Имитационно-математическая модель морфометрических параметров генеративного побега пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) для прогноза урожайности культурных плантаций, заложенных рассадой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Имитационно-математическая модель морфометрических параметров генеративного побега пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) для прогноза урожайности культурных плантаций, заложенных рассадой

Бородий С.А., Бородий П.С.

Костромская государственная сельскохозяйственная академия

Предмет исследования -- культурная плантация пижмы обыкновенной. Цель исследований -- разработать математическую модель прогноза урожайности культурной плантации пижмы обыкновенной, заложенной посадкой рассады. Исследования проводились в 2013…2015 гг. на опытном поле ФГБОУ ВО Костромская ГСХА. Почва дерново-подзолистая среднесуглинистая, содержание гумуса 1,85%, Р2О5 - 135,33, К2О - 107,17 мг/кг почвы, рНсол - 5,41. Рассада получена из семян урожая 2012 г., перезимовавших непосредственно в соцветиях дикорастущей ценопопуляции. Масса 1000 семян - 0,13 г., чистота - 24,00%, всхожесть - 59,50%. Для получения рассады семена высевали широкорядным способом с междурядьями 70 см в бороздки глубиной 4,00…5,00 см без заделки семян в почву. Норма высева - 59000 всхожих семян на 1 га. Возраст рассады для посадки на постоянное место составлял 43 суток, фенологическая стадия развития -- шесть настоящих листьев. Растения на плантации высаживали с междурядьями 70 см и расстоянием между растениями в рядке 30 см. Глубина посадки - 1…2 см с последующим поливом водопроводной водой из расчёта 0,50 л под каждое растение. Уход за плантацией включал междурядные обработки на глубину 2…3 см. В результате исследований рассчитана теплоемкость фенологических стадий для последующего сезонного прогноза развития генеративного побега пижмы. Динамика высоты генеративного побега для растений второго года жизни прогнозировалась с точностью 98,72%, для третьего - 91,90% Математические модели прогноза динамики роста фитоорганов работали с точностью: надземная общая фитомасса - 98,04...98,86 %; надземная активная фитомасса -- 89,49...96,00 %; масса листьев - 62,47...83,18 %; масса стебля - 76,64...91,91 %; масса соцветий - 75,58...94,98 %, отмершая фитомасса - 80,66...97,81%. Урожайность соцветий и побочной продукции рассчитывается как произведение прогноза массы фитоорганов на количество генеративных побегов на единице площади. Точность работы моделей позволяет рассчитать прогноз урожайности плантации за 2...3 месяца до начала сбора лекарственного сырья.

Ключевые слова: ПИЖМА ОБЫКНОВЕННАЯ, TANACETUM VULGARE L., ДИНАМИКА ПРОДУКТИВНОСТИ ПОБЕГА, ПРОГНОЗ УРОЖАЙНОСТИ, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

В настоящее время наблюдается тенденция возрастания потребности населения в медицинских препаратах, полученных из сырья лекарственных растений. Одной из болезней человека и животных является гельминтоз, против которого эффективен препарат танацехол [1], производящийся из соцветий пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.). Растение широко распространено по территории средней полосы России [2], но в диком виде обычно растет по обочинам дорог, в населенных пунктах и на других территориях, где на поверхности почвы нарушена дернина [3]. Кроме того, по нашим наблюдениям, пижма, не выдерживая конкуренции с древесно-кустарниковой растительностью и корневищными злаковыми травами, редко образует сплошные заросли, пригодные для механизированной уборки. Ручной сбор соцветий в местах естественного произрастания может оказаться низкорентабельным, объем получаемой продукции незначительным, а продукция загрязнена тяжелыми металлами и другими поллютантами [4]. Следовательно, для повышения рентабельности целесообразно закладывать производственные плантации и выращивать это растение в культуре. Рекомендации по выращиванию пижмы обыкновенной достаточно полно изложены в работе [1], что обеспечивает возможность адаптации технологии практически для любого сельскохозяйственного предприятия. Однако в настоящее время проблема не столько произвести, сколько реализовать полученную продукцию. Основными пунктами при заключении договоров с потребителями являются сроки и объемы поставки лекарственного сырья. Чем раньше будут известны эти параметры, тем больше вероятность заключения выгодных соглашений. Для этого необходимы математические модели прогноза роста и развития растений пижмы обыкновенной.

