Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АНАЛИЗА ВИДОВОГО СОСТАВА ЛУГОВОЙ ТРАВЫ ПО ДИНАМИКЕ МАССЫ ЧАСТЕЙ ПРОБЫ

Изобретение относится к измерению качества различных видовых комплексов трав и травянистых растений на пробах, преимущественно на пойменных лугах и прибрежных лесных луговинах, и может быть использовано в экологическом мониторинге лесных и нелесных территорий с травяным покровом. Изобретение относится также к ландшафтам малых рек с естественной луговой растительностью и может быть использовано при оценке видового состава травяного покрова по массе частей пробы по видам растений.

Известен способ испытания проб различных материалов, в том числе и биологических, по патенту №2233447 МКИ G01N 33/46, A01G 23/00, включающий размещение пробы в сосуд по частям с увеличением ее массы.

Недостатком является одноразовое взвешивание пробы растений, что не позволяет измерять динамику массы пробы с ее высыханием и тем самым не позволяет оценивать биологическое и техническое качество испытываемых травяных растений. После учета распределения проб травы на учетных площадках луга масса в размерности г/м² переводится в урожайность травы сенокоса или пастбища в ц/га. Поэтому отпадает надобность в измерении объема пробы, который обязательно необходим в прототипе.

Известен также способ определения качества пробы травяных растений по патенту РФ №2389015, включающий размещение пробы в сосуд по частям с увеличением ее массы, причем до срезания надземной части травы отмечают контуры площадки на месте взятия пробы травяных растений, по мере срезания части пробы травы размещают в сосуд в виде бумажного мешка, после срезки травы со всей площадки бумажный мешок с пробой травы сразу же взвешивают на весах около площадки, а после первого взвешивания пробу травы в бумажном мешке размещают на естественную сушку в сухом и безветренном месте, затем по мере высыхания пробу травы с бумажным мешком многократно взвешивают, причем по результатам взвешивания без учета массы бумажного мешка устанавливают сроки естественной сушки с момента взятия пробы травяных растений и о качестве травяного покрова судят по биологическому времени достижения пробой травы первого и последующих минимумов массы пробы травы.

Недостатком является то, что способ по прототипу предполагает неделимость пробы на отдельные элементы по видовому составу, и это не позволяет проводить анализ пробы по видовому составу травяных и травянистых растений по массе отдельных видов в общей пробе. При этом не соблюдается условие, когда для анализа видового разнообразия травинок нужна большая проба с крупной площадки размерами 2,00×2,00 м. На площадках малого размера масса каждого вида травы оказывается малой и при этом соразмерной с погрешностью взвешивания на переносных весах.

Технический результат - повышение точности измерений массы каждого элемента пробы растений одного вида растения в динамике естественной сушки каждого элемента травяной пробы в отдельности до продолжительности сушки до влажности воздушно-сухого состояния у каждого элемента пробы, а также повышение функциональных возможностей сравнения проб травы на разных учетных площадках по показателям потери влаги в каждом элементе разных проб срезанной травы.

Этот технический результат достигается тем, что способ анализа видового состава луговой травы по динамике массы частей пробы, включающий размещение пробы в сосуд по частям с увеличением ее массы, причем до срезания надземной части травы отмечают контуры площадки на месте взятия пробы травяных растений, по мере срезания части пробы травы размещают в сосуд в виде бумажного мешка, после срезки травы со всей площадки бумажный мешок с пробой травы сразу же взвешивают на весах около площадки, а после первого взвешивания пробу травы в бумажном мешке размещают на естественную сушку в сухом и безветренном месте, затем по мере высыхания пробу травы с бумажным мешком многократно взвешивают, причем по результатам взвешивания без учета массы бумажного мешка устанавливают сроки естественной сушки с момента взятия пробы травяных растений и о качестве травяного покрова судят по биологическому времени достижения пробой травы первого и последующих минимумов массы пробы травы, отличающийся тем, что по мере срезания выполняется глазомерная сортировка по внешним признакам по видам растений, при этом каждый вид травяного растения помещают в отдельный сосуд в виде бумажного мешка с увеличением массы каждого элемента пробы, затем бумажные мешки с видами растений взвешивают по отдельности на переносных весах с погрешностью взвешивания не более ±2,5 грамм при количестве видов не более 7, а также с погрешностью взвешивания не более ±0,5 грамм при количестве видов более 7, а общую массу пробы вычисляют как сумму масс по отдельным видам срезанных растений.

