Математическая модель прогноза урожайности лекарственного сырья чистотела большого (Chelidonium majus L.)

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Костромская государственная сельскохозяйственная академия

Математическая модель прогноза урожайности лекарственного сырья чистотела большого (Chelidonium majus L.)

УДК 633.8

Бородий С.А.

Аннотация

Предмет исследования -- дикорастущая ценопопуляция чистотела большого (Chelidonium majus L.). Цель исследований -- разработать математическую модель сезонного прогноза фитометрических параметров генеративного побега чистотела большого в дикорастущих ценопопуляциях для Костромской области. Исследования проводили в период 1995…2018 гг. (ареал распространения чистотела большого по территории Костромской области) и 2014…2015 гг. (сбор полевой информации, разработка модели прогноза). Установлено, что чистотел большой встречается на всей территории Костромской области как рудерально-сегетальный вид. Уборку надземной массы этого растения целесообразно проводить, когда первые плоды находятся в стадии начала созревания -- начала рассеивания семян, календарные сроки которых прогнозируются с точностью 99,77%. Прогнозы динамики фитометрических параметров стебля совпадали с эмпирическими данными на: 98,6…98,8 % (высота побега); 95,2…98,0 % (надземная общая фитомасса); 93,0…93,7 % (масса листьев); 94,5…97,8 % (масса стебля); 80,8…91,0 % (масса генеративных органов), что обеспечивает возможность применения модели в производственных условиях для прогноза урожайности дикорастущих ценопопуляций. Прогноз массы семян был менее точен (69,8…87,6 %), поэтому может применяться только для приблизительного расчета.

Ключевые слова: ЧИСТОТЕЛ БОЛЬШОЙ, CHELIDONIUM MAJUS L., ДИНАМИКА ПРОДУКТИВНОСТИ ПОБЕГА, ПРОГНОЗ УРОЖАЙНОСТИ, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

генеративный побег надземная масса чистотел

Введение

Надземную массу чистотела большого применяют в официальной и народной медицине как спазмолитическое, желчегонное, противовоспалительное и ранозаживляющее средство. Препараты чистотела эффективны для лечения папилломатоза, начальных стадий красной волчанки, задерживают рост злокачественных опухолей. В ветеринарной медицине свежей, смешанной с солью травой лечат тимпанию овец [1]. Настой свежей травы можно применять для защиты растений от вредителей и болезней [2], поскольку это растение обладает фунгистатическим и инсектицидным действием.

Запасы сырья чистотела значительно превышают его потребность. В СССР заготовительными конторами объединения «Союзлекраспром» ежегодно заготовлялось более 25 тыс. т дикорастущего сырья, часть которого экспортировалась. В настоящее время объемы сократились в десятки раз [2], несмотря на то, что потребность остается высокой. В связи с увеличением количества сельскохозяйственных предприятий, входящих в ассоциацию биологического земледелия, когда применение химических средств защиты растений запрещается, объемы заготовки травы чистотела будут возрастать.

Технология выращивания чистотела в культуре разработана [2], но основной объем сырья пока получают из дикорастущих ценопопуляций. Для планирования периода заготовительных работ и ожидаемой урожайности эксплуатационных участков требуется расчет сезонного прогноза динамики фенологических стадий развития растений и урожайности сырья стандартной влажности минимум за месяц до начала заготовки. В настоящее время такой прогноз для чистотела большого отсутствует. Таким образом, целью исследований ставилось разработать математическую модель сезонного прогноза фитометрических параметров генеративного побега чистотела большого в дикорастущих ценопопуляциях для Костромской области.

Исследования проводили в период 1995…2018 гг. (ареал распространения чистотела большого по территории Костромской области) и 2014…2015 гг. (сбор полевой информации, разработка модели прогноза). Ареал распространения изучали путем маршрутного обследования. Места произрастания отмечали на карте точками. Изучение основных фитометрических параметров растения (высота побега, масса листьев стандартной (13%) влажности) проводили на участке антропогенно преобразованной территории в окрестностях д. Апраксино Костромского района Костромской области. Наблюдения и учеты выполняли с интервалом 7 суток от весеннего отрастания побегов до начала рассеивания семян из сформировавшихся первыми плодов, поскольку в более поздние стадии развития нижние листья желтеют и отмирают, что снижает качество сырья. Выборка для учета включала 10 побегов, срезанных в случайном порядке на уровне почвы в четырехкратной повторности с последующим измерением высоты. Для изучения динамики массы фитоорганы отделяли от побега, высушивали до влажности 13% и взвешивали. Параметром времени в прогностической модели служила суммарная энтальпия воздуха, которую рассчитывали и прогнозировали на весенне-летний период текущего года по оригинальной методике [3]. Статистическая обработка результатов исследований и разработка модели прогноза выполнены с использованием табличного процессора Excel.

