СПОСОБ ОЦЕНКИ ПОТЕРЬ ПРОДУКТИВНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2009 года по МПК G01N33/24 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к способам определения влияния на продуктивность сельскохозяйственных культур ионизирующих излучений.

Известен «Способ определения дозы ионизирующего облучения, поглощенной биологической тканью», путем исследования биофизических свойств крови, при этом измеряют диэлектрическую постоянную образца взвеси клеток крови и по ее величине определяют и по ее величине определяют поглощенную дозу облучения биологической ткани.

Патент РФ №1218512, МПК: G01N 33/48, публ. 10.04.1995 г. Известен «Способ оценки почвенного плодородия», заключающийся во взятии проб конкретных почв и определении различных показателей, затем строят оценочную шкалу параметров почвенного плодородия эталонных почв.

Патент РФ №2071605, МПК: G01N 33/24, публ. 10.01.1997 г.

Однако среди патентной информации не был найден ни один аналог, который был бы близок к решению задачи, поставленной в предложенном изобретении.

Одним из показателей, характеризующих ответные реакции растений на действие ионизирующих излучений, является радиочувствительность, которую принято рассматривать как явление, состоящее из: собственной устойчивости системы к облучению (т.е. ее способности не разрушаться под действием поглощенной энергии) и восстановительной (репарация повреждений) способности. Радиочувствительность организмов оценивается на каждом этапе жизни по признакам, свойственным именно этому этапу. Характер ответных реакций растений на один и тот же действующий фактор различен в разные периоды онтогенеза.

При равномерном облучении растений его поражение обуславливается радиационным повреждением наиболее радиочувствительных тканей, групп и отдельных клеток. Такие ткани, повреждение которых влечет за собой лучевое поражение всего растения, являются критическими для организма в отношении общей реакции растения на действие радиации (Davies C.R., 1968; Пристер Б.С., Кальченко В.А., Рябов В.Г. и др., 1974). У высших растений, благодаря наличию эмбриональных тканей - меристем, сохраняющих способность к клеточному делению, органогенез протекает в течение всей жизни. Способность меристем сохранять постоянный клеточный состав и поддерживать нормальные темпы клеточного деления определяет реакцию растения на облучение (Гудков И.Н., 1985).

Радиобиологические эффекты при облучении вегетирующих растений оценивают обычно по величинам ДД₅o, ЛД₇o и ЛД₁₀₀ - дозам облучения, вызывающим соответственно гибель 50, 70 или 100% растений к концу вегетационного периода (Преображенская Е.И., 1969; Савин В.Н., 1969). Для большинства сельскохозяйственных культур дозы облучения, вызывающие гибель 50% растений, приводят к полной потере продуктивности. Поэтому для характеристики степени устойчивости сельскохозяйственных растений к действию ионизирующих излучений наибольшее распространение получил показатель потери продуктивности - УД₅₀ - доза, при которой происходит потеря 50% урожая культуры.

Формирование радиобиологических эффектов, определяющих величину УД5о, зависит от индивидуальной радиочувствительности в различные фазы развития растений.

Степень развития количественных признаков при воздействии излучений на семена и вегетирующие растения адекватно отражает суммарный радиобиологический эффект, учитываемый по общей продуктивности культуры в конце периода вегетации (Батыгин Н.Ф., Потапова С.М., 1969).

Наиболее близким аналогом к предложенному техническому решению является прогнозирование потерь продуктивности сельскохозяйственных культур при радиоактивном загрязнении местности, представленное в опубликованных научных работах в семидесятых - восьмидесятых годах (Killion D.D., Constantin M.J., 1970, 1971; Igbal I., Zahur M.S., 1975; Igbal J., Aziz G, 1981).

В основу этих расчетов были положены, в основном, данные о радиационном поражении сельскохозяйственных культур при γ-облучении вегетирующих растений.