Масса отдельных частей пробы глазомерно сортируется по мере срезания травы на пробной площадке размерами 2,00×2,00 м.

Естественной сушке подвергают части пробы по отдельным видам травяных растений до 40 суток и по достигнутым значениям постоянной массы определяют период высыхания у каждой части пробы, а по продолжительности удерживания влаги растением в части пробы оценивают экологическую устойчивость вида растения на пробной площадке и участка луга, а также кормовое качество сена и исходной травы по отдельным видам и в целом по пробе.

Масса отдельных частей пробы на участке размерами 2,00×2,00 м распределяется по убыванию значений так, что в нулевом ранге или на первом месте рейтинга оказывается общая масса всей пробы.

Закономерность распределения пробы и всех ее частей по видам травяных растений подчиняется одному и тому же закону, что и динамика естественной сушки с потерей влаги пробы травы или ее отдельной части по каждому виду растения, поэтому в изменении массы выявлен фундаментальный закон, определяющий поведение всей пробы травы или отдельных видов по массе в процессе потери влаги при высыхании или распределения среди популяции разнотравья по формуле общего детерминированного закона:

,

где m - масса всех видов растений в траве или по отдельным видам, г;

m₀ - масса влаги, содержащейся в срезанной пробе свежей травы или ее части по отдельному виду, или же общая масса всех видов растений в пробе при учете распределения по видовому составу пробы, г;

m₁ - масса высушенной пробы травы или же ее части по отдельному виду, то есть готового сена, или же в видовом составе масса неучтенных видов растений в общей пробе, г;

x - время сушки t в атмосферном воздухе под навесом, сутки; или же ранг r вида растения в пробе при целочисленной шкале r=0, 1, 2, 3, …; или же рейтинговое место в шкале i=1, 2, 3, …, по массе сырой или сухой пробы травы, по массе влаги, а также в структуре видового состава пробы.

Сущность технического решения заключается в том, что по мере срезания выполняется глазомерная сортировка по внешним признакам растений по видам (например, при сравнении с изображениями по атласу растений). При этом каждый вид травяного растения помещают в отдельный сосуд в виде бумажного мешка с увеличением массы каждого элемента пробы. Затем бумажный мешок с каждым видом растения взвешивают по отдельности на переносных весах с погрешностью взвешивания не более ±2,5 грамм при количестве видов не более 7, а также с погрешностью взвешивания не более ±0,5 грамм при количестве видов более 7, а общую массу пробы вычисляют как сумму масс по отдельным видам срезанных растений.

Сущность технического решения заключается также в том, что масса отдельных частей пробы на участке размерами 2,00×2,00 м распределяется по убыванию значений так, что в нулевом ранге или на первом месте рейтинга оказывается общая масса всей пробы. При этом закономерность распределения пробы и всех ее частей по видам травяных растений подчиняется этому же закону, что и динамика естественной сушки любой пробы травы или ее отдельной части по каждому виду растения.

В итоге в изменении массы выявлен фундаментальный закон, определяющий поведение всей пробы травы или отдельных видов по массе в процессе потери влаги при высыхании или распределения среди популяции разнотравья по формуле общего детерминированного закона

,

где m - масса всех видов растений в траве или по отдельным видам, г;

m₀ - масса влаги, содержащейся в срезанной пробе свежей травы или ее части по отдельному виду до высыхания, или же общая масса всех видов растений в пробе при учете распределения по видовому составу пробы, г;

m₁ - масса высушенной пробы травы или же ее части по отдельному виду, то есть готового сена, или же в видовом составе масса неучтенных видов растений в общей пробе, г;

x - время сушки t в атмосферном воздухе под навесом, сутки; или же ранг r вида растения в пробе при целочисленной шкале r=0, 1, 2, 3, …, или рейтинговое место в шкале i=1, 2, 3, …, по массе сырой или сухой пробы травы, а также по массе влаги, в структуре видового состава пробы.