В связи с вышеизложенным целью исследования мы ставили разработать имитационно-математическую модель прогноза урожайности плантаций пижмы обыкновенной, заложенных рассадным способом.

Методика исследований. Исследования проводились на опытном поле ФГБОУ ВО Костромская ГСХА в 2013…2015 гг. Почва участка - дерново-подзолистая среднесуглинистая, содержание гумуса - 1,85 %, подвижного фосфора - 135,33, обменного калия - 107,17 мг/кг почвы, рНсол - 5,41. Размер опытной делянки - 2,10х2,10 м. Общая площадь делянки - 4,41 м2. Учетная площадь - 4,41 м2. Повторность - 4-хкратная.

Семена урожая 2012 г. получены из перезимовавших в полевых условиях соцветий дикорастущей ценопопуляци пижмы обыкновенной весной 2013 года. Масса 1000 семян - 0,13 г., чистота - 24,00%, всхожесть - 59,50%. Посев проведен 21 мая 2013 г. широкорядным способом с междурядьями 70,00 см, в предварительно нарезанные борозды глубиной 4,00…5,00 см без заделки семян в почву. Норма высева 5,90 тыс. всхожих семян на 1 га. Рассаду выращивали в открытом грунте в течение 43 суток, до стадии шести настоящих листьев. На постоянное место рассаду высаживали широкорядным способом с междурядьями 70,00 см и расстоянием между растениями 30,00 см. Глубина посадки 1,00...2,00 см с последующим поливом водопроводной водой из расчёта 0,50 л под каждое растение. Уход за посевами включал междурядные обработки на глубину 2,00…3,00 см для защиты от сорных растений. Уборку соцветий производили вручную в середине стадии цветения корзинок. До влажности 13% соцветия сушились под навесами с естественной вентиляцией.

Учет фенологических стадий развития растений проводили с интервалом 2 суток. Для кодирования стадий применяли 100- балльную шкалу (Код ВВСН) [5]. Учеты морфометрических параметров генеративного побега (высота, надземная общая и активная фитомасса, массы листьев, стебля, генеративных органов) проводили с интервалом 7 суток от весеннего отрастания до осеннего прекращения вегетации. Учетная выборка включала 10 побегов, срезанных в случайном порядке на уровне почвы в четырехкратной повторности с последующим измерением высоты. Для изучения динамики массы предварительно отделенные от побега фитоорганы высушивали до влажности 13% и взвешивали. Коэффициенты листьев, стеблей и генеративных органов рассчитывали как отношение их массы к надземной активной фитомассе побега [6]. Расчет и прогноз суммарной энтальпии воздуха проведен по методике, изложенной в [7]. Статистическая обработка результатов исследований выполнена с использованием табличного процессора Excel 2003.

Точность прогноза динамики морфометрических параметров генеративного стебля по математической модели, рассчитанной по данным 2014 года, проверяли на независимых (не использованных при расчете уравнений) данных 2015 года. Контрольный отбор образцов генеративных побегов (2015 г.) проведен в стадиях вегетативного (шестой лист), начала генеративного (появление первых отдельных соцветий) и генеративного (полное цветение) развития.

Результаты исследований. В первый год жизни растения пижмы, как и большинство видов многолетников, росли и развивались медленно. Отклонение роста и развития было вызвано дополнительным стрессом при пересадке, поскольку при этом неизбежно повреждение корневой системы. К концу вегетации отдельные растения достигли стадии цветения, что отмечалось и другими исследователями [1, 8]. Урожайность соцветий не имела производственного значения, поэтому разработка модели для растений первого года жизни была нецелесообразна. В последующие годы наблюдался нормальный рост и развитие растений, что позволило разработать и верифицировать математическую модель прогноза биометрических параметров генеративного побега.

Динамика фенологических стадий развития. Прогноз календарных сроков фенологических стадий необходим для заблаговременной организации проведения технологических операций по уходу за плантацией и уборке урожая. Применение средних многолетних календарных дат не обеспечивает должной точности, поэтому для прогноза целесообразно применять термический параметр времени, то есть суммарную энтальпию воздуха, формула для которой включает атмосферное давление, среднесуточные температуру и относительную влажность воздуха. Суммарная энтальпия прогнозируется от 10 мая до 31 августа текущего года с точностью 99,60...99,80 % [7].

