СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВИДОВ ЛУГОВОЙ ТРАВЫ ПО МАССЕ СВЕЖЕСРЕЗАННОЙ ПРОБЫ Российский патент 2015 года по МПК A01G23/00 

Изобретение относится к измерению показателей качества различных видовых комплексов травяных и травянистых растений на свежесрезанных пробах, преимущественно на пойменных прирусловых лугах, и может быть использовано в экологическом мониторинге территорий с травяным покровом. Изобретение относится также к ландшафтам малых рек с луговой растительностью и может быть использовано при оценке видового разнообразия травы по распределению видов растений по сырой массе проб.

Известен способ испытания 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, после срезки травы со всей площадки пробу сразу же взвешивают на весах около площадки, а после первого взвешивания пробу травы размещают на естественную сушку в сухом и безветренном месте, затем после высыхания пробу травы взвешивают.

Недостатком является то, что способ предполагает неделимость пробы на отдельные элементы по видовому составу, и это не позволяет проводить анализ пробы по видовому составу травяных и травянистых растений по наличию видов.

Известен также способ испытания травяного покрова на пойме малой реки по патенту RU №2384048, включающий выделение на малой реке или ее притоке участка пойменного луга с испытуемым травяным покровом, затем на этом участке по течению малой реки или ее притока в характерных местах размечают не менее трех гидрометрических створов в поперечном направлении в пределах водоохраной зоны, вдоль каждого гидрометрического створа размечают не менее трех пробных площадок с каждой стороны малой реки или ее притока, а после срезки травы выявляют закономерности проб травы.

Недостатком является невозможность учета наличия видов травяных и травянистых растений на пробных площадках.

Технический результат - повышение точности учета наличия видов травяных и травянистых растений, упрощение процесса анализа видового состава без проведения измерений, повышение функциональных возможностей сравнения проб травы по распределению видов на разных пробных площадках с срезанием с них и взвешиванием травяных проб в сыром состоянии.

Этот технический результат достигается тем, что способ распределения видов луговой травы по массе свежесрезанной пробы, включающий выделение на малой реке или ее притоке визуально по карте или натурно участка пойменного луга с травяным покровом, затем на этом участке по течению малой реки или ее притока в характерных местах размечают не менее трех створов в поперечном направлении, вдоль каждого створа размечают не менее трех пробных площадок с каждой стороны малой реки или ее притока, а после выявляют закономерности показателей проб травы, отличающийся тем, что на выбранной пробной площадке укладывают рамку с внутренними сторонами не менее 0,50×0,50 м, затем вровень с поверхностью почвы срезают надземные части отдельных растений или их порций в виде нескольких растений одинакового вида, присутствующих на пробной площадке, и каждая порция раскладывается в отдельные кучки по видам, после срезания всех травинок со всей пробной площадки кучки травы сразу же взвешиваются на переносных весах, а после взвешивания кучки травы выбрасываются, далее процедура повторяется на следующей пробной площадке и так происходит срезание со всех пробных площадок на выделенном участке малой реки, затем вычисляют общие массы, причем на каждой отдельной пробной площадке масса всей пробы вычисляется как сумма масс у отдельных кучек, а сами кучи образуются из срезанных порций отдельных видов травы, кроме того, сумма всех куч срезанной травы по видам со всех пробных площадок дает общую массу данного вида растения, затем по отдельным видам растений для всех пробных площадок составляют ранговую шкалу видов травы по свежесрезанной массе, причем ранги расставляют по мере увеличения общей массы на участке, а после этого идентифицируют математические модели изменения массы на участке и на отдельной пробной площадке в зависимости от ранга видов травяных и травянистых растений.

Дополнительно подсчитывают количество видов на каждой пробной площадке, при этом на всем выделенном участке пойменного луга выделяются одинаковые пробные площадки размерами в минимальном случае 0,50×0,50 м, но в совокупности обеспечивающие площадь не менее 4 м², при этом минимальное количество пробных площадок равно 3 створа (6 площадок=18 шт., тогда по прототипу общая площадь их в минимальном случае будет равной 18×0,50×0,50=4,50 м², что больше требуемой площади в 4,00 м² для анализа видового состав травяных и травянистых растений, причем кучки сразу взвешиваются на переносных весах с ценой деления в 1 г.

Дополнительно внутри рамки сосчитывают количество видов травы и заносят в таблицу с общим списком по строкам этой таблицы всех видов травяных и травянистых растений, встречающихся хотя бы один раз на всех пробных площадках, в столбцах по номерам пробных площадок ставят массу кучки из свежесрезанной травы каждого вида, ставят нуль в клетку таблицы при отсутствии вида растения из списка видов, так выполняют измерения наличия видов травы на всех пробных площадках, после этого суммируют свежесрезанную массу кучек по строкам таблицы видового состава и вычисляют общую массу травы данного вида по всем пробным площадкам.

Ранговую шкалу видов травы составляют по свежесрезанной массе, причем ранги расставляют по мере увеличения общей массы на участке, при этом нулевой ранг дается отсутствующим на участке или же на данной пробной площадке видам растений, затем эта ранговая шкала принимается за объясняющую переменную, причем для участка и пробных площадок.

Статистическим моделированием идентифицируют математические модели в виде суммы трендов и волновых закономерностей изменения массы на участке и на отдельной пробной площадке в зависимости от ранга видов травяных и травянистых растений по формуле

где m - расчетная масса пробы свежесрезанной травы, г,

m_i - масса по составляющим уравнения, г,

R - ранг массы вида растения на данном участке пойменного луга малой реки, R=0, 1, 2, 3, …, причем R=0 дается не существующему на данном участке виду травяного или травянистого растения,

A_i - амплитуда (половина) колебания массы сырой травы, г,

p_i - полупериод колебания ранга массы у видов растения,

α₁…α₈ - параметры уравнения, получаемые после идентификации по статистическим данным измерений массы сырой пробы травы,

i - номер составляющей общего уравнения,

n - количество уравнений тренда и волновых составляющих.