Сущность технического решения заключается также и в том, что при естественной сушке частей проб по отдельным видам травяных растений до 40 суток появляется возможность по достигнутым значениям постоянной массы определить период естественной сушки у каждой части пробы и тем самым оценить кормовое качество сена и исходной травы по отдельным видам и в целом по пробе. При этом чем больше период естественной сушки, тем качественнее для кормления скота трава.

Положительный эффект достигается тем, что знание общего закона позволяет относительно с малой трудоемкостью проводить полевые эксперименты, а также искать новые высокоточные способы анализа травяного покрова пойменного луга от снижения потерь времени на срезание и размещение частей пробы по видам в отдельные бумажные мешки. Знание общего закона, действительного не только для динамики потери влаги пробой травы в процессе высыхания, но и для распределения видов в составе пробы, дает возможность заранее оценить влияние внешних воздействий на травостой. При нарушении закона видового распределения в пробе становится понятным, что на месте взятия пробы трава была повреждена человеком или животным. А общее количество видов в составе общей пробы показывает качество травяного покрова на данном мозаичном участке по биоразнообразию. Кроме того, определение периода сушки у каждого вида травяного растения позволяет оценить затраты времени на заготовку сена на разных участках луга и на разных лугах, так как по видовому составу травы на пробных площадках задолго до созревания травы и без срезки пробы можно спрогнозировать дату будущего сенокоса и даже оценить примерную урожайность по сену. В итоге то, что селяне издавна умели делать интуитивно, становится научно-технической возможностью по предлагаемому способу.

Новизна технического решения заключается в том, что впервые доказан общий закон видового распределения в пробах травы, растущей в разных условиях рельефа и антропогенного влияния на развитие и рост травяных растений на разных участках пойменного луга.

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

На фиг.1 приведена схема мелиоративной запруды с плотиной и автомобильным мостом с тремя створами измерений по течению водотока малой реки Ировка с севера на юг; на фиг.2 - то же на фиг.1 с разбивкой зон у каждого створа измерений по одинаковому видовому составу растений травяного покрова с указанием длины этой зоны; на фиг.3 показана карта деревни Яндемирово с изучаемым участком малой реки; на фиг.4 дан график динамки массы (слева) при естественной сушке травинок белоуса и остатки после математической модели (справа); на фиг.5 - то же на фиг.4 подорожника; на фиг.6 - то же на фиг.4 всей пробы травы с первой пробной площадки; на фиг.7 показаны графики динамики сушки (слева) и остатки (справа) после моделирования массы белоуса и подорожника на втором створе наблюдений; на фиг.8 - графики динамики сушки (слева) и остатки (справа) после моделирования массы белоуса, ромашки и в целом по всей пробе на третьем створе наблюдений; на фиг.9 даны графики рангового распределения массы по видам растений в пробе травы на правой стороне первого створа измерений на участке пойменного луга реки Ировка; на фиг.10 - то же на фиг.9 второго створа наблюдений; на фиг.11 - то же на фиг.9 третьего створа наблюдений; на фиг.12 показана поверхность отклика массы пробы и ее компонент по видам растений в динамике естественной сушки по первой пробной площадке; на фиг.13 - то же на фиг.12 по второму створу измерений; на фиг.14 - то же на фиг.12 по третьему створу измерений.

Способ анализа видового состава луговой травы по динамике массы частей пробы содержит следующие действия.

По мере срезания выполняется глазомерная сортировка по внешним признакам по видам растений. При этом каждый вид травяного растения помещают в отдельный сосуд в виде бумажного мешка с увеличением массы каждого элемента пробы.

