Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Летом 2018 года были проведены эксперименты по изучению влияния метеопараметров и загрязнений воздуха на динамику роста ширины учетных листьев березы повислой (Betula pendula). Вначале было выбрано направление преобладающих ветров для выбора локальной зоны на боковой поверхности кроны. Из этой зоны у 10 деревьев березы без срезания были измерены за вегетационный период по 10 учетных листьев. Отдельно было изучено влияние координат расположения осей ствола деревьев, а также расстояния до локальных зон от края автомобильной дороги и от поверхности почвы. Кроме того, были сравнены ширина листьев с тремя видами загрязнения на улицах. Было замечено, что высокая адекватность моделей динамики роста и развития ширины листьев позволяет рассматривать их по отдельности. Тогда каждый учетный лист на планете может стать индикатором.

Глобальное число деревьев на планете составляет примерно 3,04 триллиона [1].

Россия является лидером: в Сибири, на Дальнем Востоке и других местах растет 640 миллиардов деревьев. Далее по 300 миллиардов деревьев имеют Канада и Бразилия. Самыми зелеными уголками планеты, помимо России, являются Скандинавия, Северная Америка и тропики. В северных широтах деревья растут плотно, занимая меньшую площадь [2].

Человечество использует ископаемые виды топлива, к середине XXI в. значения CО2 будут одинаковы с ранним эоценом (50 млн лет назад). Если концентрация CО2 продолжит расти до XXIII в., Земля будет реагировать как за 1,5 миллиарда лет [3].

Эти знания повышают шансы на разработку моделей для описания лесной системы в изменяющихся климатических условиях [4]. Можно утверждать, что будущее сдерживания количества СО2 находится, прежде всего, в увеличении площади лесов [5].

Динамику метеопараметров можно описать множеством асимметричных вейвлетов вплоть до ошибки измерений. Аналогично хорошо квантуется содержание СО2 в атмосфере. По вейвлетам универсальной конструкции изменяется динамика углерода в Европе [6].

В экологических технологиях с использованием листьев березы повислой [7] постепенно приходит понимание о необходимости моделирования взаимных связей между параметрами структуры листьев растений методом идентификации [8].

Онтогенез – индивидуальное развитие организма от вегетативного зачатка до природной смерти. Благодаря активной деятельности меристем и фотосинтетической активности листьев зеленое растение приобретает ряд черт, которые характеризуют его рост [9, 10].

Если на каждом хвойном или лиственном дереве находится примерно 105 листьев, то в мире за год будет находиться около 3•1017 листьев. Каждый из них имеет свою жизнь.

Цель статьи: повышение точности индикации качества окружающей среды; каждый лист одной березы микросреды в динамике около максимума ширины по патенту 2606189 на высоте 1,5–2,0 м со стороны преобладающих ветров с 15 июля по 23 сентября 2018 г. у всех 10 учетных листьев около автомобильной дороги на ул. Эшкинина г. Йошкар-Ола.

Материалы и методы исследования

Колебания записываются волновой формулой [8] вида

,

,

, (1)

где у – показатель (зависимый фактор), i – номер составляющей (1), m – количество членов в (1), x – объясняющая переменная (влияющий фактор), a1...a8 – параметры модели (1) в CurveExpert-1.40, Ai – амплитуда (половина) на оси у, pi – полупериод колебания (ось x).

Из 10 учетных берез в г. Йошкар-Ола самым сложным по колебательной адаптации оказалось дерево № 3, произрастающее на ул. Эшкинина (рис. 1, рис. 2).

Рис. 1. Береза на ул. Эшкинина

Рис. 2. Карта-схема расположения учетной березы № 3

Из графиков на рис. 3 видно, что в среднем все 100 листьев имеют коэффициент корреляции 0,9133, а береза № 3 на ул. Эшкинина меньше – 0,8136. При этом наименьший из 10 берез максимум средней ширины был достигнут уже через 92 суток и равен 39,77 мм.

Для всех 100 учетных листьев было получено уравнение биотехнического закона:

(2)

а для 10 учетных листьев березы № 3 на улице Эшкинина –

(3)

Первый параметр получает очень высокое значение 1,00469•107 и образуется так называемый странный аттрактор поведения. Нужно отодвинуть начало измерений, например опыты начать с 01.07. Тогда появится определенность в поведении слабых в росте листьев.

В табл. 1 приведены средние ширины для 10 учетных листьев.

