СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ДРЕВОСТОЯ ПО ПОБЕГАМ КРОН Российский патент 2024 года по МПК A01G23/00 A01G7/04 

Изобретение относится к области лесного хозяйства, в частности зависимости интенсивности фотосинтеза побегов от физиологического состояния дерева. Оно может быть использовано в технологиях исследования окружающей среды, например, в мониторинге древостоя, оценке устойчивости древесных растений, их продуктивности, приживаемости саженцев после пересадки, анализе влияния негативных факторов среды на деревья с использованием флуориметров.

Известна «Шкала оценки категорий состояния насаждений» деревьев по визуальным признакам [См. Справочник Общесоюзные нормативы для таксации лесов. – М.: Колос. 1982. – С.183–186. Табл.80–62.].

Визуальными признаками являются изменение окраски крон, некроз хвои, усыхание ветвей, суховершинность. Используя действующие "Санитарные правила в лесах России" выделяют 6 категорий состояния (жизнеспособности) деревьев: 1 - деревья без признаков ослабления, 2 - ослабленные, 3 - сильно ослабленные, 4 - усыхающие, 5 - сухостой текущего года (усохшие в текущем году), 6 - сухостой прошлых лет.

К недостаткам данного способа следует отнести

– статистическая неустойчивость, субъективность визуального метода;

– зависимость субъективных оценок от сезонной фенофазы развития древесных растений.

Известен дистанционный «Способ оценки состояния лесов», патент RU2038001, МПК A01G 23/00, 1995 г. – аналог. В способе аналога измеряют хроматические коэффициенты (g, r) цветности древесного полога с борта орбитальной станции «Мир» посредством установленного на ней спектометрического модуля МС-03 в узких спектральных интервалах G, R вычисляют индексы зеленого и красного поражения g= G/G+R r=K/R+G,

вычисляют функции взаимной корреляции хроматических коэффициентов g, r:

где K(r,g) – коэффициент корреляции;

g-хроматический коэффициент жизненности;

r - хроматический коэффициент поражения;

– среднее значение измеряемых коэффициентов;

Gg, Gr – среднеквадратические отклонения.

Способ оценки состояния лесов путем определения состояния и наличия хвои на контрольных площадках, определение категории состояния и оценку ее в баллах, отличающийся тем, что зондирование проводят с орбиты искусственного спутника Земли (ИСЗ), с автономной поворотной платформы на которой размещают спектрометрический модуль, поле зрения которого совмещено с полем зрения цветной телекамеры, с орбиты ИСЗ отслеживают заложенные площадки вводом установок баллистических данных в систему управления автономной платформы, измеряют коэффициенты спектральной яркости зондируемой площадки в синем, зеленом и красном участках видимого спектра, квантуют непрерывные значения амплитуд сигналов измеренной функции с шагом квантования не более 1/256, рассчитывают значения хроматических коэффициентов жизненности и повреждения, вычисляют функцию регрессии хроматических коэффициентов и тарируют ее в баллах по измерениям площадок с известными категориями состояния и получают оценку состояния лесных массивов на всей площади наблюдения.

К недостаткам аналога следует отнести:

- сложность технической реализации орбитальных измерений,

- зависимость орбитальных измерений от климатического состояния погоды в районе анализируемых участков;

- использование одного единственного измеренного параметра – цветости древесного полога.

Ближайшим аналогом к заявленному способу является «Способ определения стока поглощаемого из атмосферы углерода древесной растительностью», патент №2342636, МПК G01C 11/04, 2006 г.

Способ ближайшего аналога включает: получение изображений лесов в виде матриц |m×n| элементов зависимости функции яркости сигнала I (х,у) от пространственных координат, вычисление параметров древостоя по характеристикам матриц изображений, расчет концентрации загрязняющего вещества по отношению сигналов в каналах измерений спектральных полос поглощения основной компоненты воздуха и загрязняющего вещества, отличающийся тем, что изображения лесов получают одновременно в тех же спектральных полосах поглощения, на которых измеряют концентрацию углекислого газа (СО₂) и кислорода О₂ в атмосфере по трассе прохождения сигнала, концентрацию СО₂ определяют на основе отношения сумм яркостей пикселей матриц изображений, соответствующих каналам CO₂ и О₂, а сток углерода для данной концентрации СО₂ над древесным пологом определяют через прирост биомассы древостоя, выражаемой через параметры структуры полога из соотношения:

где а - коэффициент пересчета углекислого газа в биомассу растительности,

V₀- расчетный запас насаждения в начале измерений, м³,

Т - интервал наблюдений отслеживаемых лесных массивов, лет,

S_p1; S_p2- площади рельефов древесных пологов анализируемых участков в начале и конце интервала наблюдений,

F_cp1·F_cp2 – средняя частота пространственного спектра матриц изображений анализируемых участков в начале и конце интервала наблюдений.

