Математическая модель морфометрических параметров генеративного побега пижмы обыкновенной (Tanacetum Vulgare l.) для прогноза урожайности культурных плантаций, заложенных однолетними клонами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Математическая модель морфометрических параметров генеративного побега пижмы обыкновенной (Tanacetum Vulgare l.) для прогноза урожайности культурных плантаций, заложенных однолетними клонами

Бородий С.А.,

Бородий П.С.

Костромская государственная сельскохозяйственная академия

Аннотация

Предмет исследования - культурная плантация пижмы обыкновенной. Цель исследований - разработать математическую модель прогноза урожайности культурных плантаций пижмы обыкновенной, заложенных посадкой однолетних клонов. Исследования проводились в 2013…2015 гг. на опытном поле ФГБОУ ВО Костромская ГСХА. Почва дерново-подзолистая среднесуглинистая, содержание гумуса 1,85%, Р 2О 5 - 135,33, К 2О - 107,17 мг/кг почвы, рНсол 5,41. Клоны взяты из однолетних побегов куртин дикорастущей ценопопуляци весной 2013 г. Клоны высаживались с междурядиями 70 см и расстоянием между растениями 30 см. Уход за плантацией включал междурядные обработки на глубину 2…3 см. Установлено, что погрешность прогноза календарного срока начала сбора соцветий растений второго и третьего года жизни не превышала двух суток. Динамика высоты генеративного побега для растений второго года жизни прогнозировалась с точностью 91,43%, для третьего - 91,49% Математические модели прогноза динамики роста фитоорганов работали с точностью: надземная общая фитомасса - 79,39...99,84 %; надземная активная фитомасса - 75,03... 99,39 %; масса листьев - 60,31... 99,88 %; масса стебля - 63,96... 97,12 %; масса соцветий - 67,40...83,92 %, отмершая фитомасса - 45,45... 99,29 %. 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

Введение

Соцветия пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) применяются в официальной медицине [1], но сбор их обычно производится в дикорастущих ценопопуляциях, чаще всего произрастающих на антропогенно нарушенных территориях. В результате большая вероятность загрязнения сырья различными поллютантами [2], что обусловливает необходимость выращивания пижмы в культуре. В промышленном производстве и последующей реализации продукции необходимы заблаговременное планирование календарных сроков проведения технологических операций для управления ростовыми процессами, уборки и прогноз урожайности. Для пижмы обыкновенной, выращиваемой в культуре, прогностические модели роста и развития отсутствуют. математический пижма прогноз

В связи с вышеизложенным, цель исследования: разработка математической модели прогноза урожайности культурных плантаций пижмы обыкновенной, посаженных однолетними клонами.

Исследования проводились в 2013…2015 гг. на опытном поле ФГБОУ ВО Костромская ГСХА. Закладка вариантов полевого опыта произведена в 2013 году посадкой однолетними клонами 21 мая, что обеспечило в 2014 и 2015 гг. возможность наблюдения за растениями второго и третьего года жизни. Размер делянки - 2,10 х 2,10 м. Учетная площадь делянки - 4,41 м 2. Повторность четырехкратная. Почва дерново-подзолистая среднесуглинистая, содержание гумуса 1,85%, подвижного фосфора 135,33, обменного калия - 107,17 мг/кг почвы, рНсол 5,41. Клоны были взяты весной 2013 года от растений дикорастущей ценопопуляции. Способ посадки широкорядный с междурядьями 70 см, расстояние между растениями 30 см. Уход за посевами заключался в междурядных обработках почвы на глубину 2…3 см.

Учет фенологических стадий развития растений проводился с интервалом 2 суток. Кодирование стадий выполнено с использованием стобалльной шкалы (Код ВВСН) [3]. Учеты фитометрических параметров генеративного побега (высота, надземная общая и активная фитомасса, массы листьев, стебля, генеративных органов) проводились с интервалом 7 суток от весеннего отрастания до осеннего прекращения вегетации. 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 [4]. Расчет и прогноз суммарной энтальпии воздуха проведен по методике, изложенной в [5]. Статистическая обработка результатов исследований выполнена с использованием табличного процессора Excel 2003.

