Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Охрана и защита, обустройство, индикация и тести-рование природной среды. Сборник статей студентов, аспирантов и преподавателей: Научно-учебное издание

Мазуркин П. М.,

ДИНАМИКА МАССЫ ПРОБЫ ЛУГОВОЙ ТРАВЫ ПРИ СУШКЕ (С.И. Михайлова)

Влияние гидрометрических параметров русла и прирусловой поймы малой реки была доказана закономерностями динамики сушки проб травы, взятых на прирусловом пойменном лугу [1-5].

В процессе естественной сушки срезанной надземной части травы происходят, по крайней мере, два процесса: во-первых, обезвоживание еще не мертвых клеточных структур от действия тепла атмосферного воздуха; во-вторых, удержание влаги омертвляющимися клетками до испарения свободной влаги. В простейшем случае масса пробы изменяется по двухчленной формуле, а с учетом колебательных возмущений клеточных пространств у листьев срезанной травы проявляется четырехчленная формула динамики массы пробы.

Простая модель подробно была обоснована поисковыми экспериментами и является частным случаем сложной. Поэтому четырехчленная формула была принята за основу анализа результатов основных экспериментов по 18 пробам на трех створах, расположенных вдоль течения реки Ировка по схеме на рисунке 1.

Створ № 1. Этот створ реки Ировка отличается отсутствием гидротехнических и иных сооружений, а также относительно малым антропогенным влиянием на травяной покров. Пробные площадки № 1, 2 и 3 на левой стороне реки Ировка относятся к сенокосным угодьям, а пробы № 4, 5 и 6 - к неиспользуемому за 18-20 лет пастбищу.

 Рис. 1. Первый створ реки Ировка с пробными площадками № 1 - 6

Система координат HL (рис. 4.4) имеет начало на первой пробе.

Проба № 1. Динамика массы пробы № 1 (рис. 2) в ходе естественной сушки срезанной пробы травы до готового сена на пробной площадке характеризуется уравнением вида

,                 (1)

, ,

, ,

, ,

, .

Здесь имеются следующие условные обозначения:

 - масса пробы травы в динамике естественной сушки, г/м²,

 - масса сухого сена или травы воздушно-сухого состояния, г/м²,

 - масса воды в пробе травы в динамике её высыхания, г/м²,

 - колебательное возмущение клеток срезанной травы, г/м²,

 - колебательная отдача свободной воды клетками травы, г/м²,

t - время естественной сушки с момента срезания пробы травы, ч,

 = 656,388 - масса исходной влаги в травяной пробе, г/м²,

A₁ - амплитуда (половина) возмущения клеток пробы травы, г/м²,

A₂ - амплитуда (половина) возмущения клеток, пытающихся реанимировать круговорот влаги и получать минеральные вещества, г/м²,

p₁ - период (половина) возмущения на потерю влаги, ч,

p₂ - период (половина) возмущения на спад обмена веществ, ч.

Уравнение (1) показывает, что для пробы № 1 из сырой травы массой 248,20 + 656,39 - 25,35 = 879,24 (фактически 880 г/м²) через 454,5 часов (табл. П3.2) свободная вода испаряется полностью и после этого времени остаются только первая и третья составляющие уравнения (1).

Изменение  показывает, что кризисное состояние, когда вода отнимается из клеток быстрее, через 5,0 часов после первого измерения, переходит в так называемый адаптационный режим влагоудерживания. И такой режим экономного расходования имеющейся в клетках влаги продолжается до (46,5 + 58,5) / 2 ≈ 52,5 часа.

Остатки на рисунка 2 показывают возможность появления и пятой волновой составляющей, однако эти остатки ε становятся меньше погрешности измерений ±5 г на бытовых весах. Процесс моделирования идентификацией и наращиванием формулы (1) прекращается.

Влияние динамичной массы  продолжается вплоть до 1991,5 часов. Однако сено из травы пробы № 1 можно считать готовым уже через 454,5 часов (454,5 / 24 = 18,9≈ 19 суток) естественной сушки. Это утверждение исходит из того, что график плавно переходит в колебание влажности сена из-за влияния температуры и влажности окружающего воздуха.

а)

б)

Рис. 2. Графики динамики массы проб срезанной травы на створе 1 и площадке № 1:

а - экспериментальные точки и график уравнения (4.6); б - остатки от модели (4.6)

На рисунке 3 приведены графики, построенные по (1). Из расчетов было видно, что максимальная относительная погрешность равна , а доверительная вероятность (1) не ниже 98,54 %. У всех 18 проб оказались такие высокие уровни доверия.

В первые 500 ч естественной сушки в пробе травы происходит резкое колебание динамичной массы  (рис. 4). Таким образом, из графиков видно, что динамичная составляющая  быстро угасает в пределах до 200 часов сушки, а менее динамичная составляющая  продолжается достаточно продолжительное время более 500 часов.

Из четырех составляющих по всем 18 конкретным моделям типа (1) получены критерии для эколого-ландшафтной оценки луга:

1) рациональное время  сушки срезанной травы до сена, ч;

Рис. 3. Графики динамики составляющих модели (1) массы травы на площадке № 1

Рис. 4. Графики волновых составляющих модели (1) массы травы пробы № 1

2) оптимальное время  сушки сена (определяется по нулевым значениям у первой и четвертой составляющих модели), ч;

3) максимальное время  сушки травы на открытом воздухе, ч;

4) воздушно-сухая масса пробы травы  или сена, г/м²;

5) минимальная масса пробы  при сушке до минимума, г/м²;

6) максимальная масса травы  после среза (расчетная максимальная масса при условии t=0 у всех четырех составляющих, г/м²;

7) начальная масса  пробы травы (время срезания должно быть минимальным, т.к. проба высыхает по мере срезания), г/м²;

8) коэффициент динамичности  высохшей травы от влажности атмосферного воздуха, отношение третьей составляющей к первой;

9) коэффициент динамичности  при высыхании пробы травы, то есть колебательной отдачи влаги клетками травы по мере естественной сушки (определяется отношением четвертой составляющей ко второй);

10) общий коэффициент динамичности k поведения пробы как отношение третьей и четвертой к сумме первой и второй составляющих;

11) волновой коэффициент  динамичности высыхания и увлажнения (сумма третьей и четвертой составляющих к первой);

12) влажность пробы, %: а)  в статике (вторая часть к первой); б)  в динамике (сумма второй, третьей и четвертой частей к первой.