Сущность технического решения заключается в том, что рельеф полностью исключается из рассмотрения и на первое место выступает распределение массы свежесрезанной травы. Однако для нее необходима новая шкала распределения, которая создается из суммы всех масс сырых проб, срезанных с одинаковых по размерам пробных площадок. Эта сумма расставляется по рангам по мере увеличения общей массы. При этом нулевой ранг дается отсутствующим на данной местности, участке или же на данной пробной площадке видам растений. Затем эта ранговая шкала принимается за объясняющую переменную как для участка, так и для отдельных пробных площадок.

Сущность технического решения заключается также и в том, что срезаются порции травы на пробной площадке по отдельным видам растений, присутствующим на данной пробной площадке, и они раскладываются по отдельности. По мере срезания образуется отдельные кучки травы по видам. После срезания всех травинок со всей пробной площадки кучки травы сразу же взвешиваются на переносных весах. После взвешивания всех кучек по видам травы срезанная трава выбрасывается. Далее процедура повторяется на следующей пробной площадке.

На отдельной пробной площадке масса всей пробы вычисляется суммой масс у отдельных куч, а сами кучи образуются из срезанных порций отдельных видов травы. Сумма всех куч срезанной травы по видам со всех пробных площадок одинаковых размеров дает общую массу данного вида растения. Затем по этим массам куч по отдельным видам растений составляется ранговая шкала видов травы по свежесрезанной массе.

Положительный эффект достигается тем, что происходит значительное повышение точности измерений массы у отдельных куч и общей суммы по видам травы, упрощении процесса эксперимента с определением массы отдельного вида растения на каждой пробной площадке. А затем и математического анализа колебательной адаптации по полученным результатам полевых измерений. При этом лабораторных экспериментов не требуется.

Новизна технического решения заключается в том, что впервые применена общеизвестная физическая величина - масса пробы по отдельным видам растений - для составления объясняющей переменной для этой же массы по ранговому распределению, причем ранговая шкала своя для каждого участка малой реки, а ранги даются с повышением общей массы видов травы на всех пробных площадках по свежесрезанной траве.

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

На фиг.1 приведена схема выделенного участка с тремя створами измерений по течению водотока малой реки Манага: 1-18 - номера пробных площадок; на фиг.2 показана квадратная рамка для формирования пробной площадки размерами 0,50×0,50 м с оставшейся корневой частью растений после срезки пробы свежей травы; на фиг.3 последовательно показаны графики модели по первым четырем составляющим изменения массы по видам растений по всему участку; на фиг.4 - то же на фиг.3 по дополнительным волновым составляющим; на фиг.5 показаны графики последовательно по первым четырем составляющим изменения массы по видам растений на первой пробной площадке; на фиг.6 - то же на фиг.5 по дополнительным волновым составляющим при амплитуде более 1 грамма; на фиг.7 - то же на фиг.5 по дополнительным колебаниям при амплитуде меньше 1 грамма; на фиг.8 показаны остатки после всех составляющих для распределений видов по сырой массе травы по всему участку и на первой пробной площадке; на фиг.9 показаны графики изменения массы на первой пробной площадке по видам травы без нулевых значений для отсутствующих видов.

Способ распределения видов луговой травы по массе свежесрезанной пробы содержит следующие действия.

Вначале визуально изучают травяной покров на данной территории пойменного луга и намечают места со створами измерений и пробными площадками относительно них поперек малой реки. При этом размечают не меньше трех створов и не меньше трех пробных площадок с каждой стороны малой реки. По течению малой реки или ее притока за естественные характерные места принимают излучины и другие формы руслообразования малой реки или ее притока.

На изучаемом пойменном лугу размечают не менее трех створов в поперечном направлении с расстояниями между ними по течению малой реки или ее притока не более 100-кратной ширины зеркала воды в летнюю межень, а пробные площадки располагают на промежутках не менее чем 10 м между собой и от кромки зеркала воды прибрежных пробных площадок. Вдоль каждого створа измерений размечают не менее трех пробных площадок с каждой стороны малой реки или ее притока, причем нумерацию пробных площадок проводят от левого берега к правому при нахождении наблюдателя лицом по течению малой реки или ее притока.

Вначале осмотром всего выделенного участка глазомерно устанавливают общий список всех видов травы. Для идентификации всех видов составляют методическое пособие путем выбора видов растений из атласа или из других источников информации. Такой заранее заготовленный видовой состав всех возможных видов травяных и травянистых растений на данной малой реке значительно ускоряет работу.

Контуры площадки размером 0,50×0,50 отмечают колышком в центре нее. Для укладки изготовляют рамку с внутренними сторонами 0,50×0,50 м, например, из деревянных реек, сколоченных гвоздями. Ее укладывают на траву вокруг колышка.

На выбранной пробной площадке укладывают рамку с внутренними сторонами не менее 0,50×0,50 м, затем вровень с поверхностью почвы срезают надземные части отдельных растений или их порций в виде нескольких растений одинакового вида, присутствующих на пробной площадке. Каждая порция раскладывается в отдельные кучки по видам. После срезания всех травинок со всей пробной площадки кучки травы сразу же взвешиваются на переносных весах, а после взвешивания кучки травы выбрасываются.

Далее процедура повторяется на следующей пробной площадке и так происходит срезание со всех пробных площадок на выделенном участке малой реки.

Затем вычисляют общие массы.

Причем на каждой отдельной пробной площадке масса всей пробы вычисляется как сумма масс у отдельных кучек, а сами кучи образуются из срезанных порций отдельных видов травы Кроме того, сумма всех куч срезанной травы по видам со всех пробных площадок дает общую массу данного вида растения. Затем по отдельным видам растений для всех пробных площадок составляют ранговую шкалу видов травы по свежесрезанной массе.

Причем ранги расставляют по мере увеличения общей массы на участке, а после этого идентифицируют математические модели изменения массы на участке и на отдельной пробной площадке в зависимости от ранга видов травяных и травянистых растений.

Дополнительно подсчитывают количество видов на каждой пробной площадке, при этом на всем выделенном участке пойменного луга выделяются одинаковые пробные площадки размерами в минимальном случае 0,50×0,50 м, но в совокупности обеспечивающие площадь не менее 4 м², при этом минимальное количество пробных площадок равно 3 створа (6 площадок=18 шт., тогда по прототипу общая площадь их в минимальном случае будет равной 18×0,50×0,50=4,50 м², что больше требуемой площади в 4,00 м² для анализа видового состав травяных и травянистых растений, причем кучки сразу взвешиваются на переносных весах с ценой деления в 1 грамм.