На основании сопоставления прогноза суммарной энтальпии воздуха (теплообеспеченность года) и теплоемкости фенологических стадий рассчитывается фенологический календарь развития пижмы обыкновенной на текущий год.

Наблюдения за растениями старше одного года жизни в культурной плантации, заложенной рассадным способом, показали высокую степень совпадения теплоемкости стадий растений второго и третьего лет жизни (99,11%), за исключением начальной стадии (шестой лист), которая не столь важна в технологии выращивания, как стадии цветения, когда идет сбор урожая соцветий (табл. 1). Следует отметить, что скорость развития генеративных побегов культурной плантации мало отличалась от таковых в дикорастущей ценопопуляции и совпадала с последней для растений второго года жизни на 99,46%, а третьего -- на 98,92%.

Ретроспективный расчёт по данным предыдущих исследователей [8] для Московской области в 2005 году показал, что массовое цветение пижмы второго года жизни наблюдалось ими при суммарной энтальпии воздуха 3761,41 КДж/кг, что совпадало с нашими данными для Костромской области (3713,63...3799,18 КДж/кг).

математический модель урожайность пижма

Таблица 1. Теплоемкость фенологических стадий развития пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) в культурной плантации, заложенной рассадой

Примечание: * -- нет данных.

Рис. 1. Динамика высоты стебля пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) в дикорастущей ценопопуляции и культурной плантации, 2014…2015 гг.(ориг.)

Следовательно, для прогноза календарных дат фенологических стадий и последующего планирования сроков выполнения технологических операций мы рекомендуем использовать рассчитанные значения теплоемкости.

Динамика высоты побега. Рост побега пижмы в высоту наблюдался до стадии полного цветения, календарная дата которого зависела от возраста растений и термических ресурсов года. По достижении цветения рост побега в высоту прекращался (рис. 1).

Следует отметить, что побеги растений, выращивавшихся в культуре, проявляли склонность к полеганию, когда их высота превышала 120 см. В дикорастущей ценопопуляции полегания не наблюдалось, поскольку высота не достигала критического значения.

Прогноз динамики высоты побега (hр) рассчитывается по системе уравнений

(для Ср от 1050,0 до 3360,0 КДж/кг)(1)

,

где: h'р - корректирующий коэффициент; hfр - эмпирическая высота побега на календарную дату учёта, см; Cpf - эмпирическая суммарная энтальпия воздуха от календарной даты весеннего возобновления вегетации до календарной даты учета высоты побега, КДж/кг.

Точность прогноза в 2014 году составляла 98,72%, в 2015 году - 91,90% (табл. 2), что обусловливает возможность применения модели в производственных условиях для прогноза высоты травостоя.

Таблица 2. Верификация модели прогноза высоты генеративного побега пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) в культурной плантации, заложенной посадкой рассады

Динамика надземной общей фитомассы побега. Для снижения погрешности, вызванной вероятным сезонным варьированием влажности фитоорганов, здесь и далее в расчётах использована фитомасса влажностью 13%. Надземную общую фитомассу побега составляют листья, стебель, соцветия, семена и отмершие фитоорганы. До цветения побега фитомасса возрастала, затем интенсивность ростовых процессов замедлялись, а от начала рассеивания семян масса побега начала снижаться вследствие отмирания листьев, верхней части стебля и осыпания созревших семян (рис. 2).

Процесс описан следующей системой уравнений.

(для Cp от 265,00 до 2500,00 КДж/кг),

(для Cp от 2500,01 до 4057,00 КДж/кг), (2)

(для Cp от 4057,01 до 4880,00 КДж/кг),

где Mo -- надземная общая фитомасса побега, г.

Для прогноза Mо разработана модель:

(3)

,

где: Mо' -- корректирующий коэффициент, г/побег; Mоf -- эмпирическая надземная общая масса на календарную дату учёта, г/побег; f(Cp)-- функция динамики воздушно-сухой (13%) надземной общей фитомассы побега (см. (2)).

Рис. 2. Динамика надземной общей фитомассы побега пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) в культурной плантации, 2014…2015 гг. (ориг.)

Прогноз динамики надземной общей фитомассы хорошо коррелировал с эмпирическими данными (табл. 3), что служит основанием для рекомендации модели к применению в производственных условиях.

