СПОСОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ИСПЫТАНИЯ РАСТЕНИЙ ПО МАССЕ ПРОБЫ ЛИСТЬЕВ
METHOD FOR ECOLOGICAL TESTING OF PLANTS BY MASS OF LEAVES SAMPLE

Изобретение относится к инженерной биологии, измерениям качества различных видов растений на пробах, преимущественно древесных растений, например листвы и хвои, коры и веток, почвы и гумуса, травы и подстилки, а также других видов биологических проб, взятых из древесных и недревесных растений, почвенных и водных проб растений.
Известен способ экологического испытания проб различных материалов, в том числе и растений, по патенту №2233447, МКИ G01N 33/46, A01G 23/00, включающий размещение пробы в прозрачный мерный сосуд по частям с увеличением ее массы до момента достижения равновесия рычажных весов с постоянной массой на втором конце, измеряют уровень пробы в мерном сосуде, а затем плотность пробы в момент ее взятия вычисляют как отношение постоянной массы к измеренному объему.
Недостатком является одноразовое взвешивание пробы растений, что не позволяет измерять динамику массы пробы с ее высыханием и тем самым не позволяет оценивать биологическое качество листвы испытываемых растений и других видов биологических проб. Кроме того, пробы не могут быть использованы для биохимического анализа.
Известен также способ экологического испытания проб листьев растений по методике биохимического анализа (Воскресенская О.Л. Организм и среда: факториальная экология. Учебное пособие. - Йошкар-Ола: МарГУ, 2005, 175 с., С.70-71) на содержание диоксида серы, включающий взятие пробы листьев с верхней трети каждого листа из относительно чистых и загрязненных участков районов города, а в общем случае на любой местности около автомагистрали, затем для определения гигроскопической влаги берут навеску листьев массой от 0,1 до 1,0 г и высушивают в термостате при температуре 100°С до воздушно-сухого состояния.
Недостатком является, как и в аналоге, одноразовое взвешивание пробы растений, что не позволяет измерять динамику массы пробы с ее естественным высыханием до процесса определения гигроскопической влаги, и тем самым не позволяет оценивать биологическое качество листвы испытываемых растений. При этом недостатком является также и то, что проба геодезическими координатами не сориентирована по сторонам света и по отношению к загрязнителю, то есть к автомагистрали. Это не позволяет изучать поведение древесного растения на загрязнение, и тем самым невозможно оценивать жизнеспособность зеленых насаждений по отдельным деревьям и их биологическим группам в городе и вне него, произрастающих около путей автотранспорта по различным сторонам света.
Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет измерения динамики массы пробы по мере естественного высыхания и количественная оценка биологического качества растений по времени высыхания до постоянной массы.
Этот технический результат достигается тем, что способ экологического испытания растений по массе пробы листьев, включающий взятие пробы листьев с верхней трети каждого листа из относительно чистых и загрязненных участков зеленых насаждений города или на любой местности около автомагистрали, взятие для определения гигроскопической влаги навески листьев массой от 0,1 до 1,0 г и высушивание ее в термостате при температуре 100°С до воздушно-сухого состояния, отличается тем, что до взятия навески листьев из каждой пробы листьев для определения гигроскопической влаги на относительно чистых и загрязненных участках зеленых насаждений выбирают учетные растения и отмечают на карте местности их расположения относительно сторон света и автомагистрали, выбирают точки отбора проб на каждом растении относительно сторон света и автомагистрали на нижней части кроны растения, затем берут точечные пробы листьев с верхней трети каждого листа массой, пропорциональной точности используемых для последующего взвешивания весов, а в комнатно-сухих условиях на весах пробу растений взвешивают многократно по мере ее естественного высыхания, затем статистическим моделированием выявляют закономерности изменения массы пробы растений в зависимости от времени естественной сушки, по найденным закономерностям строят графики динамики массы пробы листьев и сравнивают между собой все точки взятия проб листьев у одного растения, а по разнице между графиками найденных закономерностей оценивают влияние сторон света и активности загрязнения от автотранспорта лиственной кроны каждого изучаемого учетного дерева.