Верификацию точности работы рассчитанных моделей проводили в 2015 году по результатам эмпирических учетов в стадии вегетативного (шестой лист), начала генеративного (появление первых отдельных соцветий) и генеративного (полное цветение) роста и развития.

Результаты исследований

Фенологические стадии развития. В первый год посадки (2013 г.) однолетние клоны проходили адаптационный период после пересадки, что вызвало задержку цветения на 2 суток по сравнению с аналогичными побегами дикорастущей ценопопуляции, и затем цветение продолжалось до начала третьей декады октября, на 66 суток превышая период цветения дикорастущих растений (рис. 1).

Рис. 1. Продолжительность цветения пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.), 2013 г. (ориг.)

Наряду с задержкой развития, стебли высаженных клонов сформировали большое количество дополнительных ветвей по всем высотным ярусам [6]. Кроме того, в стадии середины цветения соцветий нижнего яруса боковых ветвей центрального стебля (начало сентября 2013 г.) началось формирование из корневищ дополнительных побегов, которые достигли стадии середины цветения во второй декаде сентября. Цветение дополнительных побегов продолжалось до начала третьей декады октября, причём отдельные корзинки были повреждены заморозками в стадии бутонизации или начала раскрытия соцветий. Это свидетельствует о биологически более длительном, чем позволяют климатические условия средней полосы России, периоде вегетации пижмы.

Сравнение теплоёмкости стадий развития пижмы дикорастущей ценопопуляции и плантации старше одного года показало в целом одинаковые результаты, особенно в наиболее важную для заготовки лекарственного сырья стадию - цветение (табл. 1). Таким образом, рассчитанными значениями теплоемкости можно руководствоваться в производстве лекарственного сырья пижмы для прогноза календарных сроков стадий развития растений года сбора урожая.

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

Примечание: * - нет данных.

Динамика высоты побега. Прогноз динамики высоты растений второго года жизни при закладке плантации клонами описывается моделью:

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

,

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

Прогноз высоты побега, рассчитанный по модели (1), показал высокое совпадение с эмпирически данными: для растений второго года жизни - 91,43%, для третьего - 91,49% (табл. 2).

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

Динамика надземной общей фитомассы побега. До стадии цветения наблюдалось увеличение надземной общей фитомассы побега, поскольку преобладали ростовые процессы. В дальнейшем происходило отмирание и усыхание листьев, начиная от нижнего яруса. По достижении стадии созревания семян началось постепенное отмирание стебля верхнего яруса, распространявшееся к нижним ярусам побега. Снижению массы способствовало и рассеивание созревших семян.

Для культурной плантации второго и последующих лет жизни, заложенной однолетними клонами, разработана модель на базе системы уравнений (2).

(для Cp от 265,00 до 1808,00 КДж/кг),

(для Cp от 1808,01 до 3363,00 КДж/кг), (2)

(для Cp от 3363,01 до 4880 КДж/кг),

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 масса на дату учёта, г/побег;, f(Cp)-- 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) производству для прогноза динамики общей надземной фитомассы генеративного побега.

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

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

Из побочной продукции пижмы (листьев, стеблей) можно делать экстракты и применять их в защите растений от вредителей и болезней, поскольку это растение обладает инсектицидными и фунгицидными свойствами [7, 8]. Следовательно, целесообразно делать прогноз динамики не только общей фитомассы, но и массы каждого органа побега. Кроме того, практическая значимость модели заключается в прогнозе урожайности соцветий по эмпирически полученной фитомассе на ранних стадиях весеннего отрастания побега, когда соцветия еще не сформировались. По результатам наших исследований на полевых культурах обнаружена зависимость доли массы листьев, стеблей, соцветий и других фитоорганов в общей массе побега, то есть коэффициент массы фитооргана [9]. У пижмы обнаружена аналогичная зависимость. Для коэффициентов, являющихся варьирующей по времени величиной, рассчитаны уравнения, позволяющие с достаточно высокой точностью вычислять массу фитооргана пижмы для любого промежутка времени.

Динамика надземной активной фитомассы побега. Динамика коэффициента надземной активной фитомассы (Kdn) описывается следующими уравнениями с точностью 94,13% (R2 = 0,9413)

(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 показала точность работы в 2014 году 75,03%, в 2015 году - 99,39% (см. табл. 3), что позволяет рекомендовать модель (4) и (5) для прогноза надземной активной фитомассы и последующего прогноза массы отдельных фитоорганов побега.