Дополнительно внутри рамки сосчитывают количество видов травы и заносят в таблицу с общим списком по строкам этой таблицы всех видов травяных и травянистых растений, встречающихся хотя бы один раз на всех пробных площадках. В столбцах по номерам пробных площадок ставят массу кучки из свежесрезанной травы каждого вида, ставят нуль в клетку таблицы при отсутствии вида растения из списка видов. Так выполняют измерения наличия видов травы на всех пробных площадках, после этого суммируют свежесрезанную массу кучек по строкам таблицы видового состава и вычисляют общую массу травы данного вида по всем пробным площадкам.

Ранговую шкалу видов травы составляют по свежесрезанной массе, причем ранги расставляют по мере увеличения общей массы на участке, при этом нулевой ранг дается отсутствующим на участке или же на данной пробной площадке видам растений, затем эта ранговая шкала принимается за объясняющую переменную, причем для участка и пробных площадок.

Статистическим моделированием идентифицируют математические модели в виде суммы трендов и волновых закономерностей изменения массы на участке и на отдельной пробной площадке в зависимости от ранга видов травяных и травянистых растений по формуле

где m - расчетная масса пробы свежесрезанной травы, г,

m_i - масса по составляющим уравнения, г,

R - ранг массы вида растения на данном участке пойменного луга малой реки, R=0, 1, 2, 3, …, причем R=0 дается не существующему на данном участке виду травяного или травянистого растения,

A_i - амплитуда (половина) колебания массы сырой травы, г,

p_i - полупериод колебания ранга массы у видов растения,

a ₁…a ₈ - параметры уравнения, получаемые после идентификации по статистическим данным измерений массы сырой пробы травы,

i - номер составляющей общего уравнения,

n - количество уравнений тренда и волновых составляющих.

Пример. Объект исследования - земельные участки на территории племенного завода «Азановский» Медведевского района Республики Марий Эл с растительным покровом в травяной пойме реки Манага (фиг.1).

Манага - левый приток Малой Кокшаги, длина реки 27 км, площадь водосбора 194 км². Участок по течению реки Манага расположен с северо-востока на юго-запад. Пойма реки - для выпаса скота и сенокошения.

Методика измерений. Нами был выбран метод пробных площадок, при изучении травы является принятие пробных площадок размерами 0,5×0,5 м и площадью в 0,25 м². Для соблюдения постоянных условий отбор проб на пойменном лугу предложено проводить в период созревания травы.

Для количественного учета растительности, прежде всего, необходимо определить видовой состав биоценоза, выявить характер распределения растений по сырой массе на пробах. Это дает возможность выяснить годичную изменчивость, смену видов и устойчивость видового состава луга.

Размещение (отбор) пробных площадей в пространстве для методов геоботанического исследования может быть типическим или случайным.

При типическом отборе определение места заложения пробной площадки выполняется более или менее субъективно, после визуального изучения всей совокупности растительности. Применяют типический отбор при качественных исследованиях, что позволяет экономить время на стадии полевых исследований.

Исследования проводились в июле 2011 года. Сначала визуально была изучена с обеих сторон береговая линия малой реки Манага и травяной покров на пойменном лугу, далее натурно были намечены места расположения восемнадцати пробных площадок пойменного луга с испытуемым травяным покровом до проведения сенокоса.

По течению реки выбирали три створа и с каждого створа по обеим сторонам по три пробы. Расположение пробных площадок дано на фиг.1. На выбранном первом створе, на расстоянии 90 м от кромки воды, обозначаем первую пробную площадку размером 0,50×0,50 м с колышком в центре.

Для упрощения процесса установления пробной площадки был изготовлен квадратный шаблон из деревянных реек. На выбранную для взятия проб травы учетную площадку накладываем шаблон с внутренним сечением в 0,25 м² и после этого проводим срезание и учет видов растений.

Полученные данные заносим в журнал, в котором указываются номер створа, номера учетных площадок, массу свежесрезанной пробы после взвешивания непосредственно около площадки. Причем взвешивание проводим по видам растений, а общую массу проб на пробной площадке вычисляем суммированием по всем имеющимся видам травы.

Проводим те же самые действия для остальных пробных площадок, и заносим все измеренные данные в журнал.

До проведения измерений осмотром всего выделенного участка устанавливают предварительный общий список всех видов травы, а затем для идентификации отдельных видов составляют общую таблицу видов по строкам путем выбора идентифицируемых видов растений из атласа или других источников информации. Причем заранее заготовленный общий предварительный видовой состав всех возможных видов травяных и травянистых растений на данном участке или по всей длине малой реке значительно ускоряет работу при идентификации вида у конкретного растения на конкретной пробной площадке.

Затем на пробной площадке внутри квадратной рамки с центром в виде колышка срезают пробы травы порциями, а в каждой порции рассортируют по видам. После срезания травы множеством порций и рассортировки каждой порции по видам взвешивают массу каждого вида растения. По количеству имеющихся на пробной площадке видов травы заносят измеренную массу сырой травы данного вида в таблицу. Таблица вначале распечатывается с пустыми клетками с общим списком по строкам по всем 32 видам травяных и травянистых растений, встречающихся хотя бы один раз на выделенном участке малой реки. Если дополнительно возникает на последних пробных площадках дополнить общий предварительный список видов растений новым видом, то таблица удлиняется по строкам. А в столбцах по номерам пробных площадок ставят массу свежесрезанной пробы травы после рассортировки по видам. При этом оставляют клетку таблицы пустой при отсутствии вида растения. Так последовательно выполняют измерения наличия видов травы на всех пробных площадках.

После срезания траву по видам растений доставляют под навес на естественную сушку или же просто выбрасывают, если по предлагаемому способу оценивается распределения видов растений по массе сырой травы.