Взвешивание начинают непосредственно после взятия пробы растений, до достижения постоянной массы измерения массы выполняют не менее 5-7 раз и измерения массы продолжают до тех пор, пока не будет достигнуто постоянное значение массы каждой точечной пробы с одного учетного растения, причем достижение постоянной массы пробы выявляют по колебательному изменению массы около некоторого постоянного значения.
Учетные растения около автомагистрали, например растущие лиственные деревья, выбирают на обочине вдоль дороги и на карте-схеме расположения каждого дерева отмечают места взятия будущих точечных проб листвы по четырем сторонам света: север, юг, запад и восток.
Точки отбора проб листьев на каждом растении относительно сторон света группируют также относительно автомагистрали на две группы: со стороны магистрали и с противоположной стороны кроны растения от автомагистрали.
Точки отбора проб на каждом растении относительно сторон света и автомагистрали на нижней части кроны растения принимают, например, у растущих лиственных деревьев в нескольких местах по высоте кроны с каждой стороны света с дополнительным измерением диаметра ствола на высоте 1,3 м, диаметра кроны и ее высоты, а также полной высоты дерева.
Точечные пробы листьев с верхней трети каждого листа массой, пропорциональной точности используемых для последующего взвешивания весов, берут не менее 20-кратной точности используемых весов, причем для удобства анализа из общей массы пробы листьев может быть взята проба с постоянной массой, например 50 грамм.
Сущность изобретения заключается в том, что в лабораторных условиях на аналитических весах появляется возможность выявления закономерности изменения массы каждой пробы листьев растений и последующего сопоставления графиков динамики естественной сушки этих проб для разделения влияний сторон света и влияния загрязнения со стороны автомагистрали.
Новизна технического решения заключается в том, что впервые используется биологического свойство растения о том, что каждый лист является отдельным организмом, реагирующим независимо от других листьев на внешние воздействия - свет (влияние сторон света) и загрязнение (влияние на листья со стороны автомагистрали). Тем самым каждое растение является носителем огромной популяции листьев, накапливающих вредные вещества в верхней трети каждого листа по-своему.
Положительный эффект заключается в том, что значительно расширяется применение способа измерения массы за счет изучения динамики массы пробы листьев лиственных деревьев и появления возможности количественного измерения качества растений по сторонам света и относительно автомагистрали и других технических объектов.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и положительным эффектом. В научно-технической и патентной литературе информационных материалов, порочащих новизну предлагаемого изобретения, авторами не обнаружено.
На фиг.1 приведена ситуационная карта схема расположения учетного дерева относительно обочины дороги; на фиг.2 - вид сбоку на фиг.1; на фиг.3 - ситуационная карта-схема относительно улицы и строений города; на фиг.4 изображена окружающая учетное дерево березу среда; на фиг.5 показан график изменения массы пробы №1 листьев по мере высыхания в естественных комнатных условиях до достижения постоянной массы сухого вещества; на фиг.6 - график изменения массы пробы №2 листьев березы; на фиг.7 - график изменения массы пробы №3 листьев с показом точек измерений массы пробы в динамике высыхания по суткам; на фиг.8 - те же изменения массы пробы №4 листьев по мере высыхания в естественных комнатных условиях до достижения постоянной массы сухого вещества; на фиг.9 показаны графики динамики массы проб листьев березы в увеличенном масштабе значений массы, взятых с четырех сторон учетного дерева: №1 - северная сторона; №2 - южная; №3 - западная; №4 - восточная сторона света.
Способ экологического испытания растений по массе пробы листьев включает такие действия.
Около автомагистрали выбирают учетные растения, например лиственные деревья, для последующего экологического мониторинга территории взятием проб листьев из различных точек на кроне 1, 2, 3 и 4, расположенных по сторонам света и зафиксированных относительно обочины дороги. Количество учетных лиственных деревьев и кустарников должно быть достаточным для выявления экологической ситуации вдоль автомагистрали или иного точечного, линейного или же пространственного источника загрязнения. Все сведения наносятся на ситуационные карты схемы до взятия проб листьев. При этом план взятия проб листьев определяется для каждого учетного растения.