Следующие имитационно-динамические модели для прогноза надземной активной фитомассы, массы листьев, стебля и соцветий базируются на модели (3) и динамических коэффициентах массы, отражающих долю массы фитооргана в надземной общей фитомассе.

Таблица 3. Верификация модели прогноза массы (13% влажность) генеративного побега пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) в культурной плантации, заложенной рассадой

Примечание: * -- Э -- эмпирические значения; П -- значения, рассчитанные по модели (прогноз);** -- погрешность прогноза в процентах от эмпирических значений.

Описание расчета и применения коэффициентов более подробно изложено в работе [9].

Динамика надземной активной фитомассы побега в целом повторяла тенденцию, наблюдавшуюся для общей фитомассы, но от третьей декады мая и до конца вегетации величина ее была несколько ниже, поскольку начали отмирать фитоорганы (рис. 3).

Рис. 3. Динамика надземной активной фитомассы побега пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) в культурной плантации, 2014…2015 гг. (ориг.)

Соответственно, снижался коэффициент надземной активной фитомассы (Kdn), который аппроксимирован следующей системой уравнений.

 (для Cp менее 766,00 КДж/кг)

(для Cp от 766,01 до 4579,00 КДж/кг) (4)

(для Cp от 4579,01 до 5287,00 КДж/кг).

Для прогноза надземной активной фитомассы (Mn) прогнозируемая надземная общая масса побега (Мо) умножается на Kdn:

(5)

Верификация модели показала точность прогноза: для растений второго года жизни - 96,00%, третьего - 89,49% (см. табл. 3), что позволяет рекомендовать модель (5) для прогноза надземной активной фитомассы побега с последующим выделением из нее массы отдельных фитоорганов.

Рис. 4. Динамика массы листьев побега пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) в культурной плантации, 2014…2015 гг. (ориг.)

Динамика массы листьев побега. Формирование массы листьев пижмы обыкновенной происходило в первой половине вегетации побега и достигало максимума в фазу бутонизации--начала цветения (рис. 4). В период цветения и позднее нижние листья отмирали, и этот процесс продолжался до полного отмирания надземной части побега.

Динамика коэффициента листьев (Kdl) для культурных плантаций старше одного года аппроксимирована логарифмической функцией.

(для Cp от 80,00 до 5300,00 КДж/кг) (6)

Прогноз массы листьев (Ml) рассчитывается по прогнозируемой массе надземных активных фитоорганов (Mn) и коэффициенту листьев (Kdl):

(7)

Верификация модели (7) в 2014 году показала точность прогноза 83,18%, а в 2015 г. -- 62,47% в (см. табл. 3), что позволяет использовать ее для расчета прогноза динамики массы листьев побега. Следовательно, по эмпирическим результатам весеннего учёта общей надземной массы побега можно сделать прогноз динамики массы листьев на остальной период вегетации.

Динамика массы стебля побега. Активная масса стебля побега равномерно увеличивалась и достигала максимума в фазы бутонизации -- цветения (рис. 5).

Динамика коэффициента стебля (Kds) подчинялась логарифмической зависимости:

(для Cp от 202,00 до 5058,00 КДж/кг) (8)

Рис. 5. Динамика массы стебля побега пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) в культурной плантации, 2014…2015 гг. (ориг.)

Прогноз массы стебля побега производился по модели:

(9)

Соответствие прогнозируемого значения массы стебля эмпирическим данным для растений второго года жизни было на уровне 91,91%, третьего -- 76,64% (см. табл. 3). Следовательно, модель можно рекомендовать для применения в производственных условиях.

Динамика массы соцветий побега. Максимальная масса соцветий наблюдалась в фазы цветение -- формирование плодов. В дальнейшем, при полном созревании, плоды осыпались, и масса соцветий снижалась (рис. 6).

Для расчета распределения значений коэффициента массы соцветий (Kdg) на протяжении периода вегетации разработана система уравнений:

 (для Cp от 1808,00 до 3363,00 КДж/кг),

(для Cp от 3363,01 до 4629,00 КДж/кг), (10)

(для диапазона Cp от 4629,01 до 5073,00 КДж/кг).

Прогноз массы соцветий рассчитывается как произведение прогнозируемого значения активной надземной фитомассы и прогнозируемого коэффициента массы соцветий:

(11)

Рис. 6. Динамика массы соцветий побега пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) в культурной плантации, 2014…2015 гг.(ориг.).