Затем бумажные мешки с видами растений взвешивают по отдельности на переносных весах с погрешностью взвешивания не более ±2,5 грамм при количестве видов не более 7, а также с погрешностью взвешивания не более ±0,5 грамм при количестве видов более 7, а общую массу пробы вычисляют как сумму масс по отдельным видам срезанных растений.

Естественной сушке подвергают части пробы по отдельным видам травяных растений до 40 суток и по достигнутым значениям постоянной массы определяют период высыхания у каждой части пробы, а по продолжительности удерживания влаги растением в части пробы оценивают экологическую устойчивость вида растения на пробной площадке и участка луга, а также кормовое качество сена и исходной травы по отдельным видам и в целом по пробе.

Масса отдельных частей пробы на участке размерами 2,00×2,00 м распределяется по убыванию значений так, что в нулевом ранге или на первом месте рейтинга оказывается общая масса всей пробы.

Закономерность распределения пробы и всех ее частей по видам травяных растений подчиняется одному и тому же закону, что и динамика естественной сушки с потерей влаги пробы травы или ее отдельной части по каждому виду растения, поэтому в изменении массы выявлен фундаментальный закон, определяющий поведение всей пробы травы или отдельных видов по массе в процессе потери влаги при высыхании или распределения среди популяции разнотравья по формуле общего детерминированного закона:

,

где m - масса всех видов растений в траве или по отдельным видам, г;

m₀ - масса влаги, содержащейся в срезанной пробе свежей травы или ее части по отдельному виду, или же общая масса всех видов растений в пробе при учете распределения по видовому составу пробы, г;

m₁ - масса высушенной пробы травы или же ее части по отдельному виду, то есть готового сена, или же в видовом составе масса неучтенных видов растений в общей пробе, г;

x - время сушки t в атмосферном воздухе под навесом, сутки; или же ранг r вида растения в пробе при целочисленной шкале r=0, 1, 2, 3, …; или же рейтинговое место в шкале i=1, 2, 3, …, по массе сырой или сухой пробы травы, по массе влаги, а также в структуре видового состава пробы.

Способ анализа видового состава луговой травы по динамике массы частей пробы, например, на пойменном лугу в охранной зоне малой реки, выполняется следующими действиями.

На малой реке выбирается участок с пойменным лугом, а на нем зоны примерно одинакового видового состава. В каждой зоне закладывается, например, с помощью квадратного шаблона или ленты с колышками по меньшей мере одна пробная площадка размерами 2,00×2,00 м. Вначале на пробной площадке глазомерно определяется количество видов растений.

По мере срезания выполняется глазомерная сортировка по внешним признакам по видам растений. При этом каждый вид травяного растения помещают в отдельный сосуд в виде бумажного мешка с увеличением массы каждого элемента пробы.

Затем бумажные мешки с видами растений взвешивают по отдельности на переносных весах с погрешностью взвешивания не более ±2,5 грамм при количестве видов не более 7, а также с погрешностью взвешивания не более ±0,5 грамм при количестве видов более 7, а общую массу пробы вычисляют как сумму масс по отдельным видам срезанных растений.

Естественной сушке подвергают части пробы по отдельным видам травяных растений до 40 суток и по достигнутым значениям постоянной массы определяют период высыхания у каждой части пробы, а по продолжительности удерживания влаги растением в части пробы оценивают экологическую устойчивость вида растения на пробной площадке и участка луга, а также кормовое качество сена и исходной травы по отдельным видам и в целом по пробе.

Масса отдельных частей пробы на участке размерами 2,00×2,00 м распределяется по убыванию значений так, что в нулевом ранге или на первом месте рейтинга оказывается общая масса всей пробы.