Взятие точечной пробы листьев выполняется в различное время вегетационного периода листвы с учетом точности используемых весов. Исходная масса пробы должна быть не менее 20-кратной точности взвешивания, что позволяет получить данные по массе в пределах 5%. Если потребуется биохимический анализ на содержание серы в листве и других химических видов загрязнения, то все листочки в каждой пробе берутся из листвы растения на верхней трети от вершинки листа. Для выявления динамики массы без последующего биохимического анализа можно брать весь лист растения.
После взятия проба листьев быстро взвешивается, например, на переносных бытовых весах с точностью 1-5 грамм до массы 20-100 грамм, а затем помещается в бумажный пакет. В камеральных условиях удобней довести все пробы до постоянной массы на аналитических весах с точностью 0,1 грамм, например, принимая все пробы листьев со всех растений в 10, 20, …, 50 или более грамм. Постоянство исходной массы проб листьев позволяет быстро сравнивать их по изменению массы каждой пробы, взвешиваемой не менее 5-7 раз до достижения постоянной массы, между собой, перенося результаты сравнения на ситуационную схему (фиг.1) или даже на карту-схему (фиг.3).
Высушивание проб листьев выполняется в камеральных условиях, то есть в лаборатории, с взвешиванием по мере высыхания до постоянной массы, которая колеблется (из-за влажности окружающего в комнате воздуха) около некоторого постоянного значения.
По графикам, выполненным непосредственно по результатам взвешивания (при различных значениях исходной массы проб листьев вычисляется относительная масса, когда после взятия проба имела относительную массу, равную единице или 100%), или же по статистическим моделям (что существенно точнее и быстрее), сравниваются между собой пробы с различных сторон света и расположения на растении относительно обочины дороги (или другого источника загрязнения).
По результатам измерения и анализа всех растений вдоль автомагистрали или же другого источника загрязнения строятся линии равной загрязненности территории.
Способ экологического испытания растений по массе пробы листьев, например, на растущем около обочины дороги лиственном дереве реализуется таким образом.
Пусть пробы листьев в последующем подвергаются взятию навесок для определения гигроскопической влажности и озоления на выявление концентрации диоксида серы, наиболее испускаемой двигателями автомобилей на автомагистрали.
При этом заранее составлены карты-схемы расположения всех учетных деревьев вдоль дороги, а часть учетных деревьев определена на экологически чистой территории примерно с аналогичными условиями освещения солнцем.
Тогда на каждом лиственном дереве до взятия навески листьев из каждой пробы листьев для определения гигроскопической влаги выбирают точки 1, 2, 3 и 4 по сторонам света для отбора проб листьев на каждом растении на нижней части кроны растения. Затем берут точечные пробы листьев с верхней трети каждого листа массой, пропорциональной точности используемых для последующего взвешивания весов, а в комнатных условиях на весах пробу растений взвешивают многократно по мере ее естественного высыхания. После этого статистическим моделированием выявляют закономерности изменения массы пробы растений, в зависимости от времени естественной сушки, и по ним строят графики динамики массы пробы листьев. Их сравнивают между собой по всем точкам взятия проб листьев у одного растения, а по разнице между графиками найденных закономерностей оценивают влияние сторон света и активности загрязнения от автотранспорта лиственной кроны каждого изучаемого учетного дерева.
Взвешивание начинают непосредственно после взятия пробы растений, до достижения постоянной массы измерения массы выполняют не менее 5-7 раз и при этом измерения массы продолжают до тех пор, пока не будет достигнуто постоянное значение массы каждой точечной пробы с одного учетного растения. Причем достижение постоянной массы пробы выявляют по колебательному изменению массы около некоторого постоянного значения.
Учетные растения около автомагистрали, например растущие лиственные деревья, выбирают на обочине вдоль дороги и на карте-схеме расположения каждого дерева отмечают места взятия будущих точечных проб листвы по четырем сторонам света: север, юг, запад и восток.
Точки отбора проб листьев на каждом учетном дереве относительно сторон света группируют также относительно автомагистрали на две группы: со стороны магистрали на расстоянии L от обочины дороги и с противоположной стороны кроны растения от автомагистрали.