Результаты исследований

Географическое распространение. По опубликованным данным [1, 2], чистотел большой как евроазиатский вид широко распространен в европейской части России, на Кавказе, в Сибири (кроме Арктической зоны), на Дальнем Востоке. Экологические условия благоприятны в населенных пунктах, по окраинам полей, кустарникам, лесосекам, вдоль канав и др. на легко- и среднесуглинистых почвах с высоким содержанием гумуса.

Результаты обследования части территории Костромской области совпадают с данными публикаций, то есть и здесь вид относится к группе рудерально-сегетальных (рис. 1). Следовательно, присутствие чистотела большого в фитоценозах может служить индикатором присутствия антропогенного фактора на определенной территории.

Рис. 1. Географическое распространение дикорастущих ценопопуляций чистотела большого (Chelidonium majus L.) в Костромской области, 1995…2018 гг. (ориг.)

Фенологические стадии развития. Биологической особенностью чистотела большого является продолжительное по времени развитие. Стадия бутонизации как начало генеративного периода идентифицируется хорошо, но после начала формирования первых плодов последующие стадии наблюдаются практически одновременно, поскольку стебель с листьями и цветоносами продолжает рост из пазухи верхнего листа (рис. 2).

Рис. 2. Генеративный побег чистотела большого (Chelidonium majus L.) с генеративными органами различных стадий развития (11.07.2015) (ориг.)

По нашим наблюдениям цветение и плодоношение продолжаются до конца августа -- начала сентября, но после массового цветения (конец мая -- начало июня) в срезанной зеленой массе будут встречаться отмершие листья, что потребует дополнительных затрат на последующую ручную сортировку лекарственного сырья.

Следовательно, уборку надземной массы чистотела целесообразно проводить, когда первые плоды находятся в стадии начала созревания -- начала рассеивания семян. Для планирования календарного срока уборки мы рекомендуем применять прогноз суммарной энтальпии воздуха [3], для которого требуется знать теплоемкость стадий развития. Наблюдениями за динамикой развития генеративного побега чистотела в дикорастущей ценопопуляции было установлено значение теплоемкости фенологических стадий с высоким совпадением по годам (99,77%) (табл. 1).

Таблица 1. Теплоемкость фенологических стадий развития чистотела большого (Chelidonium majus L.) в дикорастущей ценопопуляции

Рассчитанными значениями теплоемкости можно руководствоваться для прогноза календарных сроков стадий развития растений и, следовательно, планирования сроков заготовки лекарственного сырья чистотела.

Динамика высоты побега. Отрастание побегов дикорастущей ценопопуляции чистотела как многолетнего растения начиналось вскоре после схода снега, что наблюдалось в начале мая. В дальнейшем рост продолжался даже после стадии рассеивания семян из сформировавшихся первыми плодов, что объясняется формированием стебля с цветоносами из пазух верхних листьев. Таким образом, интенсивный рост продолжался до третьей декады июня (рис. 3).

Динамика высоты побега (h_р) подчинялась линейной зависимости, поэтому для прогноза была разработана следующая модель:

(180,0?Ср ? 1900,0 КДж/кг)(1)

,

где: h'_р -- корректирующий коэффициент; hf_р -- эмпирическая высота побега на дату учёта, см; Cpf -- эмпирическая суммарная энтальпия воздуха от даты весеннего возобновления вегетации до даты учета высоты побега, КДж/кг; Cp -- прогнозируемая суммарная энтальпия воздуха, Кдж/кг.

Рис. 3. Динамика высоты побега чистотела большого (Chelidonium majus L.) в дикорастущей ценопопуляции (ориг.)

Ретроспективный расчет высоты побега показал высокое совпадение с эмпирическими данными: 98,8% в 2014 г. и 98,6% в 2015 г., что позволяет рекомендовать модель для прогноза высоты травостоя чистотела (табл. 2).

Таблица 2. Верификация модели прогноза высоты побега чистотела большого (Chelidonium majus L.) в дикорастущей ценопопуляции

Динамика надземной общей фитомассы побега. Стабильное увеличение фиотомассы побега наблюдалось до начала рассеивания семян, далее процесс имел тенденцию к замедлению и снижению, что особенно заметно в 2014 году (рис. 4).

Рис. 4. Динамика надземной общей фитомассы побега чистотела большого (Chelidonium majus L.) в дикорастущей ценопопуляции (ориг.)

Нестабильность динамики после стадии начала рассеивания семян объясняется отмиранием и опадением нижних листьев и созревших семян из коробочек. Известно, что лекарственным сырьем является вся зеленая надземная фитомасса, причем в стадию массового цветения созревшие семена нижних коробочек используются как посевной материал для закладки культурных плантаций [2]. Следовательно, для прогноза количества заготовляемой фитомассы диапазон работы модели можно ограничить стадией созревания -- начала рассеивания семян, которая в годы исследования наблюдалась в июне.