Недостаток такого способа связан с тем, что при расчетах дозовых нагрузок на растения (а, следовательно, и последующего прогнозирования потерь продуктивности) не учитывается вклад β-излучения в общую дозовую нагрузку. В то же время прогнозирование потерь продуктивности сельскохозяйственных культур в условиях радиоактивного загрязнения местности должно основываться на корректной оценке дозовых нагрузок на растения, при оценке которых необходимо, кроме γ-излучения, учитывать вклад β-составляющей. В другой работе расчет потерь продуктивности представлен только для зерновых культур (Сельскохозяйственная радиоэкология, 1991).

Также следует отметить присущие обоим описанным способам недостатки, связанные с тем, что прогноз разработан для ограниченного круга культур, что не позволяет экстраполировать данные для других биологических видов, поскольку радиочувствительность основных сельскохозяйственных культур различается в 2-10 раз. Различия имеются не только между разными культурами, но и между сортами одной и той же культуры, которая может достигать величины 2-5 раз (Анненков Б.Н., Юдинцева Е.В., 1991).

Уровень критических доз определяется фазой развития растений в момент облучения. Для основных зерновых злаков (пшеницы, ячменя и ржи) средние значения УД₅₀ при остром γ-облучении вегетирующих растений для наиболее радиочувствительной фазы развития не превышают 13 Гр.

Средние значения УД₅₀ для злаковых культур при остром γ-облучении вегетирующих растений, Гр, приведены в табл.1.

Таблица 1

Фаза развития в момент облучения Пшеница (озимая, яровая) Рожь озимая Ячмень Овес Рис Всходы 50 60 35 30 45 - Кущение 20 35 30 20 30 - Выход в трубку 8 13 4 8 16 75 Кущение 25 24 20 12 10 160 Цветение 35 40 35 30 35 -

Фаза выхода в трубку оказывается наиболее радиочувствительной у пшеницы, ячменя и ржи при облучении посевов дозой, вызывающей снижение урожая на 90%. У овса по УД₉₀ наиболее радиочувствительной является фаза выметывания метелки.

К техническому результату относится повышение точности оценки потерь продуктивности сельскохозяйственных культур в результате воздействия ионизирующих излучений и обеспечение возможности прогнозирования потерь продуктивности для широкого спектра разных видов сельскохозяйственных культур в различные фазы их развития.

Технический результат достигается тем, что способ оценки потерь продуктивности сельскохозяйственных культур в результате воздействия ионизирующих излучений включает измерение доз ионизирующих излучений, получение биометрических характеристик и морфофизиологических характеристик растений, а также данных о задержании и распределении радиоактивных частиц в посевах. При этом на стадии измерения доз ионизирующих излучений на территориях, загрязненных радионуклеидами, выявляют зависимость величины соотношения поглощенных сельскохозяйственными культурами доз (β+γ)-излучения к дозе γ-излучения от высоты расположения точки роста над поверхностью почвы. Затем осуществляют построение зависимости потерь продуктивности сельскохозяйственных культур в различные фазы их развития от интервалов доз γ-излучения и последующую экстраполяцию результатов с оценкой диапазона критических доз ионизирующих излучений, исключающих нормальное развитие и формирование сельскохозяйственных культур.

Способ осуществляется следующим образом. Прогнозирование потерь продуктивности сельскохозяйственных культур в условиях радиоактивного загрязнения местности проводится с учетом биологических особенностей сельскохозяйственных культур путем использования специально рассчитанного коэффициента (α), отражающего отношение поглощенных в «критических» органах доз (β+γ)-излучений к дозе γ-излучения, сформированной за 2 недели после выпадения радиоактивных осадков. Формирование поглощенных доз β-излучения в «критических органах» (точка роста) зерновых злаковых культур рассчитывали с учетом биометрических характеристик растений, задерживания и распределения радиоактивных частиц в посевах. Коэффициент α для растений зерновых злаковых культур при средней густоте стеблестоя в посевах около 400 шт./м² не остается постоянным в течение вегетационного периода и в зависимости от высоты расположения точки роста над поверхностью почвы изменяется от 7 до 1,5. Так, при высоте точки роста «критического органа» над поверхностью почвы 0.1, 0.3, 0.7, 1.0 и 1.5 м величина α составляет соответственно 7, 5, 3.5, 2.6 и 1.5 (табл.3).