1.3
Точки отбора проб на каждом учетном дереве относительно сторон света и автомагистрали на нижней части кроны растения принимают, например, у растущих лиственных деревьев в нескольких местах по высоте кроны с каждой стороны света с дополнительным измерением диаметра ствола D на высоте 1,3 м, диаметра кроны
кр
кр
D и ее высоты Н, а также полной высоты Н дерева.
Точечные пробы листьев с верхней трети каждого листа массой, пропорциональной точности используемых для последующего взвешивания весов, берут не менее 20-кратной точности используемых весов, причем для удобства анализа из общей массы пробы листьев может быть взята проба с постоянной массой, например, 10, 20, …, 50 и т.д. грамм.
Пример. В течение 14 дней проводились измерения массы проб листьев березы с 24.07.2006 г. по 07.08.2006 г. без последующего озоления и биохимического анализа. Поэтому в пробах листья брались целиком при постоянной исходной массе проб в 50 грамм. Результаты измерений фиксировались в рабочей тетради. После по результатам были составлены таблицы, графики по экспериментальным точкам. Для каждой пробы составлены отдельная таблица и эмпирический график. После этого было выполнено статистическое моделирование и определены графики динамики массы каждой пробы листьев березы по суткам высыхания.
Проба №1 была взята с северной, проба №2 с южной, проба №3 с западной, а проба №4 с восточной стороны кроны дерева березы.
Таблица 1Динамика усыхания массы листьев березы
Дата
День
Масса листьев, грамм
проба №1
проба №2
проба №3
проба №4
24.07.06
1
50,0
50,0
50,0
50,0
25.07.06
2
41,2
42,3
42,6
40,9
26.07.06
3
33,9
34,9
34,7
33,2
27.07.06
4
30,2
30,4
31,1
29,5
29.07.06
6
25,1
26,0
27,1
25,5
30.07.06
7
24,3
25,1
26,2
24,4
31.07.06
8
23,7
24,3
25,1
23,8
01.08.06
9
23,1
23,5
24,1
23,1
02.08.06
10
22,7
23,0
23,4
22,6
03.08.06
11
22,5
22,8
23,0
22,4
05.08.06
13
21,1
22,3
22,5
22,0
06.08.06
14
21,1
22,3
22,5
22,0
07.08.05
15
21,1
22,3
22,5
22,0
Из данных табл.1 видно, что по всем пробам масса со временем естественной сушки в комнатных условиях постепенно снижается. Поэтому такую закономерность, как известно, нужно характеризовать законом экспоненциальной гибели.
По исходным табличным данным были выполнены поиски статистических закономерностей по сумме двух устойчивых законов:
1) устойчивого закона экспоненциальной гибели вида
W
где m - масса влаги в листьях, уменьшающаяся по мере естественного высыхания пробы листьев, г;
W0
m - исходная масса влаги в пробе листьев после взятия с дерева, г;
t - время высыхания в комнатных условиях, сутки;
1
2
а, а - параметры статистической модели (5.1), при этом:
1
а - активность удаления влаги из пробы листьев;
2
а - интенсивность (скорость) удаления влаги из пробы листьев по мере естественной сушки;
1
m - первая составляющая статистической закономерности динамики массы пробы листьев дерева, г;
2) устойчивого закона не влияния объясняющей переменной (времени в сутках в теплое время года) на изучаемый показатель, то есть на массу пробы биологических элементов в листьях (клетчатка, минералы и другие вещества), в виде соотношения
2
где m - вторая составляющая общей статистической закономерности динамики массы пробы листьев дерева в процессе естественного высыхания, г;
с
m - масса сухого вещества в пробе листьев (по-видимому, с учетом гигроскопической влажности клеток листьев, что требует дальнейших исследований), полученная по общей статистической закономерности вида
где m - общая масса пробы листьев, г.
Тогда закон динамики массы биологической пробы, в нашем случае проб листьев от растущих деревьев, в количественном виде записывается формулой смеси двух устойчивых законов, то есть в виде уравнения
При этом влажность пробы листьев можно будет определять по крайней мере в двух случаях:
а) по отношению к исходной сырой массе
c
б) по отношению к сухой массе (гигроскопической влажности) m.
Тогда получаем два показателя влажности пробы листьев (в общем случае предполагаем формулу, применимую для любой биологической пробы растений).
