

N₂=A₁cos(πA_p/p₁-0,37419), A₁=9,06088·10^-5 A_p ^20,04372exp(-3,77947A_p),

p₁=2,94965-0,21401A_p,

N₃=A₂cos(πA_p/p₂+2,38181), A₂=-5,63511·10^-83 A_p ^143,49827exp(-13,55545A_p),

p₂=16,07270-1,009266A_p,

N₄=A₃cos(πA_p/p₃-5,92223), A₃=3,37330·10^-5 A_p ^58,16878exp(-7,35631A_p ^0,81711),

p₃=0,14028+0,0051433A_p ^1,28637.

Остатки после формулы (12) очень малые. Поэтому относительная погрешность также мала при высокой адекватности модели (12) с коэффициентом корреляции 0,9999.

Высокая адекватность биотехнической закономерности и доказывает возможность применения показателя N как биоиндикатора.

Показатели массы хвои веточки требуют взвешивания на точных аналитических весах с погрешностью измерения ±0,0005 г.

Масса сухой хвои веточки (фиг.8) изменяется по формуле

Масса воды в сырой хвое веточки (фиг.9) изменяется также по двухчленной формуле аналогичной конструкции

Масса сырой хвои веточки (фиг.10) имеет аналогичную по структуре биотехническую закономерность

При этом все три формулы (13), (14) и (15) имеют коэффициент корреляции выше 0,7. Поэтому эти уравнения относятся к сильным связям.

Но все же они уступают по уровню адекватности тренду (11) с коэффициентом корреляции 0,8822.

Параметры закона сушки проб хвои. Из формулы (1) представляет научный интерес изменение параметров a ₁ и a ₂ в зависимости от ретроспективного возраста мутовок учетной ели.

Параметр активности a ₁ закона спада массы в динамике сушки в комнатных условиях (фиг.11) по модели (1) получил формулу

Параметр интенсивности a ₂ спада (фиг.12) по модели (1) имеет вид:

Разброс точек на графиках высокий. По уровню адекватности модель (16) с коэффициентом корреляции 0,568 относится к среднему уровню в интервале 0,5-0,7. А уравнение (17) с коэффициентом корреляции 0,376 в интервале 0,3-0,5 относится к слабым факторным связям.

Интересно отметить, что с увеличением ретроспективного возраста мутовки годичные веточки по динамике сушки их хвоинок получают разнонаправленные экспоненциальные законы. При этом активность спада массы хвои в процессе сушки снижается по закону экспоненциальной гибели, а интенсивность спада - по закону экспоненциального роста.

В целом применение указанных параметров для экологической индикации затрудняется по двум основным причинам:

1) сложность и высокая трудоемкость процесса, включающего срезание годичных веточек, их сушка с многократным взвешиванием, затем моделирование данных динамики сушки в программной среде CurveExpert, после этого повторная идентификации экспоненциального закона по найденным ранее значениям параметров закона сушки;

2) относительно низкая адекватность моделей типа (16) и (17).

Влажность сырой хвои веточки. Применение переносных электронных влагомеров открывает перспективы получения принципиально новых способов индикации территории по относительной влажности хвоинок. Причем трудоемкость резко снизится из-за того, что хвоинки не нужно будет срезывать.

За рубежом появились и другие типы приборов, которые позволяют оценивать физиологические процессы, протекающие в данный момент времени измерений в листьях растений.

Тенденция (фиг.13) характеризуется уравнением закона экспоненциальной гибели

С дополнениями колебательными возмущениями сырой хвои годичных веточек (фиг.14) по мутовкам в зависимости от их ретроспективного возраста была получена трехчленная биотехническая функция с очень высоким коэффициентом корреляции 0,9761 вида

W₀₁=123,13035exp(-0,00075050A_p ^1,84010),

W₀₂=A₁cos(πA_p/p₁-0,93833), A₁=40,46962exp(-0,29099A_p),

p₁=-10,93550+14,20556A_p ^0,0025425,

W₀₃=A₂cos(πA_p/p₂-1,35126), A₂=0,44021A_p ^1,61040exp(-0,11824A_p),

p₂=1,77506-0,00010080A_p ^2,45055.

Максимальная относительная погрешность модели (19) образуется при А_р=14 лет и она равна 100×3,96959/120,67=3,29%. Такая малая погрешность моделирования экспериментальных данных позволяет рекомендовать показатель относительной влажности хвои ели для разработки новых способов.

Коэффициент водоудерживающей способности хвои веточки. По этому показателю была получена самая сложная статистическая модель.

При этом время с момента срезания веточки была принята один час. Поэтому основным требованием к проведению экспериментов в будущем становится точное определение времени первого взвешивания хвои от каждой веточки в отдельности, причем с момента времени срезания самой каждой веточки от ветви с южной стороны учетной ели.

Тренд (фиг.15) состоит из трех членов по уравнению

Коэффициент корреляции 0,9466 очень высокий и поэтому модель (20) может применяться и без дальнейших усложнений ее конструкции.

При этом коррелятивная вариация этого показателя столь высокая, что были получены дополнительно несколько волновых составляющих.

После структурно-параметрической идентификации (фиг.16) была получена общая статистическая модель вида

K_BC1=10,37971exp(0,00045594A_p ^2,92290),

K_BC2=6,54165·10^-9 A_p ^80,67180exp(-18,43922A_p ^1,15342),

K_BC3=7,23256·10^-152 A_p ^237,77008exp(-15,64039A_p ^1,09576),

K_BC4=A₁cos(πA_p/p₁-4,44500), A₁=-0,46924A_p ^0,45909exp(-0,00096068A_p ^3,34932),

p₁=0,97657+0,0050919A_p ^1,77221,

K_BC5=A₂cos(πA_p/p₂+0,20553), A₂=2,48583exp(0,14862A_p),

p₂=3,65121-0,00026807A_p ^2,42426,

K_BC6=A₃cos(πA_p/p₃+6,15014), A₃=0,00090014A_p ^23,32809exp(-15,50231A_p ^0,44592),

p₃=1,97969-0,24374A_p ^0,38033.

Максимальная относительная погрешность формулы (21) будет равна 100×0,134372/12,5=1,07% для третьей мутовки от терминального побега учетной ели в ретроспективном возрасте А_р=4 года. Такая высокая точность позволяет тщательно проанализировать модель (21) для поиска новых научно-технических решений.

Удельная масса хвоинки. В среднем вычисляются три показатели, которые могут быть рекомендованы для биоиндикации экологических условий произрастания ели даже отдельными хвоинками.

Масса сухой хвоинки (фиг.17) определяется уравнением вида

Масса воды в сырой хвоинке (фиг.18) вычисляется по формуле

Масса сырой хвоинки в среднем по веточке идентифицируется биотехнической закономерностью (фиг.19) вида

Коэффициент корреляции соответственно равен 0.9209, 0.9049 и 0.9142, поэтому формулы (22), (23) и (24) показывают сильнейшие по уровню адекватности факторные отношения при изучении влияния ретроспективного возраста мутовки на показатели массы одной хвоинки. Поэтому индикацию можно проводить даже на отдельных хвоинках ели.

Эффективность нового способа проявляется в том, что он позволяет анализировать крону учетной ели по одному или нескольким геодезическим направлениям взятия веточек с концов стеблей всех или части мутовок. Это повышает комплексность анализа кроны у растущего дерева.

Наибольший эффект будет достигнут многократными измерениями мутовок на учетных молодых деревьях ели, произрастающих в различных условиях годичного загрязнения пространства обитания учетной ели.