СПОСОБ ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ МОРОЗОСТОЙКОСТИ РАСТИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ ПЛОДОВЫХ И ЯГОДНЫХ КУЛЬТУР

Область техники, к которой относится изобретение, и преимущественная область его использования

Изобретение относится к сельскому и лесному хозяйству и может быть применено для установления морозостойкости растительной ткани.

Характеристика аналогов изобретения

Известен полевой и целый ряд лабораторных методов определения зимостойкости.

Полевой метод испытаний, несмотря на все свои достоинства, имеет один существенный недостаток - длительность испытания (для надежной оценки устойчивости требуются десятки лет).

Основным лабораторным методом является моделирование низких температур в контролируемых условиях, как правило, используя стационарные морозильные камеры. Обязательным условием при этом способе является дальнейшая оценка жизнеспособности растений после действия повреждающих факторов. Способы оценки могут быть различными в зависимости от объектов, которые используются в работе, а также поставленных задач. К основным, можно отнести метод отращивания и оценки повреждений по побурению тканей; по выходу электролита из клеток; с помощью солей тетразолия и др.

Каждый из методов не лишен своих преимуществ и недостатков. В частности, метод оценки по побурению отличается неточностью по причине известной возможности регенерирования подобных тканей, их дальнейшего осветления, и в то же время, по мнению ряда исследователей, побурение не может служить признаком повреждения камбия, т.к. последний не имеет своих хромогенов и может буреть лишь вследствие проникновения пигмента из соседних поврежденных клеток.

Метод оценки повреждений по выходу электролита из клеток основан на явлении повышения проницаемости мембран и увеличения выхода электролитов из клетки при ее повреждении. К недостаткам метода можно отнести то, что вымываемость электролитов зависит от диаметра и морфологических особенностей стеблей, что значительно варьируется у разных сортов. Усовершенствованный способ по измерению электропроводности самих тканей, когда игольчатые электроды вставляются непосредственно в стебель, показал слабое согласование с результатами при лабораторном отращивании.

Более чувствительный и достоверный метод определения жизнеспособности тканей с помощью солей тетразолия требует очень аккуратного подхода, когда незначительное сжатие стеблей руками может привести к искаженным результатам.

Так или иначе, все перечисленные методы направлены на определение лишь результатов гибели клеток после воздействия низкотемпературной составляющей.

Способом определения морозоустойчивости непосредственно в процессе замерзания является метод дифференциального термографического анализа, основанный на фиксации выделения тепла при замерзании переохлажденной воды в сердцевидных лучах древесины. Вместе с тем, этот метод диагностики возможен лишь для переохлаждающихся видов и тканей, и отсутствие низкотемпературных экзотерм у них еще не всегда говорит об их сохранности (Определение устойчивости плодовых и ягодных культур к стрессорам холодного времени года в полевых и контролируемых условиях: методические указания. - М., 2002. - 120 с.).

Кроме того, известен способ определения морозостойкости измерением скорости звука в свежесрезанном листе растения при температурах от 0 до -40°С на частоте 1 Гц методом свободных крутильных колебаний (А.С. СССР №1183023, Патент ЧССР №225629).

Характеристика прототипа

Из известных решений наиболее близким по назначению и сущности к заявляемому способу является способ определения порога морозостойкости растительных тканей с помощью звука. При этом в качестве модели для оценки названных характеристик выбраны листья вечнозеленого растения Magnolia. Измеряют скорость звука в свежесрезанном листе данного растения при температурах от 0 до -40°С на частоте 1 Гц методом свободных крутильных колебаний. Скорость понижения температуры 0,6 град./мин. Критерием границы морозостойкости предложено считать положение характерного излома на температурной зависимости скорости звука в образце.