Пробные площадки на правом берегу реки Ронга (№4-6, 10-12 и 16-18) расположены на месте, где регулярно производился выпас скота. Пробные площадки левого берега (№1-3, 13-15) не используются и не подвергаются какому-либо антропогенному воздействию, а пробные площадки (№7-9) располагаются на месте бывшего сенокосного луга.

Территория имеет ярко выраженный рельеф, и при этом имеются разные выдела пойменного луга с отличающимися антропогенными воздействиями. Но это различие оказалось не существенным и ранговое распределение видов растений было выявлено статистическим моделированием в программной среде CurveExpert-1.40 (http://www.curveexpert.net).

Результаты измерений сырой массы по видам растений. При анализе видового состава в хозяйственно-ботаническом отношении в пойме реки Манага было отмечено несколько групп растений. Систематический состав растений учетных площадок представлен в таблице 1.

Таблица 1 Систематический состав растений учетных площадок № п/п Название Латинское название 1 Тысячелистник обыкновенный Achillea millefolium 2 Анис обыкновенный Anisum vulgare 3 Вероника дубравная Veronica chamaedrys 4 Герань луговая Geranium pratense 5 Одуванчик луговой Taraxacum pratense 6 Подорожник ланцетолистный Plantago lanceolata 7 Щучка дернистая Deschampsia caespitosa (L.) Beauv 8 Тимофеевка луговая Phleum 9 Земляника лесная Fragaria vesca 10 Тростник обыкновенный Phragmites australis 11 Манжетка Alchemilla 12 Мать-и-мачеха Tussilago farfara 13 Ежовник петушье просо   14 Василек луговой Centaurea jacea 15 Репей Arctium lappa 16 Вейник обыкновенный Calamagrosti 17 Полынь Artemisia absinthium 18 Гулявник лекарственный Sisymbrium officinale 19 Пырей ползучий Agropyrum repens

№ п/п Название Латинское название 20 Незабудка мелкоцветная Myosotis micrantha Pall. 21 Донник лекарственный желтый Melilotus officinalis 22 Гусиная лапка Potentilla anserina L. 23 Лютик ползучий Ranunculus repens 24 Белоус торчащий   25 Клоповник сорный   26 Цикорий обыкновенный Cichorium intybus 27 Лисохвост луговой   28 Плевел многолетний Lolium perenne 29 Клевер красный Trifolium pratense 30 Костер безостый Bromus inermis Leyss. 31 Вьюнок полевой Convolvulus arvensis 32 Зверобой продырявленный Hypericum perforatum

Мы не разделяли виды травы по отдельным группам, а берем их состав целиком для данного участка малой реки. При этом любой вид травы (травяной или травянистой) попадает в общий список.

Поэтому дальше вместо названий применяем только номера по порядку. При этом нумерация видов растений была произвольной. Ранговое распределение по массе расставит по своим местам.

Поэтому наличие на испытуемом участке малой реки всех 32 видов травяных и травянистых растений приведено в таблице 2 с показом их по массе сырой срезанной травы по всем 18 пробным площадкам.

В последнем столбце дана масса всей пробы, вычисляемая как сумма массы 18 частей по вилам растений всей сырой пробы. А во втором столбце дан ранг распределения общей массы по росту его значений.

При этом нулевой ранг дается нулевой массе пробы не существующих на данном участке видов травяных и травянистых растений.

Тогда ранг показывает, что при нуле имеются большое неизвестное множество из известных науке травяных и травянистых растений, не содержащихся на территории данной пробной площадки, даже если она мала по размеру. В итоге шкала состоит из известных и неизвестных видов травы.

Ранг устанавливается один раз по иерархии значений массы всей пробы (последний столбец таблицы 2).

Если предварительный список составлен более полный, чем имеющиеся все виды растений на выделенном участке поймы малой реки, то ставится нуль тем видам, у которых в сумме всех пробных площадок оказалось нуль у массы свежесрезанной травы.

Но можно лишние строки убрать и тогда, как показано в таблице 2, все нулевые виды растений убраны и тогда самому малому значению массы ставится ранг единица (например, строка №25 «Клоповник сорный»). Затем, по мере увеличения массы общей пробы, ранг возрастает. И, наконец, наибольшему значению массы дается последний ранг (например, строка №10 «Тростник обыкновенный»). Так образуется ранговая шкала, которая становится общей для всех пробных площадок на выделенном участке.

Таблица 2 Данные измерений массы свежесрезанной травы по пробным площадкам в 2011 г. № п/п Ранг R Масса проб свежей травы по номерам пробных площадок 0,50×0,50 м, г m, г 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 27 23 14 0 13 33 23 0 0 0 40 13 24 0 0 32 53 18 21 307 2 28 27 12 0 15 26 22 0 46 40 0 0 0 26 25 25 0 21 24 309 3 26 13 0 0 0 30 15 15 0 38 0 0 0 38 41 0 68 0 22 280 4 29 39 0 97 17 25 18 0 43 0 49 0 0 40 0 26 0 14 0 368 5 25 0 0 0 0 27 15 26 33 0 12 27 10 34 15 15 0 23 0 237 6 8 0 0 0 0 0 16 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 26 26 7 21 0 16 0 0 0 11 19 0 0 25 0 15 0 0 0 0 0 29 115 8 19 0 0 0 0 0 13 27 0 36 20 0 0 0 0 0 0 0 0 96 9 22 26 0 0 10 0 12 11 0 45 0 0 0 0 27 17 0 0 0 148 10 30 21 28 0 12 29 0 38 48 34 28 10 31 53 0 44 0 15 25 416 11 16 31 0 0 11 0 10 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 61 12 13 0 0 0 19 0 0 0 0 0 0 0 0 0 25 0 0 0 0 44 13 15 0 11 0 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 21 0 11 0 57 14 24 20 0 0 19 0 0 23 0 0 0 23 0 0 29 29 70 0 0 213 15 1 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 16 23 0 0 83 0 0 0 0 0 0 0 14 0 49 0 0 0 8 28 182 17 17 0 27 0 0 0 0 0 0 0 16 0 27 0 0 0 0 8 0 78 18 9 0 26 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 26 19 18 0 15 0 0 0 0 0 30 39 0 0 0 0 0 0 0 0 0 84 20 5 0 22 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 22 21 4 0 19 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19 22 10 32 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 32 23 2 13 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 13 24 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 23 0 0 0 0 0 0 23 25 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 10 26 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 15 0 0 0 18 69 0 0 102 27 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19 0 0 0 0 0 0 0 19 28 11 0 0 0 0 0 0 0 0 28 0 0 0 0 0 0 0 12 0 40 29 3 0 0 0 0 0 0 16 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 16 30 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 25 25 31 12 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 28 13 0 0 0 41 32 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 45 0 0 0 0 45