Для сельскохозяйственных культур, по которым экспериментальные данные о соотношении доз (β+γ)-излучений к дозе γ-излучения отсутствовали, оценку вклада β-излучения в дозовую нагрузку проводили исходя из концепции об определяющем значении меристем в поражении растений путем экстраполяции данных, полученных для зерновых культур (рожь, пшеница, ячмень, овес), а также с учетом особенностей их строения и развития. Для тех культур, у которых на ранних этапах развития точка роста (верхушечная меристема) находится над почвой или вблизи ее поверхности, а биомасса по сравнению со злаковыми растениями - над почвой или вблизи ее поверхности, а биомасса по сравнению со злаковыми растениями - небольшая (горох, гречиха, лен-долгунец, морковь) - коэффициент α в фазу всходов равен 13; в фазы бутонизация (у гороха и гречихи), елочки (у льна) и 7-9 листьев (у моркови) он равняется 10. Для фазы всходов у подсолнечника и сахарной свеклы коэффициент α также равен 10.

Результаты исследований сведены в таблицы 2-19.

Таблица 2. Отношение поглощенной дозы (β+γ)-излучений к дозе γ-излучения в зависимости от высоты расположения точки роста («критического» органа) над поверхностью почвы Высота расположения точки роста (критического органа) над поверхностью почвы, м Величина соотношения доз (β+γ)- излучений к дозе γ-излучения 0,1 7 0,3 5 0,7 3,5 1,0 2,6 1,5 1,5

Для всех фаз развития кукурузы из-за особенностей строения культуры и хорошей защищенности меристемных тканей α принято за 1. У гречихи в фазу цветения α=7, в фазу начало созревания - 4. У подсолнечника в фазы 2-х пар листьев 7, начало образования соцветий - 5, образования соцветий и налив зерна - 5.

У картофеля для фаз: всходы и вытягивание стеблей α=7; бутонизация - 5; цветение - 3. Для сахарной и столовой свеклы в фазы: 5-9 листьев α=5; 11-16 листьев - 4; рост корнеплода - 4.

Для капусты в фазы: 6-8 листьев α=7; 11-13 листьев - 5; образование кочана - I. Для моркови в период роста корнеплода α=7. Для овощных культур при получении семян в фазы: бутонизация, цветения и созревания семян у моркови α=5; у свеклы и капусты - 3. Для хлопчатника в фазе 3-4 листьев α=10; в фазе бутонизации - 5; в фазе цветения 3. Для риса в период, когда конус нарастания находится под водой, α=0,6; в фазы выметывание метелки и цветение - 4. Для проса в фазе кущения α=0,6; в фазе выход в трубку - 7, выметывание метелки - 4.

Существенным обстоятельством является неодинаковая радиочувствительность различных видов сельскохозяйственных растений.

Для зернобобовых культур уровень критических доз по показателю УД₅₀ находится в пределах 2-3 Гр, для пшеницы яровой и озимой - в интервале 3-4 Гр; подсолнечника - 3-4 Гр; гречихи - 3-4 Гр; льна и картофеля - 30-50 Гр; сахарной свеклы - 12-30 Гр.