Критика прототипа

Однако известный способ имеет следующие недостатки. Практическое применение любой методики оценки морозоустойчивости растительной ткани предполагает использование не только листьев данного растения, но и других его частей (стебель, корень, древесная ткань), в отношении которых требуется определение исследуемого параметра. Таким образом, применение метода, заявленного в прототипе, не позволяет оценить, например, морозоустойчивость одревесневших побегов растений разного возраста. На практике, в странах с холодным климатом, наибольший интерес для исследования представляет анализ жизнеспособности растительной ткани не только в период вегетации и не столько вечнозеленых растений, сколько листопадных культур во время т.н. «зимней спячки», когда вероятность повреждения ткани воздействием низких температур наиболее высока. Особенно важным это оказывается при селекционной работе, когда на ранних стадиях необходим отбор растений, максимально устойчивых к наиболее распространенным повреждающим факторам (низкие температуры), что не всегда оказывается возможным при использовании традиционных методов. Кроме того, использование температурной зависимости скорости звука для оценки порога морозостойкости приводит к появлению неизбежных погрешностей, в значительной степени обусловленных субъективностью при нахождении положения изломов (определяются визуально по графикам зависимостей).

Целью предложенного способа является быстрая, достоверная и точная оценка критической температуры морозостойкости и критерия физической жизнеспособности одревесневшей растительной ткани плодовых и ягодных культур.

Сущность изобретения

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом способе образец одревесневшей ткани плодовой культуры в виде тонкой пластинки размером (40-80)×(5-10)×(0,2-2) мм, взятый из свежесрезанного побега, помещается в криокамеру обратного крутильного маятника и подвергается быстрому (до 20 минут) замораживанию до температуры -120...-70°С. Динамический механический анализ (далее ДМА) проводится в соответствии с ГОСТ 20812 и предполагает нахождение динамического модуля сдвига и тангенса угла механических потерь при постепенном увеличении температуры образца, производимом путем естественного прогревания, скорость которого определяется температурой окружающей среды и остаточным количеством криогенной жидкости, и в среднем составляет 1 град./1мин. Глубокой и быстрой первоначальной заморозкой достигается «мгновенная» фиксация состояния материала на момент начала измерений и снижается вероятность приспособления (адаптации) растительной ткани к условиям окружающего пространства с изменением при этом молекулярной структуры, которое может иметь место при медленном охлаждении в соответствии с прототипом.

Погрешность в расчете величины G′ и tgδ составляет не более 5%, точность измерения температуры ±0,5°С. Температура, соответствующая процессу фазового или релаксационного перехода в компонентах древесины (характеристическая температура Т_х), связана с температурой морозостойкости древесного вещества. Это обусловлено тем, что обе температуры непосредственным образом связаны со строением вещества древесины в целом и отдельных ее компонентов, в частности, а также с наличием воды в клетках и межклеточном пространстве и ее взаимодействием с активными группами макромолекул растительных клеток. Следовательно, зная характер изменения Т_х, в зависимости от вида растения, его возраста и прочих факторов, можно предсказать характер зависимости температуры морозостойкости.

Характеристическую температуру определяют по пикам на температурной зависимости тангенса угла механических потерь либо по характерному ходу температурной зависимости динамического модуля сдвига. Процесс химической или структурной перестройки вещества при той или иной температуре приводит к резкому изменению величины его модуля сдвига.

Для увеличения точности нахождения положения Т_х и границ перехода по методике, описанной в работе Старцева О.В., Сортыякова Е.Д., Исупова В.В., Насонова А.Д., Скурыдина Ю.Г., Коваленко А.А., Никишина Е.Ф. (Акустическая спектроскопия полимерных композиционных материалов, экспонированных в открытом космосе. В сб. «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред» - Барнаул, изд-во АТУ, 1997. - 148 с.), производится расчет первой и второй температурной производной G′, что позволяет характеризовать интенсивность процесса и определить его точное положение.

Минимум температурной производной dG′/dt соответствует максимальной скорости протекания процесса. Использование производных позволяет легко определить и границы области перехода - они соответствуют точкам перегиба на графике dG′/dt. Температуру начала и завершения процесса определяют по положению, соответственно, минимума и максимума второй производной G′, причем нулевое значение d²G′/dt² соответствует температуре перехода.