Оказалось, что после засухи 2010 года в 2011 году произошел скачок в количестве видов. Поэтому в 2012 году был принят этот же массив из 32 видов растений, но уже несколько видов получили нулевое значение по массе сырой травы, а само ранговое распределение изменилось по видам травы. Однако это уже другое научно-техническое решение. Таким образом, по многолетним измерениям можно составить общее множество видов травы, из которых каждый год будет количество видов в ранговой шкале меняться.

Однако ранговое распределение по возрастанию массы сырой травы по видам не зависит от других факторов (рельефа и антропогенных), и поэтому закономерности распределения ищутся по всем 18 пробным площадкам в целом или же по 18 пробным площадкам в отдельности. Но при этом будет один и тот же набор из 32 видов трав.

Результаты моделирования. После измерений массы у отдельных видов травы, затем пробы в целом и по отдельным пробным площадкам, моделированием выявляют волновые закономерности изменения массы сырой пробы в зависимости от ранга массы вида растения по формуле

где m - расчетная масса пробы свежесрезанной травы, г,

m_i - масса по составляющим уравнения, г,

R - ранг массы вида растения на данном участке пойменного луга малой реки, R=0, 1, 2, 3, …, причем R=0 дается не существующему на данном участке виду травяного или травянистого растения,

A_i - амплитуда (половина) колебания массы сырой травы, г,

p_i - полупериод колебания ранга массы у видов растения,

a ₁…a ₈ - параметры уравнения, получаемые после идентификации по статистическим данным измерений массы сырой пробы травы,

i - номер составляющей общего уравнения,

n - количество уравнений тренда и волновых составляющих.

Это же уравнение применяется для массы по отдельным пробным площадкам, то есть по столбцам 1-18 таблицы 2.

Для показа предлагаемого способа далее приведем две модели:

а) закономерность рангового распределения m=f(R) (фиг.3 и 4) по видам растений (по рангам из таблицы 2) в целом по всем 18 пробным площадкам, то есть по всему выделенному участку поймы малой реки;

б) закономерность распределения массы сырой травы по видам травы на первой пробной площадке (фиг.5, 6 и 7) в виде биотехнической закономерности m₁=f(R).

А по остальным пробным площадкам способ реализуется аналогично.

Модель рангового распределения m=f(R) определяется параметрами, приведенными в матричной форме в таблице 3.

Всего получилось 12 составляющих, из которых 10 стали волновыми функциями. При этом первая и вторая составляющая относятся к тренду, то есть к тенденции изменения массы в зависимости от ранга травяного и травянистого растения.

Первая составляющая показывает показательный рост и указывает на то, что видовое разнообразие по массе может нарастать. Однако, как известно, существует в данных климатических условиях предел продуктивности.

Поэтому с увеличением площади выделенного участка начнется торможение и первая составляющая начнет изменяться как вторая по биотехническому закону.

Чтобы это доказать, нужны более обширные эксперименты. Вторая составляющая показывает стрессовое возбуждение видового состава, показанного в таблице 1.

Таблица 3 Составляющие рангового распределения общей массы видов растений № i Амплитуда колебания Полупериод и сдвиг колебания Коэфф. Коррел. a _1i a _2i a _3i a _4i a _5i a _6i a _7i a _8i 1 0,0073115 3,20988 0 0 0 0 0 0 0,9998 2 10,38641 0,68557 0,093271 1 0 0 0 0 3 1,17150е-18 31,35665 9,12664 0,56694 192,36429 -20,46513 0,65354 -2,14617 4 0,040490 2,33539 0,078243 1,06930 4,25834 -0,00058236 2,30001 2,06444 5 29,23962 0,92691 4,53154 0,068161 2,54349 -0,00083872 1,90602 4,66753 0,4858 6 0,00012234 3,51339 0,00061378 2,37397 5,63170 -0,00026050 2,53257 2,59150 0,6120 7 -6,36344е8 6,64918 21,66972 0,20967 18,37508 -10,01645 0,12721 -5,77249 0,4910 8 8,51675е-5 18,06091 1,13055 0,96855 0,97091 0,00040212 1,67569 2,77602 0,9153 9 -3,16084е10 13,94166 30,75777 0,26113 0,58704 0,93329 0,044086 -0,67129 0,8390 10 35,58229 0 2,02925 1 2,24102 -0,21496 1 0,081124 0,4751 11 0,0018801 1,95030 0,63541 3,43588е-5 0,055196 0,013468 1,07959 -0,42841 0,9429 12 4,53529е-14 20,64068 1,84656 0,99994 16,25830 0,68320 0,99988 -4,19209  

Это возбуждение происходит из-за того, что каждый сезон возникает оптимальный температурно-влажностный режим при достаточной освещенности для некоторой группы видов растений. Они развиваются быстрее, адаптируя всю популяцию видов к внешним условиям произрастания.

Остальные волновые составляющие показывают адаптацию на том или ином энергетическом уровне развития и роста разных видов травяных и травянистых растений.

Таким образом, все 12 составляющих совместно показывают разовую (одномоментную) картину динамического равновесия между видами растений. Это в будущем позволит, при испытаниях несколько раз за вегетационный период, определить динамику массы по многообразию видов растений. Иначе говоря, вполне появляется практическая возможность моделирования циклов Гамса у всего множества изучаемых видов растений.

Остатки гораздо меньше погрешности измерений массы сырой травы в ±0,5 г (фиг.8), поэтому дальше идентификацию асимметричного вейвлет-сигнала прекращаем.

В таблице 4 приведены данные моделирования по распределению массы видов растений на первой пробной площадке.