В способе определения стока измерение элементов структуры древесного полога и расчет биомассы анализируемого участка были получены путем анализа изображений, получаемых в тех же спектральных полосах одновременно с измерениями CO₂ и O₂. Поскольку размер кадров получаемых изображений (определяемый фокусирующей системой измерителя) является одинаковым для полос CO₂ и O₂, а коэффициенты отражения светового луча от древесного полога (ввиду близости спектральных полос) равны, то яркость изображений зависит только от поглощения светового луча по трассе распространения. Поэтому отношение суммы яркостей пикселей изображений CO₂ и O₂ содержит информацию о концентрации CO₂ в атмосфере. Для расчета величины стока CO₂ растительным пологом проводят тематическую обработку изображений.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:

- сложность технической реализации орбитальных измерений,

- зависимость орбитальных измерений от климатического состояния погоды в районе исследования участков,

- не оценивается эффективность фотосинтеза.

Задача, решаемая данным изобретением, состоит в количественной оценке зависимости между категорией состояния дерева в древостое и эффективностью фотосинтеза его побегов, измеренной по флуоресценции хлорофилла.

Поставленная задача решается тем, что способ определения состояния древостоя по побегам крон включает заготовку образцов побегов видов деревьев, затенение образцов в специальных зажимных клипсах, облучение образцов световым потоком в полосе 400…700 нм в импульсном режиме с регулируемой интенсивностью, приём отраженного от образцов сдвинутого спектра в полосе флуоресценции фотоприёмником, оцифровку сигнала флуоресценции с регулируемой дискретизацией, формирования массива регистрограмм зависимости категорий состояния визуально отобранных образцов от сигнала флуоресценции.

Изобретение поясняется фигурами, где:

Фиг 1 – полосы переизлучения солнечного спектра при квантовом взаимодействии с молекулами вещества;

Фиг 2 – экспериментальная зависимость категорий состояния от коэффициента поглощения лучистой энергии побегами крон;

Фиг 3 – функциональная схема устройства, реализующего способ.

Техническая сущность способа состоит в следующем.

Известно, что интенсивность процесса фотосинтеза служит индикатором влияния экологических факторов на древесные растения. Используя солнечную энергию, растения в процессе фотосинтеза производят углеводы и другие органические соединения из СО₂ и Н₂О.

Взаимодействие солнечного света с хлоропластами происходит на молекулярном уровне. При поглощении энергии кванта молекулой хлорофилла, последняя переходит на другой энергетический уровень. При всех видах возможного взаимодействия, в том числе, поглощение, рассеяние, переизлучение интегральный эффект состоит в смещении спектра падающего потока в его длинноволновую часть (красное смещение). На рисунке фиг.1 иллюстрируются полосы смещенного переизлучения: серия Лаймана (100-300 нм) [См, например, Волновые числа комбинационного сдвига, Межерис, Р.М. Лазерное дистанционное зондирование / Р. Межерис; Пер. с англ. И. Г. Городецкого, В. В. Филюшкина; под ред. А. Б. Карасева. – М.: Мир, 1987. стр.123, табл.3.4.].

В частности, в интервале 400…700 нм (фиг.1) существует серия полос флуоресценции, в области которых эффективность поглощения светового потока хлорофиллом эталонного образца. Категория состояния древостоя характеризуется величиной соотношения переменной флуоресценции (Fv) к максимальной флуоресценции (Fm), К= Fv/ Fm.

Флуоресценция хлорофилла а (Фл) представляет собой вторичное излучение световой энергии, поглощенной молекулой хлорофилла. Флуоресценция хлорофилла а во время фотосинтеза является мерой энергии поглощаемых квантов света, которые не были использованы в процессе фотосинтеза, и не были рассеяны в виде тепла. Часть поглощенной энергии, которая теряется в виде флуоресценции (Фл) составляет только от 3 % до 5 %, однако такая потеря является важной информацией об интенсивности процесса фотосинтеза. При нормальной и эффективной работе фотосинтетических реакций интенсивность флуоресценции хлорофилла а остается низкой, а любое нарушение процесса фотосинтеза понижает его эффективность, что приводит к значительному увеличению Фл. Использован показатель флуоресценции – отношение (Fm – Fo) / Fm, которое характеризует максимальный квантовый выход эффективности работы фотосистемы 2 (ФС2) в первичных процессах разделения заряда в рекреационном центре Р₆₈₀ для образцов, выдержанных в темноте.

При расчетах этого показателя используются следующие показатели:

Fo – начальная флуоресценция побегов, адаптированных к темноте.