Сопоставительный анализ заявляемого способа с прототипом показывает, что заявляемый способ соответствует критерию новизна и отличается от известного тем, что в качестве объекта исследования выбрана одревесневшая ткань плодово-ягодных растений, характерных для средней полосы России и не являющихся вечнозелеными растениями. Таким образом, оказывается возможным проведение измерений на образцах не только в период вегетации, но и в осенне-зимний период, когда вероятность низкотемпературного поражения растительной ткани наиболее высока. При этом взятие образцов для проведения измерений не представляет затруднений. Работа с одревесневшей частью позволяет исследовать растительную ткань разного возраста - от однолетней до многолетней, что при работе с листьями осуществить невозможно. Кроме того, в отличие от прототипа, при реализации заявляемого способа становится возможным определить зависимость характеристической температуры морозостойкости для одних и тех же сортов растительного материала как от времени года, в которое осуществлялся отбор материала и его измерения (октябрь-март), так и от года, в который эксперимент был проведен, что обусловлено различиями в климатических условиях в тот или иной период времени, а также постепенной адаптацией растительной ткани к окружающей температуре в процессе естественного закаливания и соответствующего изменения макро- и микроструктуры тканей.

Использование температурной зависимости динамического модуля сдвига и тангенса угла механических потерь в комплексе с современными пакетами математической обработки (нахождение производных), для оценки порога морозостойкости, приводит к существенному повышению точности и снижению субъективных факторов в оценке требуемых параметров.

Таким образом, анализ известных решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявленном способе определения морозостойкости, и признать заявленное решение соотвествующим критерию «Изобретательский уровень».

Перечень фигур графических изображений

На фиг.1 представлена схема использованного в работе обратного крутильного маятника. Исследуемый образец 1 крепится посредством зажима 2 к неподвижному основанию криокамеры 11. Верхний конец образца может совершать вокруг вертикальной оси колебания, передающиеся подвижным зажимом 3 и стальным стержнем 4 инерционной детали 5. Вся система 3, 4, 5 вместе с грузами 6, 7 подвешена на торсионе 8 (стальной проволоке с высокой жесткостью) и уравновешивается через блок 9 противовесом 10.

Если отклонить инерционную деталь на некоторый малый угол относительно вертикальной оси, а затем предоставить системе свободу, то она начнет совершать свободные затухающие крутильные колебания, в классическом приближении описываемые выражением:

где А(τ) - мгновенное значение угла отклонения маятника от положения равновесия в момент времени τ, А₀ - амплитуда колебаний в момент времени τ=0, ω=2π/Т - круговая частота, Т - период колебаний, β - начальная фаза колебаний, α - коэффициент затухания.

Амплитуда свободных колебаний системы будет уменьшаться вследствие диссипативных потерь в образце при его периодических сдвиговых деформациях. Интенсивность затухания и период колебаний зависят исключительно от молекулярного строения и морфологической структуры изучаемого материала и претерпевают существенные изменения в зависимости от температуры окружающего пространства и самого образца. Увеличение и уменьшение температуры приводит к изменению молекулярной подвижности в материале и его отдельных компонентах, что находит отражение на характере кривых температурных зависимостей G′ и tgδ. Для нахождения G′ и tgδ непосредственно в процессе эксперимента измеряют период колебаний маятника с закрепленным образцом и число полных колебаний, в течение которых амплитуда уменьшается в 10 раз, а также температуру, при которой эти параметры зафиксированы. Все параметры регистрируются полуавтоматической электронной системой.

Расчет G′ и tgδ производят по методике и формулам, приведенным в работе Перепечко И.И. (Акустические методы исследования полимеров. М.: Химия, 1973. - 295 с.).