По остальным площадкам процесс выявления волновых уравнений аналогичен, поэтому здесь не приводим. При этом шкала рангов остается единственным, полученным по общей массе всех 18 проб и это открывает новые теоретические возможности объяснения адаптации видового разнообразия на точках местности.

Остатки стали гораздо меньше погрешности измерений массы сырой травы в ±0,5 г (фиг.8), поэтому дальше идентификацию асимметричного вейвлет-сигнала прекращаем.

Всего получилось 16 составляющих, то есть на малой площадке 0,25 м² видовой состав стал меньше (100×10/32=31,25%), а чувствительность моделирования повысилась в 16/12=1,33 раза по сравнению со всем участком площадью 31500 м².

Таблица 4 Составляющие рангового распределения массы видов растений на первой площадке № i Амплитуда колебания Полупериод и сдвиг колебания Коэфф. Коррел. a _1i a _2i a _3i a _4i a _5i a _6i a _7i a _8i 1 4,06492е-5 3,96302 0 0 0 0 0 0 0,9415 2 -1,11518е-6 0 -14,92198 0,019882 30,67158 -25,96078 0,015295 -1,76402 3 3,83986е-60 104,7660 10,09853 0,99945 14,49427 -0,94531 1,00348 -5,39219 4 -0,32715 1,16377 0 0 2,36467 -0,028562 1 -1,58332 5 1,51983е-104 116,87351 2,42612 1,26466 1,29333 -0,0070573 1,06028 1,48098 0,7498 6 195,08758 7,59599 4,20310 1 1 0 0 0 0,6168 7 0,77808 0,54830 0,037546 1 94,43942 -3,42139 1 2,04402 0,5935 8 0,060578 5,32262 2,04138 0,61484 10,88170 -0,22885 1,05496 1,63635 0,7258 9 -0,040826 3,29285 0,38943 1 8,72733 -3,79745 0,17770 -3,61267 0,5814 10 0,11735 0 -0,058775 1 271,06878 -152,70910 0,11875 -1,98679 0,1464 11 -0,13108 0 -0,084116 1 5,02968 -0,017724 0,48429 1,12411 0,6251 12 1,15300е9 10,72950 26,07506 0,24068 0,59919 0,074415 0,60576 1,98021 0,6985 13 -0,20616 0,31503 0,00092467 2,01746 10,67463 1,73355е-5 2,98888 0,29246 0,5351 14 -3,77320е-20 19,82815 0,63303 1,06122 4,33569 -0,00078700 2,15198 0,24657 0,8504 15 -0,41366 0 0,026636 1,50481 0,053719 0,42096 0,64871 1,62853 0,6660 16 -1,15640е-20 24,19586 1,38803 1,00005 4,23890 -0,10292 0,99925 -3,70678 0,7593

Каждый выдел участка малой реки имеет размеры: по длине реки 50 м, а по ширине малой реки 30 м. Поэтому все выдела одинаковы по размеру и имеют площадь 1500 м² или 15 ар (соток). Общая площадь выделенного на малой реке Манага изучаемого участка равна 150×210=31500 м² или 3,15 га.

Общая продуктивность по сырой массе равна 208,8 центнеров или же 20,88 тонн. А по сухому сену продуктивность равна всего 9390 кг (93,9 центнер или же 9,39 тонн). За время своего роста с начала вегетационного периода влага в траве достигла уровня массы в 20,88-9,39=11,49 тонн.

При этом по сухому сену адекватность моделирования ниже из-за влияния очень большого множества природных, природно-технических и природно-антропогенных факторов. На содержание влаги влияет еще большее количество внешних факторов (изменение уровня воды в реке, осадков и пр.). Поэтому по сену и влаге в сырой траве нужны дополнительные специальные исследования. К тому же предлагаемый способ предполагает только первое взвешивание пробы сырой травы, которую можно затем выбросить.

Это значительно экономит время и ресурсы на поведения испытаний. При этом нужны только переносные весы с ценой деления шкалы массы в один грамм. Поэтому способ позволяет существенно расширить участок вдоль по реке.

Из данных таблицы 4 заметно, что тренд включает только один показательный закон без стрессового возбуждения всей популяции, так как она стала всего из 10 членов по видам растений. Но зато становится понятным, что нулевые значения массы отсутствующих видов растений имеют под собой физико-биологическую основу: в данных условиях произрастания появляются только те виды, которые успешны, а остальные находятся семенами в режиме ожидания. На другой год могут оказаться другие условия произрастания, и в связи с этим появляется новый набор видов растений. Но при этом волновой характер адаптации всего видового состава к конкретным условия произрастания на площадках остается.

Тогда, фиксируя рельеф и другие условия произрастания, можно будет изучать адаптационную способность всего видового состава не только к рельефу, но и к ежегодным гидрометеорологическим показателям.

В таблице 5 даны расчетные показатели адекватности моделей по рангам, которые приняты по вектору предпорядка предпочтительности «хуже→лучше». Чем больше масса общая по всем пробам на участке малой реки, тем лучше для видового состава растений.