Для дикорастущих ценопопуляций разработана модель на базе системы уравнений:

(180,0 ? Cp ? 630,0 КДж/кг),

(180,1 ? Cp ? 1900,0 КДж/кг),(2)

где Mo -- общая надземная фитомасса побега, г.

Прогноз Mо в зависимости от Cp рассчитывается по модели:

(3)

,

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

Корреляционный анализ показал хорошее совпадение эмпирических и прогнозируемых значений (табл. 3), что позволяет рекомендовать модель (3) для прогноза динамики общей надземной фитомассы побега.

Таблица 3. Верификация модели прогноза массы (13% влажность) побега чистотела большого (Chelidonium majus L.) в дикорастущей ценопопуляции

Примечание: Э* -- эмпирические значения, П* -- значения, рассчитанные по модели (прогноз); ** -- нет данных.

Надземную общую фитомассу составляют листья, стебель, генеративные органы (цветки и створки коробочек) и семена. Доля этих фитоорганов в общей массе изменяется во времени, поэтому для прогноза массы отдельно взятого фитооргана применяется коэффициент, рассчитанный как отношение массы этого фитооргана к надземной общей массе побега. Произведение прогнозируемых значений надземной общей фитомассы побега (Mo) на прогнозируемый коэффициент фитооргана (Kl, Ks, Kg, Kgs) соответствует прогнозируемой массе фитооргана:

(4)

Динамика массы листьев побега. Масса листьев возрастала до стадии созревания семян. При этом лист, в пазухе которого располагается соцветие, постепенно отмирает, что вызывает снижение массы листьев по мере старения побега чистотела (рис. 5).

Соответственно, изменяется и значение коэффициента листьев (Kl), динамика которого с точностью 79,63…97,38 % (табл. 4) аппроксимирована следующей системой уравнений:

(180,0?Cp?600,0 КДж/кг)

(600,1?Cp?800,0 КДж/кг)(5)

(800,1?Cp?1900,0 КДж/кг)

Рис. 5. Динамика массы листьев побега чистотела большого (Chelidonium majus L.) в дикорастущей ценопопуляции (ориг.)

Таблица 4. Верификация модели прогноза коэффициентов фитоорганов побега чистотела большого (Chelidonium majus L.) в дикорастущей ценопопуляции

Верификация модели в 2014 году показала точность прогноза 93,03%, а в 2015 г. -- 93,67% в (см. табл. 3), что обеспечивает возможность прогнозировать динамику массы листьев побега в условиях производства.

Динамика массы стебля побега. Масса стебля до стадии бутонизации центрального побега возрастала менее интенсивно, чем в более поздние фенологические стадии развития, а в начале рассеивания семян имела тенденцию к снижению вследствие отмирания цветоносов, несущих плоды с созревшими семенами (рис. 6).

Рис. 6. Динамика массы стебля побега чистотела большого (Chelidonium majus L.) в дикорастущей ценопопуляции (ориг.)

Для прогноза динамики коэффициента стебля (Ks) разработана система уравнений, описывающих процесс с точностью 95,17…97,16 % (см. табл. 4):

(180,0?Cp?390,0 КДж/кг)

(390,1?Cp?630,0 КДж/кг)(6)

(630,1?Cp?900,0 КДж/кг)

(900,1?Cp?1900,0 КДж/кг)

Прогноз массы стебля соответствовал эмпирическим данным на 94,45…97,76 %, в зависимости от года исследования (см. табл. 3). Следовательно, модель можно рекомендовать для применения в производственных условиях.

Динамика массы генеративных органов побега. Масса генеративных побегов складывается из массы цветков и плодов на стадии начала формирования семян. На более поздних стадиях учитывали только створки коробочки без семян, что объясняет выход линии динамики на плато (рис. 7).

Рис. 7. Динамика массы генеративных органов (цветки, коробочки) побега чистотела большого (Chelidonium majus L.) в дикорастущей ценопопуляции (ориг.)

Для прогноза динамики массы генеративных органов предварительно рассчитывается их коэффициент (Kg) по уравнению, работающему с точностью 75,19…91,92 %, в зависимости от года исследования (см. табл. 4):

(390,0?Cp?1900,0 КДж/кг)(7)

Проверка модели прогноза массы генеративных органов показала достаточно точное совпадение расчетных и эмпирических данных -- 80,79…91,03 % (см. табл. 3).

Динамика массы семян. Закладку культурных плантаций чистотела большого рекомендуется производить посевом семян [2]. При этом авторы отмечают, что семена являются побочным продуктом производства лекарственного сырья, поскольку продолжительный период плодоношения позволяет получить достаточное количество семян для посева в процессе сушки зеленой массы до стандартной влажности.

1. 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.

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

3. 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.

Цитирование:

Бородий С.А. Математическая модель прогноза урожайности лекарственного сырья чистотела большого (Chelidonium majus L.) // АгроЭкоИнфо. - 2019, №4. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2019/4/st_409.doc.

Размещено на Allbest.ru