Имитационно-динамическая модель прогноза урожайности лекарственного сырья крапивы двудомной (Urtica dioica L.)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Имитационно-динамическая модель прогноза урожайности лекарственного сырья крапивы двудомной (Urtica dioica L.)

Предмет исследования -- дикорастущая ценопопуляция крапивы двудомной (Urtica dioica L.). Цель исследований -- разработать математическую модель прогноза динамики урожайности дикорастущих ценопопуляций крапивы двудомной для условий Костромской области. Исследования проводили в период 1995…2018 гг. (ареал распространения крапивы двудомной по территории Костромской области) и 2015…2018 гг. (сбор полевой информации, разработка модели прогноза). Ареал распространения изучали путем маршрутного обследования. Изучение основных фитометрических параметров растения (высота побега, масса листьев стандартной (13%) влажности) проводили на участке селитебной территории землепользования ФГБОУ ВО Костромской ГСХА. Установлено, что крапива двудомная встречается на всей территории Костромской области. Дикорастущие заросли, имеющие промышленное значение, располагались в местах, где ранее складировались навоз и другие органические удобрения, заброшенных огородах на территории бывших населенных пунктов, вдоль берегов рек и по опушкам леса. Динамика высоты генеративного побега для растений старше первого года жизни прогнозировалась с точностью 85,2…99,2 процентов, массы листьев стандартной влажности -- 87,6…96,5 процентов, что обеспечивает возможность применения моделей в планировании календарных сроков и объемов сбора лекарственного сырья.

Крапива двудомная -- лекарственное растение, листья которого применяются в научной медицине для профилактики и лечения многих заболеваний, поскольку обладают поливитаминным, мочегонным, слабым слабительным, отхаркивающим, противосудорожным, противовоспалительным, антисептическим, обезболивающим, «кровоочистительным», кровоостанавливающим и ранозаживляющим действием. Крапива усиливает деятельность пищеварительных желез и выделение молока у кормящих женщин, увеличивает процент гемоглобина и количество эритроцитов в крови [1].

Растение имеет пищевое и кормовое значение [2], что значительно расширяет сферу применения крапивы и увеличивает потребность в производстве продукции, что станет возможным при промышленном выращивании ее в культуре. Однако в Нечерноземной зоне культивирование этого растения связано с большими финансовыми затратами, поскольку для получения высоких урожаев требуются почвы с высоким содержанием гумуса и элементов минерального питания, особенно азота. Плодородие дерново-подзолистых почв пахотных земель Нечерноземной зоны, как правило, среднее и ниже среднего.

Судя по ареалу распространения растения по территории России [2], заросли крапивы отсутствуют только в северных регионах, поэтому ресурсы сырья в дикорастущих ценопопуляциях не ограничены и обеспечивают промышленный сбор. Тем не менее, для организации работ по заготовке планируемых объемов лекарственного сырья желательно иметь прогноз урожайности конкретного производственного участка. Для крапивы двудомной методика заблаговременного прогноза отсутствует, а объем продукции на участке оценивается по фактическому сбору или биологической урожайности перед началом заготовки. Кроме того, рекомендуемый срок сбора листьев продолжителен по времени (июнь-август), что затрудняет планирование графика передвижения отрядов сборщиков, особенно, если сбор проводится в разных природно-климатических регионах.

В связи с вышеизложенным, целью исследования ставилась разработка математической модели прогноза динамики урожайности дикорастущих ценопопуляций крапивы двудомной для условий Костромской области.

Исследования проводили в период 1995…2018 гг. (ареал распространения крапивы двудомной по территории Костромской области) и 2015…2018 гг. (сбор полевой информации, разработка модели прогноза). Ареал распространения изучали путем маршрутного обследования. Места произрастания крапивы отмечали на карте точками. Изучение основных фитометрических параметров растения (высота побега, масса листьев стандартной (13%) влажности) проводили на участке селитебной территории землепользования ФГБОУ ВО Костромская ГСХА. Наблюдения и учеты выполняли с интервалом 7…10 суток от весеннего отрастания побегов до цветения, поскольку предварительные наблюдения показали, что после цветения высота побега практически не изменяется, а масса сырья снижается в результате отмирания нижних листьев. Выборка для учета включала 10 побегов, срезанных в случайном порядке на уровне почвы в четырехкратной повторности с последующим измерением высоты. Для изучения динамики массы листья высушивали до влажности 13% и взвешивали. В качестве параметра времени в прогностической модели применяли суммарную энтальпию воздуха, которую рассчитывали и прогнозировали на весенне-летне-осенний период текущего года по разработанной нами ранее модели, реализованной в компьютерной программе [3]. Статистическая обработка результатов исследований и разработка модели прогноза выполнена с использованием табличного процессора Excel.