Таблица 5 Относительная погрешность рангового распределения видов травы Наименование травы Ранг R На всем участке поймы На первой площадке , г m, г ε, г Δ, % , г m, г ε, г Δ, % 1. Тысячелистник обыкновен. 27 307 307 -0,03 -0,01 23 23 -0,09 -0,40 2. Анис.обыкновенный 28 309 309 -0,01 0,00 27 27 -0,09 -0,33 3. Вероника дубравная 26 280 280 -0,12 -0,04 13 13 0,29 2,20 4. Герань луговая 29 368 368 0,02 0,00 39 39 -0,12 -0,31 5. Одуванчик луговой 25 237 237 0,07 0,03 0   -0,08   6. Подорожник ланцетный 8 26 26 0,10 0,40 0   -0,05   7. Щучка дернистая 21 115 115 0,03 0,03 0   -0,08   8. Тимофеевка луговая 19 96 96 -0,01 -0,01 0   -0,03   9. Земляника лесная 22 148 148 -0,04 -0,03 26 26 0,02 0,06 10. Тростник обыкновенный 30 416 416 0,03 0,01 21 21 -0,18 -0,87 11. Манжетка 16 61 61 -0,06 -0,09 31 31 0,09 0,28 12. Мать-и-мачеха 13 44 44 0,02 0,05 0   -0,17   13. Ежовник петушье просо 15 57 57 0,03 0,05 0   -0,07   14. Василек луговой 24 213 213 0,10 0,05 20 20 0,12 0,59 15. Репей 1 10 10 0,00 0,01 0   0,00   16. Вейник обыкновенный 23 182 182 -0,05 -0,03 0   0,06   17. Полынь 17 78 78 -0,06 -0,08 0   -0,06   18. Гулявник лекарственный 9 26 26 -0,08 -0,30 0   0,05   19. Пырей ползучий 18 84 84 0,06 0,07 0   -0,02   20. Незабудка мелкоцветная 5 22 22 -0,03 -0,14 0   -0,01   21. Донник лекарств, желтый 4 19 19 -0,01 -0,05 0   -0,01   22. Гусиная лапка 10 32 32 0,04 0,13 32 32 -0,07 -0,22 23. Лютик ползучий 2 13 13 0,00 -0,04 13 13 0,00 0,01 24. Белоус торчащий 6 23 23 -0,01 -0,04 0   -0,02   25. Клоповник сорный 1 10 10 0,00 0,01 0   0,00   26. Цикорий 20 102 102 -0,04 -0,04 0   -0,01   27. Лисохвост луговой 4 19 19 -0,01 -0,05 0   -0,01   28. Плевел многолетний 11 40 40 -0,03 -0,07 0   -0,08   29. Клевер красный 3 16 16 -0,02 -0,10 0   0,01   30. Костер безостый 7 25 25 -0,06 -0,23 0   0,01   31. Вьюнок полевой 12 41 41 0,01 0,03 0   0,12   32. Зверобой продырявлен. 14 45 45 -0,05 -0,11 0   0,15  

Из данных таблицы 5 видно, что модель по параметрам из таблицы 3 получает максимальную относительную погрешность всего 0,40%.

Гораздо сложнее с конкретной пробной площадкой, в примере №1. При общей шкале с рангами R получается два подхода:

- во-первых, принять общую шкалу, и тогда максимальная относительная погрешность в нулевых точках превращается в бесконечность (в таблице 5 оставлены пустые клетки);

Таблица 6 Масса пробы № п/п Ранг R №1 1 27 23 2 28 27 3 26 13 4 29 39 9 22 26 10 30 21 11 16 31 14 24 20 22 10 32 23 2 13

- во-вторых, шакалу принять без нулей, и тогда нулевые значения можно выбрасывать (фиг.9) и потом повторно идентифицировать по ненулевым данным таблицы 6.

Начиная с 10-го ранга все значения массы на пробной площадке №1, по сравнению с общей массой всех проб, перепутываются, то есть как бы не подчиняются общему закону. На это влияет вторая волновая составляющая.

В таблице 7 даны параметры новой модели.

Исключение нулей из таблицы исходных данных привело к сокращению количества составляющих частной модели от 16 до 5, то есть снижение объема статистической модели без нулей произошло в 3,2 раза. Поэтому рекомендуется по каждой пробной площадке составлять укороченные таблицы исходных данных по типу таблицы 6. Это упрощает сам процесс идентификации волновых составляющих.

Тренд оказался неизменным по показательному закону.

Но колебания по численности резко сократились: седьмое (фиг.6) стало вторым (фиг.9) и это обстоятельство указывает, что это колебание становится решающим в адаптации общего видового состава из 32 видов травы к условиям произрастания на первой пробной площадке.

Таблица 7 Составляющие рангового распределения массы видов растений на первой площадке (при учете только имеющихся по массе видов растений) № i Амплитуда колебания Полупериод и сдвиг колебания Коэфф. Коррел. a _1i a _2i a _3i a _4i a _5i a _6i a _7i a _8i 1 2,92097 0,6814 0 0 0 0 0 0 0,9737 2 3,65286е7 4,26865 16,08902 0,18030 129,48710 -4,98863 0,93319 -6,06902 3 5,43140е-11 10,44398 0,26240 1,07921 1,31800 -0,00024246 1,60044 4,12793 0,9439 4 3,43218 4,68045 6,10067 0,31326 18,40238 -0,0019223 2,49624 -5,32413 0,7021 5 1,17282е-94 86,87595 0,88174 1,32845 3,11821 -0,14821 0,58114 3,62870 0,9894

По графику второму на фигуре 9 видно, что до 26 ранга наблюдается детерминированное изменение сырой массы пробы. А затем начинается сильное волнение.

При этом на нулевом ранге период колебания равен 2×129,48710≈259 рангов. Это в 259/32=8,09 раза больше длины общего ряда видов травы. К 26 рангу период колебательной адаптации снижается до 50,3 рангов. А к 32 рангу становится равным всего 5,7 рангов. На следующем за пределами общего видового состава при условии R≥32 период колебательного возмущения становится отрицательным.

Погрешности модели по параметрам из таблицы 7 даны в таблице 8.

Таблица 8 Относительная погрешность рангового распределения видов травы Наименование травы Ранг R На первой площадке , г m, г ε, г Δ, % 1. Тысячелистник обыкновен. 27 23 23,0 -0,01 -0,05 2. Анис.обыкновенный 28 27 27,1 -0,07 -0,27 3. Вероника дубравная 26 13 13,1 -0,06 -0,43 4. Герань луговая 29 39 39,0 -0,03 -0,08 9. Земляника лесная 22 26 26,1 -0,05 -0,19 10. Тростник обыкновенный 30 21 21,1 -0,07 -0,35 11. Манжетка 16 31 31,0 -0,01 -0,02 14. Василек луговой 24 20 20,1 -0,05 -0,26 22. Гусиная лапка 10 32 32,0 0,04 0,14 23. Лютик ползучий 2 13 13,1 -0,12 -0,94

Максимальная относительная погрешность равна всего 0,94%. Поэтому устранение нулей по массе видов растения в пробе дает повышение точности биотехнической закономерности при ее сокращении по количеству составляющих. При этом мы пока не знаем, что собой эвристически означают каждая из волновых составляющих. Для более подробного выяснения физико-биологической картины адаптационной активности отдельных видов растений нужны новые эксперименты.