Влажность по сырой массе пробы листьев равна
когда в наших опытах исходная (сырая) масса была принята постоянной и равной 50 г, а значение исходной массы влаги определяется по статистической закономерности, идентифицированной по закону (5.4).
Влажность по сухой массе пробы листьев будет равна
г
Формула (7) показывает равновесную влажность (для данной температуры и влажности, окружающих в комнате пробу листьев). После искусственной сушки пробы в термошкафу при температуре 100°С можно будет определить взвешиванием абсолютно сухую массу пробы листьев, а затем вычислить гигроскопическую влажность W и действительную влажность W сырой пробы листьев растений.
В общем случае принимается, что началом шкалы времени является первая дата с момента экспериментального изучения. Поэтому для удобства идентификации закона гибели, и биотехнического закона, исчисление времени начинается с нуля. Поэтому будет соблюдаться условие t=0 для даты наблюдений 24 июля 2006 года.
С преобразованной шкалой времени они приведены в табл.2.
Таблица 2Исходная табличная модель для статистического моделирования динамики массы проб листьев
Дата учета
Время t, сутки
Масса листьев, грамм
проба №1
проба №2
проба №3
проба №4
24.07.06
0
50,0
50,0
50,0
50,0
25.07.06
1
41,2
42,3
42,6
40,9
26.07.06
2
33,9
34,9
34,7
33,2
27.07.06
3
30,2
30,4
31,1
29,5
29.07.06
5
25,1
26,0
27,1
25,5
30.07.06
6
24,3
25,1
26,2
24,4
31.07.06
7
23,7
24,3
25,1
23,8
01.08.06
8
23,1
23,5
24,1
23,1
02.08.06
9
22,7
23,0
23,4
22,6
03.08.06
10
22,5
22,8
23,0
22,4
05.08.06
12
21,1
22,3
22,5
22,0
06.08.06
13
21,1
22,3
22,5
22,0
07.08.05
14
21,1
22,3
22,5
22,0
Моделирование по статистическим данным, приведенным в табл.2, было выполнено в математической среде CurveExpert-1.3.
Проба №1. График закономерности динамики массы пробы листьев с момента взятия пробы листьев с растущего дерева березы, построенный (фиг.5) по уравнению
Проба №2. После идентификации закона изменения массы биологической пробы (фиг.6) была получена формула вида
Проба №3. На фиг.7 показаны экспериментальные точки и график изменения массы пробы листьев по формуле
Проба №4. Результаты моделирования (фиг.8) получены по статистической закономерности вида
Влияние сторон света. Геодезические стороны света значительно влияют на динамику массы проб листвы (фиг.9).
Влияние дороги. Из ситуационной схемы на фиг.1 видно, что ближе к обочине дороги находятся пробы №1 и №4, а с противоположной стороны от дороги находятся пробы №2 и №3. Тогда можем выполнить парное сравнение всех проб, чтобы узнать наличие разницы между сторонами березы, расположенными к дороге и от дороги.
Все изменения в пробах во многом зависят от загрязнения с дороги. Однако сразу же заметим, что данные исследования нужно проводить на основных экспериментах на участках дороги без участия строений и других искусственных сооружений, накладывающих свой отпечаток на динамику массы проб сорванных у деревьев листьев.
Пробы ближе к обочине дороги. Графики №1 и №4 на фиг.9 намного ниже по сравнению с пробами с противоположной стороны дороги. Это может быть только из-за медленного накопления биогенных веществ в клетках листьев из-за того, что химические загрязнения от автомобилей существенно задерживают процессы фотосинтеза.
Пробы листьев с противоположной стороны от дороги. По графикам №2 и №3 процессы фотосинтеза намного активнее.
Влажность листьев в кроне дерева различна и, по-видимому, зависит от многих факторов. Факторный анализ и проведение основных экспериментов позволит прояснить многие закономерности процессов жизнедеятельности как листьев, так и кроны дерева в целом.
Преимуществом предлагаемого способа является техническая простота исполнения, так как требуются только весы. А функциональные возможности значительно расширяются из-за измерения поведения листьев в процессе комнатной сушки в динамике с момента взятия проб листьев, причем точечные пробы на кроне растения сориентированы по сторонам света и относительно обочины дороги.