Примеры конкретного выполнения

Пример 1. Образец свежесрезанной древесной ткани однолетнего побега яблони сорта Декабренок, взятый в октябре 2003 года, был помещен в криокамеру обратного крутильного маятника. После быстрого охлаждения до -90°С при равномерном нагреве со скоростью 1 град./мин до температуры +17°С были получены температурные зависимости G′ и tgδ, представленные на фиг.2. На верхнем графике, отображающем зависимость tgδ=f(t), отмечается четкий пик при температуре -16,5°С, соответствующий характеристической температуре перехода и определяемый как температура морозостойкости данного сорта в октябре 2003 года. По температурной зависимости G′ через анализ производных (средние графики) определены границы перехода, началу которого соответствует температура -4,5°С, а окончанию - 20,5°С, при этом максимальная интенсивность перехода определяется при температуре -15,5°С и коррелирует с температурой максимума tgδ. Результаты измерений полностью воспроизводятся при повторном исследовании аналогичных образцов.

Пример 2. Образец свежесрезанной древесной ткани однолетнего побега яблони сорта Декабренок, взятый в декабре 2003 года, был подвергнут измерениям на обратном крутильном маятнике в диапазоне температур -90°С...+10°С при равномерном нагреве со скоростью 1 град./мин. Температурные зависимости G′ и tgδ представлены на фиг.3. На графике зависимости tgδ=f(t) пик механических потерь располагается при температуре -31°С (температура морозостойкости в декабре 2003 года), что на 14,5°С ниже аналогичного показателя, полученного в октябре. При этом нижняя граница перехода, определяемая по температурной зависимости G′, расположена при температуре -42°С, а максимальная интенсивность соответствует температуре -36°С (верхняя граница не определена). Результаты измерений полностью воспроизводятся при повторном исследовании аналогичных образцов. Очевидно, что за время, прошедшее с момента предыдущего измерения, произошла трансформация молекулярного строения растительных тканей, способствующая естественной закалке и существенному понижению температуры порога жизнеспособности.

Пример 3. Образец свежесрезанной древесной ткани однолетнего побега яблони сорта Сибирка №9, взятый в декабре 2003 года, был подвергнут измерениям на обратном крутильном маятнике в диапазоне температур -90°С...+7°С. На графике зависимости tgδ=f(t) пик механических потерь располагается при температуре -39°С, что на 8°С ниже показателя, полученного в декабре для яблони сорта Декабренок. При этом нижняя граница перехода, определяемая по температурной зависимости G′, расположена при температуре -46,5°С, верхняя при температуре -31°С, а максимальной интенсивности соответствует температура -39°С. Результаты измерений полностью воспроизводятся при повторном исследовании аналогичных образцов. Таким образом, закономерно более морозоустойчивый сорт яблони Сибирка №9 имеет более низкотемпературный показатель характеристической температуры, определяемый методом ДМА.

Пример 4. Образец свежесрезанной древесной ткани однолетнего побега яблони сорта Декабренок, взятый в декабре 2004 года, был подвергнут измерениям на обратном крутильном маятнике в диапазоне температур -70°С...+10°С. На графике зависимости tgδ=f(t) пик механических потерь располагается при температуре -13°С, что на 18°С выше показателя, полученного в декабре 2003 года для этого же сорта. Результаты измерений полностью воспроизводятся при повторном исследовании аналогичных образцов. Таким образом, прослеживается зависимость характеристической температуры морозостойкости, определяемой методом ДМА, от природных факторов (года проведения исследования).

Источники информации:

1. Определение устойчивости плодовых и ягодных культур к стрессорам холодного времени года в полевых и контролируемых условиях (методические указания). - М., 2002. - 120 с.

2. А.С. СССР №1183023.

3. Патент ЧССР №225629.

4. Старцев О.В., Сортыяков Е.Д., Исупов В.В., Насонов А.Д., Скурыдин Ю.Г., Коваленко А.А., Никишин Е.Ф. Акустическая спектроскопия полимерных композиционных материалов, экспонированных в открытом космосе. В сб. «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред» - Барнаул, изд-во АГУ, 1997. - 148 с.

5. Перепечко И.И. Акустические методы исследования полимеров. М.: Химия, 1973. - 295 с.