Результаты исследований

Географическое распространение. Костромская область входит в ареал распространения крапивы двудомной по территории Евразии [2]. Нашими исследованиями установлено наличие отдельных куртин и зарослей, имеющих промышленное значение, практически по всей территории, что подтверждает данные П.И. Белозёрова [4] (рис. 1). Растение относится к группе рудерально-сегетальных, поэтому чаще встречается на селитебной территории (у строений, по обочинам дорог, пустырям, свалкам мусора), где сбор лекарственного сырья запрещается. Однако дикорастущие заросли присутствовали и в местах, где сбор сырья возможен даже в промышленных масштабах: это - пахотные земли и участки у молочно-товарных ферм, где ранее складировались навоз и другие органические удобрения, заброшенные огороды на территории бывших населенных пунктов, вдоль берегов рек и по опушкам леса. Для прогноза урожайности такого типа зарослей и планировалось разработать модель.

Рис. 1. Географическое распространение крапивы двудомной (Urtica dioica L.)

по территории Костромской области, 1995…2018 гг. (ориг.)

Динамика высоты побега. Для заготовки лекарственного сырья в дикорастущих ценопопуляциях этот показатель не обязателен, поскольку машинно-тракторные агрегаты здесь не применяются. Модель прогноза динамики высоты целесообразно использовать в культурных плантациях для планирования сроков проведения технологических операций, связанных с проходом техники по полю (во избежание повреждения побегов), и настройки высоты расположения очесывающей жатки комбайна.

Отрастание побегов крапивы начиналось вскоре после схода снега, что наблюдалось во второй-третьей декаде апреля (рис. 2). Высота растений увеличивалась до стадии цветения (начало-середина июля), позднее рост замедлялся и полностью прекращался в конце цветения.

Для прогноза динамики высоты побега от конца апреля до конца сентября разработана модель:

 (для Ср от 100,0 до 5600,0 КДж/кг)

,

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

Рис. 2. Динамика высоты побега крапивы двудомной (Urtica dioica L.) (ориг.)

Ретроспективная верификация показала точность работы модели на уровне 85,2…99,2 процентов, что позволяет рекомендовать ее для прогноза динамики высоты побега в культурных плантациях (табл. 1).

Таблица 1. Верификация модели прогноза высоты побега и массы листьев крапивы двудомной (Urtica dioica L.)

Динамика массы листьев побега возрастала до стадии цветения, а в более поздние фенологические стадии не увеличивалась и даже имела склонность к снижению, поскольку отмирали нижние листья в результате старения (рис. 3).

Рис. 3. Динамика массы листьев (влажность 13%) побега крапивы двудомной (Urtica dioica L.) (ориг.)

Предыдущими исследованиями установлено, что на одном побеге насчитывается в среднем 20 листьев, один побег формирует массу сырых листьев от 7,3 до 23,6 г, а из 100 кг свежих листьев получается 22…30,0 кг сухих [2]. По нашим данным, дикорастущие моновидовые заросли крапивы формируют 34,4 побега на 1 м², продуктивность -- 1,26…1,36 г/побег листьев стандартной влажности. Если ориентироваться на эти данные, стоимость валовой продукции культурной плантации при цене реализации 500 руб./кг (розничная цена фасованной продукции в аптеках около 1000 руб./кг) составит 215000…240000 руб./га (табл. 2).

Таблица 2. Расчет экономической эффективности производства лекарственного сырья крапивы двудомной (Urtica dioica L.) в культурной плантации

Прогноз динамики массы листьев рассчитывается по системе уравнений:

,

где: -- корректирующий коэффициент, г/побег; -- эмпирическая масса листьев на календарную дату учёта, г/побег; Cp -- прогнозируемая суммарная энтальпия воздуха от даты учета до конца вегетации (100,0?Cp?2900,0), КДж/кг; Cpf -- эмпирическая суммарная энтальпия воздуха от даты весеннего возобновления вегетации до даты учета массы листьев побега, КДж/кг.

Корреляция эмпирических и расчетных значений массы листьев от стадии отрастания до цветения показала точность от 87,6 до 96,5 процентов, в зависимости от года исследования (см. табл. 1). Следовательно, модель можно применять для прогноза продуктивности побега, а при умножении на количество побегов получаем прогноз урожайности лекарственного сырья с единицы площади зарослей крапивы двудомной.

Заключение

В результате исследований разработаны имитационно-динамические модели для прогноза высоты побега и массы листьев крапивы двудомной за 2…3 месяца до начала сбора лекарственного сырья, работающие с точностью не менее 85,0…95 процентов, что обусловливает возможность применения моделей в планировании календарных сроков и объемов сбора лекарственного сырья.

Список использованных источников

урожайность крапива дикорастущий

1. Махлаюк В.П. Лекарственные растения в народной медицине. - Саратов: Приволж. кн. изд-во. - 1993. - 544с., ил.

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 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.

4. Белозёров П.И. Флора Костромской области: монография / отв. ред. В.В. Шутов, Г.Ю. Макеева. -- Кострома: Изд-во КГТУ. - 2008. - 197 с.

Размещено на Allbest.ru