Закономерность распределения пробы и всех ее частей по видам травяных растений подчиняется одному и тому же закону, что и динамика естественной сушки с потерей влаги пробы травы или ее отдельной части по каждому виду растения, поэтому в изменении массы выявлен фундаментальный закон, определяющий поведение всей пробы травы или отдельных видов по массе в процессе потери влаги при высыхании или распределения среди популяции разнотравья по формуле общего детерминированного закона:

,

где m - масса всех видов растений в траве или по отдельным видам, г;

m₀ - масса влаги, содержащейся в срезанной пробе свежей травы или ее части по отдельному виду, или же общая масса всех видов растений в пробе при учете распределения по видовому составу пробы, г;

m₁ - масса высушенной пробы травы или же ее части по отдельному виду, то есть готового сена, или же в видовом составе масса неучтенных видов растений в общей пробе, г;

x - время сушки t в атмосферном воздухе под навесом, сутки; или же ранг r вида растения в пробе при целочисленной шкале r=0, 1, 2, 3, …; или же рейтинговое место в шкале i=1, 2, 3, …, по массе сырой или сухой пробы травы, по массе влаги, а также в структуре видового состава пробы.

Пример. Река Ировка впадает в Илеть, которая затем вливается в Волгу, и находится на территории Параньгинского района Республики Марий Эл. Объект исследования находится в Параньгинском районе РМЭ и расположен на территории Илетьского возвышенно-равнинного южнотаежного района с развитием современного карста. Этот географический район расположен целиком в бассейне реки Плеть. Рельеф территории отличается сложностью. Глубина эрозионного расчленения составляет 125-160 м, местами возрастает до 175 м. Густота овражно-балочной сети колеблется в пределах 100-1300 м/км². Общая длина реки Ировка составляет 61,6 км, суммарная длина ее с притоками и ручьями - 140,3 км. Коэффициент извилистости речной сети будет равен 140,3/61,6=2,278. Водосборная площадь реки Ировка равна 918 км² и состоит в основном из сельскохозяйственных угодий. Долина реки Ировка неясно выраженного типа. Русло реки извилистое, берега обрывистые. Пойма реки используется для выпаса скота и сенокошения.

Участок по течению реки Ировка около деревни Яндемирово (фиг.1 и фиг.2) расположен с северо-востока на юго-запад.

Объект исследования находится с восточной стороны деревни Яндемирово (фиг.3), причем три створа охватывают границы поселения.

По патенту №2269775 «Способ измерения загрязнения реки сточными водами» для экспериментов были заложены три створа измерений: 1) до границы деревни Яндемирово для исключения влияния населенного пункта на урожайность травы пойменного луга; 2) в черте деревни около излучины и моста (фиг.1 и фиг.2) для автомобильной дороги до районного центра Параньги; 3) ниже деревни и малой запрудной плотины с поднятием уровня воды в реке для орошения пойменного луга и бывшего пастбища.

Анализ видового состава. Три пробные площадки 2,00×2,00 м были проанализированы на трех створах измерений со стороны деревни.

Результаты анализа даны в таблицах 1, 2 и 3.

На фиг.4 показан график, формула закономерности и остатки от этой формулы для доминирующего вида растения - белоуса, чаще всего произрастающего в местах с сильным антропогенным влиянием. По остаткам (абсолютной погрешности) видна возможность выявления дополнительно волновой составляющей колебательного возмущения в процессе сушки. При этом коэффициент корреляции (буква r в правом верхнем углу графика) близок к единице, и поэтому теснота факторной связи по динамике естественной сушки сверхсильная.

Самая малая часть пробы в виде подорожника (фиг.5) получает коэффициент корреляции 0,9914. Общая закономерность действительна и для общей массы всей пробы травы (фиг.6) с теснотой связи 0,9997.

По данным таблицы 2, из-за наличия моста через малую реку на втором створе измерений в пробе оказалось всего четыре вида.

Из графиков (фиг.7) по двум видам растений видно, что растения на втором створе имеют низкую способность удерживания влаги и поэтому она быстро сохнет. Поэтому влияние автомобильного моста на видовой состав и качество травяного покрова на втором участке луга значительное

В таблице 3 даны результаты анализа видового состава с пробной площадки от третьего створа наблюдений.