Всего получились 18 строк. Первая точка 01 мая в 2018 г. – начало вегетационного периода, поэтому ставим 0. Из данных таблицы видно, что каждый учетный лист имеет свой характер роста, поэтому можно считать индивидуальный рост зависящим от микросреды со своими параметрами. Тогда каждый лист березы повислой имеет свою картину динамики.

100 учетных листьев от всех 10 берез 10 учетных листьев березы № 3 на ул. Эшкинина

Рис. 3. Графики динамики ширины учетных листьев березы повислой

Таблица 1

Динамика ширины 10 учетных листьев березы повислой на ул. Эшкинина

Примечание. Полужирным шрифтом показаны максимальные значения ширины учетного листа.

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 2 приведены параметры модели (1) с 10 составляющими для средней ширины листа, первый из которых является трендом в виде биотехнического закона [9]. Цикличность колебания на 01.05.2018 г. в виде полупериода a5i в начале вегетационного периода, для 10 учетных листьев в среднем, изменяется от 2,70 до 13,15 суток.

На рис. 4 приведены графики трех первых формул по данным табл. 2.

Первое колебание началось рано, и листья березы испытывали сильное возмущение, которое затем успокоилось с увеличением полупериода колебания.

Таблица 2

Динамика (1) средней ширины у 10 учетных листьев березы на ул. Эшкинина

Тренд по биотехническому закону Первое колебание

Второе колебание Биотехнический закон и два колебания

Рис. 4. Графики динамики средней ширины группы из 10 учетных листьев березы повислой

Второе колебание показывает сильный тремор после максимума через 92 сутки после 0.1.05.2018 у средней ширины 10 учетных листьев.

Остальные волны колебательного возмущения показаны на рис. 5.

Причина ранней остановки роста заключается в седьмом члене. Здесь амплитуда колебания резко нарастает по показательному закону. В итоге система из множества листьев березы повислой на ул. Эшкинина как бы «идет в разнос». Таким образом, все растения через свои вегетационные органы имеют механизмы колебательной адаптации к окружающей среде не только всего дерева, но и, как будет показано далее, и по отдельным учетным листьям.

В табл. 3 даны параметры моделей динамики каждого из 10 листьев по табл. 1.

Из-за раннего торможения роста дата 15.07 оказалась запоздалой для учетных листьев № 3 и № 1. Лист № 5 получил медленный рост, а лист № 8 до достижения максимума ширины получил только одну минимальную точку. Поэтому нужно для ослабленных деревьев, имеющих плохие классы санитарного состояния, начинать измерения с 10.07 или даже с 01.07. Тогда все учетные листья, даже с худшими физиологическими состояниями, получают возможность идентификации закономерностей по измеренным данным. Коэффициент корреляции у остальных шести листьев выше 0,99. Это доказывает возможность моделирования индивидуально динамики роста каждого учетного листа, что повышает возможности фитоиндикации.

На рис. 6 показаны графики поведения в динамике роста каждого учетного листа.

Второй учетный лист получил сильное колебательное возмущение уже со старта вегетации 01.05.2018 Четвертый лист получил ранние рост и развитие. Поэтому сравнение показывает, что каждый учетный лист, из-за изменчивости микросреды вокруг каждого вегетационного органа, имеет собственную картину поведения. Поэтому нужно использовать приборы, измеряющие метеопараметры и физиологические показатели от каждого учетного листа.

Таблица 3

Модели (1) динамики ширины каждого учетного листа березы повислой

Второй учетный лист Четвертый учетный лист

Шестой учетный лист Седьмой учетный лист

Девятый учетный лист Десятый учетный лист

Рис. 6. Графики динамики ширины учетных листьев березы повислой

Заключение

По патенту 2606189 на изобретение сбоку на высоте 1,5–2,0 м со стороны преобладающих ветров по динамике с 15 июля по 23 сентября 2018 г. измерялась ширина 10 учетных листьев у ослабленной березы около автомобильной дороги на ул. Эшкинина г. Йошкар-Ола. Доказано, что для таких деревьев начало измерений нужно сдвинуть до 01–10.07.

На каждый учетный лист время вегетации около максимума влияет с коэффициентом корреляции более 0.99, поэтому можно измерять параметр микросреды даже вокруг каждого учетного листа. Вегетационные органы имеют механизмы колебательной адаптации к окружающей среде не только всего дерева, но и по отдельным учетным листьям.

Способность учетных листьев березы повислой давать отклик с высокой точностью на изменения микросреды вокруг каждого из них расширяет возможности косвенного биотестирования, причем без сопоставления с трудоемкими химическими загрязнениями.