Предлагаемое изобретение повышает функциональные возможности способа за счет более подробного по видам растений по сырой массе, причем без привязки к расстояниям по створам и вдоль реки, и даже без измерений высоты расположения пробной площадки над урезом воды.

Кроме того, способ упрощается по исполнению, так как не требуется измерять расстояния вдоль и поперек реки, а также измерять высоту пробных площадок и это дает возможность ежегодного экологического мониторинга разных участков пойменного луга, подвергаемого тем или иным антропогенным воздействиям. Главное - это изменение сырой массы травы с одинаковых по размерам пробных площадок по общему списку видов травяных и травянистых растений.

Способ упрощается также из-за того, что не требуется сушить пробы травы и это позволяет сразу же после срезки взвесить пробы на переносных весах и тут же эту пробу после взвешивания выбросить. Поэтому останется только один важнейший показатель - масса сырой пробы в зависимости от общей ранговой шкалы, которая составляется по сумме масс свежесрезанной травы на одинаковых пробных площадках, причем ранги расставляются по возрастанию общей массы срезанной травы. Такое упрощение значительно расширяет возможности применения способа на гораздо большее количество пробных площадок, намечаемых вдоль реки на длинные участки малой реки. При этом рельеф полностью исключается из анализа распределения видов травы по всему участку или же по отдельным ее пробным площадкам.

Изобретение относится к экологическому мониторингу территорий с травяным покровом. Способ включает выделение на малой реке или ее притоке визуально по карте или натурно участка пойменного луга с травяным покровом. Производят разметку на выделенном участке по течению малой реки или ее притока в характерных местах не менее трех створов в поперечном направлении. Осуществляют разметку вдоль каждого створа не менее трех пробных площадок с каждой стороны малой реки или ее притока. На каждой пробной площадке укладывают рамку с внутренними сторонами не менее 0,50×0,50 м. Затем вровень с поверхностью почвы срезают надземные части отдельных растений или их порций в виде нескольких растений одинакового вида, присутствующих на пробной площадке. Далее раскладывают срезанные порции растений в отдельные кучки по видам травы. После срезания всех травинок со всей пробной площадки кучки травы сразу же взвешивают на переносных весах. После взвешивания кучки травы выбрасывают. Процедуру взвешивания с выбрасыванием взвешенных растений повторяют на каждой пробной площадке на выделенном участке. Затем вычисляют общие массы свежесрезанной травы по видам травы. На каждой отдельной пробной площадке массу всей пробы свежесрезанной травы вычисляют как сумму масс отдельных кучек по видам травы. Общую массу данного вида растения вычисляют как сумму всех кучек срезанной травы по видам со всех пробных площадок. Затем по отдельным видам растений для всех пробных площадок составляют ранговую шкалу видов травы по свежесрезанной массе. Ранги расставляют по мере увеличения общей массы на участке. Оценку видового состава травяного покрова осуществляют статистическим моделированием путем идентификации математических моделей изменения массы срезанной травы на участке и на отдельной пробной площадке в зависимости от ранга видов травяных и травянистых растений. Такая технология позволит повысить точность учета наличия видов травяных и травянистых растений при одновременном упрощении процесса оценки видового состава. 8 табл., 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ оценки видового состава травяного покрова на пойменных лугах, включающий выделение на малой реке или ее притоке визуально по карте или натурно участка пойменного луга с травяным покровом, разметку на выделенном участке по течению малой реки или ее притока в характерных местах не менее трех створов в поперечном направлении, разметку вдоль каждого створа не менее трех пробных площадок с каждой стороны малой реки или ее притока, отличающийся тем, что на каждой пробной площадке укладывают рамку с внутренними сторонами не менее 0,50×0,50 м, затем вровень с поверхностью почвы срезают надземные части отдельных растений или их порций в виде нескольких растений одинакового вида, присутствующих на пробной площадке, далее раскладывают срезанные порции растений в отдельные кучки по видам травы, а после срезания всех травинок со всей пробной площадки кучки травы сразу же взвешивают на переносных весах, а после взвешивания кучки травы выбрасывают, при этом процедуру взвешивания с выбрасыванием взвешенных растений повторяют на каждой пробной площадке на выделенном участке, затем вычисляют общие массы свежесрезанной травы по видам травы, причем на каждой отдельной пробной площадке массу всей пробы свежесрезанной травы вычисляют как сумму масс отдельных кучек по видам травы, а общую массу данного вида растения вычисляют как сумму всех кучек срезанной травы по видам со всех пробных площадок, затем по отдельным видам растений для всех пробных площадок составляют ранговую шкалу видов травы по свежесрезанной массе, причем ранги расставляют по мере увеличения общей массы на участке, при этом оценку видового состава травяного покрова осуществляют статистическим моделированием путем идентификации математических моделей изменения массы срезанной травы на участке и на отдельной пробной площадке в зависимости от ранга видов травяных и травянистых растений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно подсчитывают количество видов на каждой пробной площадке, при этом на всем выделенном участке пойменного луга выполняют одинакового размера 0,50×0,50 м, а в совокупности площадь всех пробных площадок составляет не менее 4 м², при этом минимальное количество пробных площадок равно 18 - по 6 площадок в трех створах, а взвешивание кучек травы осуществляют на переносных весах с ценой деления в 1 г.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для построения математических моделей изменения массы свежесрезанной травы на участке и на отдельной пробной площадке в зависимости от ранга видов травяных и травянистых растений используют формулу


где m - расчетная масса пробы свежесрезанной травы, г,
m_i - масса по составляющим уравнения, г,
R - ранг массы вида растения на данном участке пойменного луга малой реки, R=0, 1, 2, 3, …, причем R=0 дается не существующему на данном участке виду травяного или травянистого растения,
Ai - амплитуда (половина) колебания массы сырой травы, г,
p_i - полупериод колебания ранга массы у видов растения,
a_1…a₈ - параметры уравнения, получаемые после идентификации по статистическим данным измерений массы сырой пробы травы,
i - номер составляющей общего уравнения,
n - количество уравнений тренда и волновых составляющих.