Точность прогноза массы соцветий для растений второго года жизни составила 94,98%, а для третьего погрешность прогноза была 24,42%, что не превышало рекомендованный для биологических моделей предел (15,00...25,00 %) [10] (см. табл. 3). Следовательно, модель пригодна для применения сельскохозяйственным предприятием в технологии производства лекарственного сырья пижмы обыкновенной.

Динамика отмершей массы побега. Отмирание надземной массы растений начиналось от фазы пятого листа. В эту фазу засыхали нижние листья. В дальнейшем процесс распространялся на средние и верхние листья, которые отмирали после цветения и формирования плодов. Поэтому количество отмершей фитомассы к концу вегетации возрастало (рис. 7). При рассеивании плодов процесс отмирания распространялся и на стебель, причем нижняя часть стебля на высоте 1,50…2,00 см от поверхности почвы не отмирала, а весной из спящих почек отрастали новые побеги.

Рис. 7. Динамика отмершей фитомассы побега пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) в культурной плантации, 2014…2015 гг. (ориг.)

Прогноз динамики отмершей фитомассы (Md) рассчитывается как разница между прогнозируемыми значениями Мо и Mn.

 (12)

Для генеративного побега растений второго года жизни прогноз совпадал с эмпирическими данными на 80,66%, а третьего -- на 97,81% (см. табл. 3).

Прогноз Md может применяться в качестве одного из входных параметров приведенной в монографии [10] модели расчета баланса гумуса в почве.

Урожайность плантации. Прогноз урожайности плантации пижмы обыкновенной рассчитывается по вышеуказанным моделям. Для пересчета продуктивности побега в урожайность плантации требуется дополнительный параметр: количество побегов на единице площади, который получают подсчетом количества побегов на 1 м2 плантации в нескольких повторениях с последующим усреднением результатов. Поскольку побег пижмы, сформировавшийся на стадии весеннего отрастания, достигает стадии цветения, прогноз урожайности плантации можно рассчитать уже за 2...3 месяца до начала сбора лекарственного сырья.

Список использованных источников

1. Семенихин И.Д., Семенихин В.И. Лекарственные растения, возделываемые в России, т. II. - М.: ОАО «Щербинская типография». - 2015.

2. Атлас ареалов и ресурсов лекарственных растений СССР. Под ред. П.С. Чиков, Л.Н. Зайко, А.И. Шретер. - М.: Фабрика № 2 ГУГК. - 1983. - 340 с.

3. Бородий П.С., Виноградова В.С., Бородий С.А. Фитоценотическое обоснование закладки поливидовых плантаций лекарственных растений на основе пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgaris L.) / Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: сборник статей 65-й международной научно-практической конференции. Т. 1. - Караваево: Костромская ГСХА. - 2014. - С. 9-12.

4. Лукашевич Н.П. и др. Фармакогнозия: учебно-методическое пособие для студентов по специальности «Ветеринарная фармация». - Витебск: ВГАВМ. - 2011.

5. Ламан Н.А. и др. Методическое руководство по исследованию смешанных агрофитоценозов. - Мн.: Навука I тэхнiка. - 1996.

6. Бородий С.А. Методика сбора информации и настройки модели управления продукционным процессом сельскохозяйственных культур. - Кострома: КГСХА. - 1998. - 26 с.

7. Бородий С.А., Бородий П.С. Прогноз фенологических стадий развития пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) в дикорастущих ценопопуляциях: Труды Костромской государственной сельскохозяйственной академии. Выпуск 86. - Кострома: КГСХА. - 2017. - С. 5-11.

8. Грязнов М.Ю. Изучение биологических особенностей пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L. ) в Нечерноземной зоне России. // дис. ... канд. биол. наук. - М. - 2006. - 138 с. - http://earthpapers.net/preview/162878/d#?page=1

9. Бородий С.А., Бородий П.С. Математическая модель морфометрических параметров генеративного побега пижмы обыкновенной (Tanacetum Vulgare l.) для прогноза урожайности культурных плантаций, заложенных однолетними клонами // АгроЭкоИнфо. - 2018, №2. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/2/st_213.doc.

10. Образцов А.С. Системный метод: применение в земледелии. - М.: Агропромиздат. - 1990. - 303 с.

Размещено на Allbest.ru