Таблица 3. Потери продуктивности пшеницы (яровая, озимая), % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 Всходы-кущение 0 0 0 0 0 0 0 0 0 20 30 Начало выхода в трубку 0 0 15 30 50 75 90 100 100 100 100 Конец выхода в трубку 0 0 0 15 25 45 60 85 100 100 100 Колошение 0 0 0 0 0 5 10 20 50 90 100 Цветение 0 0 0 0 0 5 10 15 35 80 100 Молочная спелость 0 0 0 0 0 5 5 5 10 25 30 Восковая - полная спелость 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Таблица 4. Потери продуктивности ржи, % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 Всходы-кущение 0 0 0 0 0 0 0 5 20 45 60 Начало выхода в трубку 0 25 50 80 100 100 100 100 100 100 100 Конец выхода в трубку 0 10 35 55 75 95 100 100 100 100 100 Колошение 0 0 5 20 35 55 75 95 100 100 100 Цветение 0 0 0 10 25 40 55 80 100 100 100 Молочная спелость 0 0 0 0 0 5 5 5 10 25 30 Восковая - полная спелость 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Таблица 5. Потери продуктивности ячменя, % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 Всходы-кущение 0 0 0 0 0 0 0 0 15 40 55 Начало выхода в трубку 0 0 15 30 50 75 90 100 100 100 100 Конец выхода в трубку 0 0 15 35 50 75 90 100 100 100 100 Колошение 0 0 0 5 15 30 40 60 100 100 100 Цветение 0 0 0 5 15 30 40 60 100 100 100 Молочная спелость 0 0 0 0 0 5 5 5 10 25 30 Восковая-полная спелость 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Таблица 6. Потери продуктивности овса, % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 Всходы-кущение 0 0 0 0 0 0 0 0 10 25 25 Начало выхода в трубку 0 0 0 5 20 40 60 75 100 100 100 Конец выхода в трубку 0 0 10 25 40 60 70 75 90 100 100 Выметывание метелки 0 0 0 5 15 30 40 60 100 100 100 Цветение 0 0 0 5 15 30 40 60 100 100 100 Молочная спелость 0 0 0 0 0 5 5 5 10 25 30

Таблица 7. Потери продуктивности кукурузы, % Фазы развития растении Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 Всходы 0 0 0 0 0 0 0 0 10 25 25 6-8 лист 0 0 10 10 15 15 20 25 30 50 80 Выметывание метелки 0 0 10 15 20 30 35 40 50 65 85 Молочная спелость 0 0 0 0 0   5 10 20 30 50 Восковая - полная спелость 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Таблица 8. Потери продуктивности гречихи, % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 Всходы 0 0 5 30 45 65 80 95 100 100 100 Бутонизация 0 0 0 10 20 35 50 65 90 100 100 Цветение 0 0 0   0 5 15 30 65 100 100 Созревание 0 0 0 0 0   0 0 0 0 0

Таблица 9. Потери продуктивности проса, % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 Всходы-кущение 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Выхода в трубку 0 0 0 0 0 20 40 60 100 100 100 Выметывание метелки 0 0 0 0 0 0 0 10 55 90 100 Цветение 0 0 0 0 0 0 0 0 25 60 70 Молочная-полная спелость 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Таблица 10. Потери продуктивности риса, % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 Всходы-кущение 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Выхода в трубку 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 10 Выметывание метелки 0 0 0 0 0 0 0 0 10 30 50 Цветение 0 0 0 0 0 0 0 0 25 60 70 Молочная-полная спелость 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Таблица 11. Потери продуктивности гороха, % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 Всходы 0 5 25 45 75 100 110 100 100 100 100 Бутонизация 0 20 50 85 100 100 100 100 100 100 100 Цветение 0 0 10 30 50 85 90 100 100 100 100 Начало созревания 0 0 0 0 0 0 0 5 30 70 100 Созревание 0 0 0 0 0 0 0 0 20 50 70 Полная спелость 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Таблица 12.
Потери продуктивности подсолнечника, % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 Всходы 0 0 10 30 45 75 90 100 100 100 100 Две пары листьев 0 0 5 20 30 50 70 90 100 100 100 Образование соцветий 0 0 5 15 25 40 55 80 100 100 100 Цветение 0 0 0 0 5 15 25 35 85 100 100 Созревание - полная спелость 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Таблица 13. Потери продуктивности хлопка-сырца, % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 3-4 листа 0 0 5 10 15 20 35 50 90 100 100 Бутонизация 0 0   0 0 5 10 15 40 80 100 Цветение 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 Раскрытие коробочек 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Таблица 14. Потери продуктивности льно-волокна, % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 Всходы 0 0 0 0 0 5 5 10 40 65 80 Елочка 10-12 см 0 0   0 0 0 0 0 10 35 50 Бутонизация - цветение 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Созревание 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Таблица 15. Потери продуктивности картофеля, % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 Всходы 0 0 0 0 0 5 5 10 25 45 50 Бутонизация 0 0   0 0 0 0 5 10 20 30 Цветение 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 Начало увядания ботвы 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Таблица 16. Потери продуктивности сахарной свеклы, % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 Всходы 0 0 0 0 0 0 0 10 40 100 100 7-9 листьев 0 0   0 0 0 0 0 0 20 40 14-16 листьев 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 20 Рост корня 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 10 Увядание ботвы                      