Здесь пропал подорожник и число видов травяных растений возросло до пяти. Наименьшую массу (фиг.8) получила ромашка.

Параметры видового состава. В целом три пробы и виды травяных растений по трем створам реки с закладкой по одной пробной площадки размерами 2,0×2,0 м (табл.1, 2 и 3) дали 3+7+4+5=19 уравнений динамики потери влаги при естественной сушке до постоянной массы.

Все уравнения были получены законом вида

где m_t - масса всех видов растений в траве или по отдельным видам, г;

m_вл0 - масса влаги, содержащейся в срезанной свежей траве, г;

m_c - масса высушенной травы, то есть готового сена, г;

t - время сушки в атмосферном воздухе под навесом, сутки.

Коэффициенты корреляции у всех 19 уравнений выше 0,99. Параметры модели (1), а также измеренные и расчетные по моделям параметры проб травы приведены в данных таблицы 4.

Период высыхания. Результаты приведены в таблице 5.

Из значений периода высыхания видно, что один и тот же вид растения, кроме белоуса, привыкшего жить в антропогенных условиях, меняет свойства удерживания влаги в зависимости от створа наблюдений, то есть от условий произрастания по трем участкам луга (см. фиг.2). В этом отношении примечателен клевер луговой, который получает максимальный период влагоудерживания в 20 суток на втором створе измерений около автомобильного моста. Таким образом клевер луговой может стать хорошим индикатором экологической ситуации в различных экологических условиях.

Распределение видов травяных растений по массе. Из статистической экологии [Мазуркин П.М. Статистическая экология: учеб. пос. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. 308 с.] известно, что в ранговом распределении видового состава наилучшим является случай, когда за нулевой (при рейтинге - за первый) ранг принимается значение показателя по сумме видов.

По массе проб травы с пробной площадки в 4 м² после рассортировки травы по видам растений так и получилось - общая биотехническая закономерность имеет детерминированную формулу

где m_r - ранговое распределение видов травяных растений по массе, г;

m_r=0 - общая масса всех видов растений в пробе, г;

m_r=∞ - масса неучтенных видов растений в пробе, г;

r - ранг вида растения в пробе r=0, 1, 2, 3, …, или рейтинговое место; i=1, 2, 3, …, по массе сырой или сухой пробы травы, а также по массе влаги.

Для первого створа были получены уравнения (фиг.9):

сырая трава

сухая трава

масса влаги

Знак свободного члена меняется. Отрицательный знак показывает потенциальные возможности у конкретного видового состава растений на данной пробной площадке. Поэтому можем сделать вывод о том, что по сырой массе и массе влаги имеются резервы повышения продуктивности пойменного луга. Из-за влияния высоты берега есть дефицит влаги 261,4/4=65,35 г/м² или же на 100×261,4/1574,4=16,60%.

На втором створе картина иная (фиг.10), хотя формулы аналогичны:

сырая трава

сухая трава

масса влаги

Третий створ характеризуется уравнениями (фиг.11):

сырая трава

сухая трава

масса влаги

Из графиков видно, что каждый створ имеет свой «характер». Он определяется параметрами а ₁ и а ₂ модели типа (2).

Нагляднее сравнение видно из двумерных графиков на фиг.12, 13 и 14. Заметно совместное влияние двух факторов: времени сушки и ранга распределения на изменение массы по пробе и ее компонентам.

Таким образом, поведение травяных растений вполне можно изучать по динамике сушки отдельных частей пробы травы по видам растений. При этом аналогично динамике сушки пробы и ее частей по видам растений происходит распределение видов растений по массе относительно общей массы пробы с нулевым рангом.

Предлагаемое изобретение дает возможность ежегодного экологического мониторинга разных участков пойменного луга, подвергаемого тем или иным антропогенным воздействиям. При этом наиболее чувствительным к изменениям по периоду высыхания оказался клевер луговой.