Динамика массы листьев побега. Динамика коэффициента листьев (Kdl) с точностью 97,80% аппроксимирована для культурных плантаций старше одного года логарифмической функцией.

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

Для расчета массы листьев (Ml) масса надземных активных фитоорганов (Mn) умножается на коэффициент Kdl.

(7)

Верификация модели в 2014 году показала точность прогноза 60,31%, а в 2015 г. - 99,88% в (см. табл. 3), что обеспечивает возможность прогнозировать динамику массы листьев побега в условиях производства.

Динамика массы стебля побега. Динамика коэффициента стебля (Kds) аппроксимирована логарифмической функцией с точностью 96,41%:

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

Для прогноза массы стебля надземная активная фитомасса умножается на коэффициент стебля:

(9)

Прогноз массы стебля совпадал с эмпирически полученными данными на 63,96% в 2014 г. и на 97,12% в 2015 г. (см. табл. 3). Следовательно, модель можно рекомендовать для применения в производственных условиях.

Динамика массы соцветий побега. Масса соцветий побега достигала максимума на стадиях цветение - формирование плодов. В дальнейшем, при полном созревании, плоды рассеивались, и масса соцветий снижалась в случайном порядке, что несколько понижало точность прогноза на весь вегетационный период.

Коэффициент массы соцветий (Kdg) с точностью 98,25% рассчитывался по системе 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)

Точность прогноза массы соцветий для растений второго года жизни была на уровне 83,92%, а для третьего - отклонение от прогноза на 7,6% превышало рекомендованный для биологических моделей предел (15,00...25,00 %) [10] и составило 32,60%, но тем не менее обеспечивало достаточно точный прогноз массы соцветий побега для применения модели в производственных условиях (см. табл. 3).

Динамика отмершей массы побега. Надземная отмершая фитомасса (листья, стебли, обертки соцветий) не используется в качестве лекарственного сырья, но, при необходимости, может применяться для расчета баланса гумуса в почве. Обычно часть отмерших листьев опадает в период между учетами, что несколько снижает точность прогноза. Тем не менее для наиболее полного описания ростовых процессов мы рассчитали прогноз динамики отмершей фитомассы (Md) как разницу между прогнозируемыми значениями Мо и Mn.

(12)

В результате установлено удовлетворительное совпадение расчётных и эмпирических данных. Для генеративного побега растений второго года жизни оно было 45,45%, а третьего - 99,29% (см. табл. 3).

Урожайность плантации. Предлагаемые модели описывают динамику массы единичного побега и его фитоорганов. Прогноз урожайности рассчитывается как произведение прогноза массы на количество генеративных побегов на единице площади. Практически каждый побег пижмы, сформировавшийся на стадии весеннего отрастания, зацветает, что позволяет рассчитать прогноз урожайности плантации 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. Лукашевич Н.П. и др. Фармакогнозия: учебно-методическое пособие для студентов по специальности "Ветеринарная фармация". - Витебск: ВГАВМ. - 2011.

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

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

5. 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.

6. Бородий С.А., Бородий П.С. Изменение морфологических особенностей и динамики цветения побега пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) при введении в культуру / Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе: сборник статей 67-й международной научно-практической конференции. Т. 1. - Караваево: Костромская ГСХА. - 2016. - С. 14-19.

7. Климова Е.В. Растительные препараты и репеллентные растения для защиты плодоовощных и декоративных культур от вредителей и болезней: (краткий справочник). // Экологическая безопасность в АПК. Реферативный журнал. - 1999, № 2. - С. 448.

8. Климова Е.В. Результаты испытаний растительных и микробиологических препаратов на томатах в Приамурье [борьба с грибными болезнями в условиях Хабаровского края] // Экологическая безопасность в АПК. Реферативный журнал. - 2002, № 4. - С. 986.

9. Бородий С.А. Теоретическое обоснование комплексной имитационно-мониторинговой модели продукционного процесса растений в агроэкосистемах: диссертация... доктора сельскохозяйственных наук: 06.01.09. - Кострома: изд. КГСХА. - 2000. - 364 с.

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

Цитирование

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.

Размещено на Allbest.ru