Таблица 17. Потери продуктивности столовой моркови, % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 3-4 листа 0 0 0 0 0 5 5 10 40 90 100 7-8 листьев 0 0   0 0 0 5 5 20 50 70 Рост корня 0 0 0 0 0 0 0 0 5 20 30 Начало технической спелости 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 20

Таблица 18. Потери продуктивности столовой свеклы, % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 5-6 листьев 0 0 0 0 0   5 10 20 40 50 10-13 листьев 0 0   0 0 0   5 10 20 25 Рост корня 0 0 0 0 0 0 0 0 10 20 25

Таблица 19. Потери продуктивности сахарной свеклы, % Фазы развития растений Интервалы доз γ-излучения, Гр 0-0,4 0,4-1 1-2 2-3 3-4 4-6 6-8 8-12 12-30 30-50 >50 6-8 листьев 0 0 5 5 15 25 30 40 65 100 100 11-13 листьев 0 0   0 0 0 0 0 10 30 40 Образование кочана 0 0 0 0 0 0 0 0 5 15 20 Рост кочана 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Созревание кочана 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Полная спелость 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

С использованием вышеприведенных таблиц можно провести расчеты потерь продуктивности сельскохозяйственных культур как для любой области или региона, так и для страны в целом.

На примере зерновых злаковых культур подготовлен прогноз потерь их продуктивности в зависимости от периода выпадения радиоактивных осадков (чертеж). Наиболее значительный ущерб возможен в весенне-летний период, когда снижение продуктивности может достигать более 50%.

Способ включает измерение доз ионизирующих излучений, получение биометрических характеристик и морфофизиологических характеристик растений и данных о задержании и распределении радиоактивных частиц в посевах, отличающийся тем, что на стадии измерения доз ионизирующих излучений на территориях, загрязненных радионуклеидами, выявляют зависимость величины соотношения поглощенных сельскохозяйственными культурами доз (β+γ)-излучения к дозе γ-излучения от высоты расположения точки роста над поверхностью почвы, затем осуществляют построение зависимости потерь продуктивности сельскохозяйственных культур в различные фазы их развития от интервалов доз γ-излучения и последующую экстраполяцию результатов с оценкой диапазона критических доз ионизирующих излучений, исключающих нормальное развитие и формирование сельскохозяйственных культур. Способ позволяет повысить точность оценки потерь продуктивности сельскохозяйственных культур в результате воздействия ионизирующих излучений в различные фазы их развития. 20 табл., 1 ил.

Способ оценки потерь продуктивности сельскохозяйственных культур в результате воздействия ионизирующих излучений, включающий измерение доз ионизирующих излучений, получение биометрических характеристик и морфофизиологических характеристик растений и данных о задержании и распределении радиоактивных частиц в посевах, отличающийся тем, что на стадии измерения доз ионизирующих излучений на территориях, загрязненных радионуклеидами, выявляют зависимость величины соотношения поглощенных сельскохозяйственными культурами доз (β+γ)-излучения к дозе γ-излучения от высоты расположения точки роста над поверхностью почвы, затем осуществляют построение зависимости потерь продуктивности сельскохозяйственных культур в различные фазы их развития от интервалов доз γ-излучения и последующую экстраполяцию результатов с оценкой диапазона критических доз ионизирующих излучений, исключающих нормальное развитие и формирование сельскохозяйственных культур.