Fm – максимальная флуоресценция, определяется после темновой адаптации. Уменьшение Fm указывает на то, что исследуемый фотосинтезирующий объект находится в состоянии стресса.

Fv – представляет собой разницу между величинами Fm и Fo, измеренными после темновой адаптации. Значение Fv уменьшается под воздействием стрессовых факторов окружающей среды при повреждениях тилакоидов.

Fv / Fm - максимальная фотохимическая эффективность ФС 2. Параметр Fv / Fm, который представляет собой отношение (Fm – Fo) / Fm, измеренное в адаптированных к темноте растениях, отражает потенциальную квантовую эффективность ФС 2. Для большинства растений при полном развитии всех органов в оптимальных условиях произрастания максимальное значение этого параметра равно 0,83. Его понижение означает, что перед измерением растение было подвержено влиянию стресса, который повредил фотосинтетические функции, что привело к снижению эффективности переноса электронов. Это часто наблюдается в растениях, которые подвергаются воздействию различных стрессовых факторов. Фотосинтез древесных растений происходит не только в листьях, но и в коре побегов и ствола. Такие хлоренхимные ткани обнаруживают высокие показатели чистого фотосинтеза (до 75% от соответствующих показателей фотосинтеза листьев) [Larcher W, Lutz C, Nagele M, Bodner M (1988) Photosynthetic functioning and ultrastructure of chloroplasts in stem tissue of Fagus sylvatica. J Plant Physiol 132:731–737].

Соотношение Fv / Fm отражает актуальную продуктивность или ее снижение под действием внешних факторов. На рисунке фиг.2 иллюстрируется экспериментально измеренная зависимость категории состояния образцов от упомянутого соотношения Fv/Fm. При этом категория состояния образцов устанавливалась по способу – аналогу (визуально).

Достоинства метода:

1.Оперативность, в любой момент времени можно взять пробу непосредственно в древостое, измерения не разрушают структуру дерева.

2. Сравнительно короткая продолжительность измерения – несколько минут.

3.Точность и информативность – количественная оценка категории состояния древостоя.

4.Воспроизводимость, легко можно повторить эксперимент, одновременно измерять несколько побегов.

5.Доступность реализации метода – относительно низкая стоимость измерений и доступность различных типов приборов.

6. Выявления стресса до того, как проявятся видимые симптомы ухудшения состояния растений.

Пример реализации способа

Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг.3. Функциональная схема содержит зажимную светонепроницаемую клипсу (1), внутрь которой помещают испытуемый образец побега (2), размещенный на поверхности стола (3). Облучение образца осуществляемый через отверстие в клипсе, диаметром 4 мм, импульсами световым потоком, с регулируемой интенсивностью посредством генератора (4), собранного на светодиодах, обеспечивающих равномерность освещения поверхности посредством рассеивающих линз (светочувствительная матрица), сдвинутый по длине волны световой поток из-за флуоресценции хлорофилла образца воспринимается фотоприемником (5). Сигнал флуоресценции кватируется аналоговым цифровым преобразователем (6), с изменяемой дискретизацией отсчетов в интервале (от единиц микросекунд до десятков секунд) и накапливается накопителе (USB) отсчетов (7) в виде массивов измерений. Обработку массивов измерений осуществляют посредством микропроцессора (8), на основании программ, записанных на жестком диске (9). Результаты обработки отображаются на жидкостно-кристаллическом дисплее (10). Управление микропроцессором осуществляется посредством буквенно-цифровой клавиатуры (11).

Изобретение относится к области лесного хозяйства и экологического мониторинга. Способ включает заготовку образцов побегов видов деревьев, затенение образцов в зажимных клипсах. Облучение образцов осуществляют световым потоком в полосе 400-700 нм в импульсном режиме с регулируемой интенсивностью. Проводят прием фотоприемником отраженного от образцов сдвинутого по длине волны светового потока, оцифровку сигнала флуоресценции с регулируемой дискретизацией, формируют массив регистрограмм зависимости от сигнала флуоресценции категорий состояния визуально отобранных образцов. Способ обеспечивает оперативность, достоверность, получение количественной зависимости категорий состояния от эффективности преобразования лучистой энергии деревом в зависимости от техногенных нагрузок. 3 ил.

Способ измерения флуоресценции хлорофилла образцов побегов крон деревьев, включающий заготовку образцов побегов видов деревьев, затенение образцов в зажимных клипсах, облучение образцов световым потоком в полосе 400-700 нм в импульсном режиме с регулируемой интенсивностью, прием фотоприемником отраженного от образцов сдвинутого по длине волны светового потока, оцифровку сигнала флуоресценции с регулируемой дискретизацией, формирование массива регистрограмм зависимости от сигнала флуоресценции категорий состояния визуально отобранных образцов.