В таблице 1 приведены данные по динамике естественной сушки первой пробы на створе I исследуемого участка малой реки Ировка. Характерные значения выделены полужирным шрифтом.

Таблица 1

Динамика естественной сушки травяной пробы с площадки № 1, г

Дата	Время опыта	Время сушки t, час	Масса пробы mф	Расчетные значения по формуле (4.1)			Составляющие статистической модели (4.1)
				m	ε	Δ,%	m1	m2	m3	m4
23.07 23.07 23.07 24.07 24.07 25.07 25.07 26.07 27.07 29.07 03.08 06.08 11.08 18.08 27.08 10.09 14.10	9.30 14.30 20.00 08.00 19.00 08.00 20.00 09.00 08.30 09.00 09.30 07.30 07.30 10.00 10.00 12.00 08.30	0.0 5.0 10.5 22.5 33.5 46.5 58.5 71.5 95.0 143.5 264.0 334.0 454.5 625.0 841.0 1179.0 1991.5	880 820 740 660 550 450 390 355 300 265 240 245 250 250 250 250 250	879.24 820.35 741.83 658.39 552.17 446.36 392.18 352.83 300.40 268.87 242.66 244.57 250.79 248.56 248.06 248.28 248.18	0.76 -0.35 -1.83 1.61 -2.17 3.64 -2.18 2.17 -0.40 -3.87 -2.66 1.43 -0.79 1.44 1.94 1.72 1.82	0.09 -0.04 -0.25 0.24 -0.39 0.81 -0.56 0.61 -0.13 -1.46 -1.11 0.58 -0.32 0.58 0.78 0.69 0.73	248.20 248.20 248.20 248.20 248.20 248.20 248.20 248.20 248.20 248.20 248.20 248.20 248.20 248.20 248.20 248.20 248.20	656.39 575.67 500.41 370.37 281.96 204.76 152.66 111.22 62.92 19.59 1.11 0.21 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00	-25.35 11.37 4.72 20.69 16.52 8.45 -9.47 -5.46 -5.43 2.22 -6.69 -3.85 2.58 0.36 -0.14 0.09 -0.02	0.00 -4.89 -1.50 19.14 5.50 -5.04 0.79 8.88 -5.30 -1.14 0.04 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Из таблицы 1 получаем значения критериев:

а) по времени сушки ,  и , ч;

б) по массе пробы срезанной травы и её видовых компонентов ,  и , , г/м²;

в) по динамике влажности (табл. 4.3) у пробы срезанной надземной части травы , , %;

г) по динамичности (табл. 2 обезвоживания пробы травы или же влагоудерживания клетками срезанных растений , ,  и .

Таблица 2

Показатели динамики естественной сушки травяной пробы с площадки № 1, г

Время сушки t, час	Масса mф	Влажность пробы травы, %				Коэффициент динамичности
		Wt				k
0.0	880	264,46	254,25	264,46	254,25	-0,0280	-0,1021	-0,1021	0,0000
5.0	820	231,94	230,52			-0,0043	-0,0142	0,0458	-0,0259
10.5	740	201,62	198,89			-0,0091	-0,0273	0,0190	-0,0230
22.5	660	149,22	165,27			0,0644	0,1605	0,0834	0,0517
33.5	550	113,60	122,47			0,0415	0,0887	0,0665	0,0195
46.5	450	82,50	79,84			-0,0146	-0,0266	0,0340	-0,0735
58.5	390	61,51	58,01			-0,0217	-0,0350	-0,0381	0,0052
71.5	355	44,81	42,16			-0,0183	-0,0265	-0,0623	0,0798
95.0	300	25,35	21,03			-0,0345	-0,0432	-0,0219	-0,0842
143.5	265	7,89	8,33			0,0040	0,0043	0,0090	-0,0583
264.0	240	0,45	-2,23			-0,0267	-0,0268	-0,0270	0,0383
334.0	245	0,09	-1,46			-0,0155	-0,0155	-0,0155	0,0379
454.5	250	0,01	1,04			0,0104	0,0104	0,0104	0,0202
625.0	250	0,00	0,15			0,0015	0,0015	0,0015	-0,0034
841.0	250	0,00	-0,06			-0,0006	-0,0006	-0,0006	-0,0025
1179.0	250	0,00	0,03			0,0003	0,0003	0,0003	-0,0001
1991.5	250	0,00	-0,01			-0,0001	-0,0001	-0,0001	0,0000

Уже через пять часов по данным таблицы 2 высыхание происходит на 100× (880-820) / 240 = 2,5 %. А через час по показателю k_c срезанная трава уже пытается противостоять процессу высыхания и даже несколько увеличивает свою влажность, по-видимому, за счет атмосферного воздуха.

При этом водный режим между клетками срезанных растений достигает максимума кризиса только через 95 часов естественной сушки.

Литература

1. Михайлова, С.И. Динамика массы проб травы по створам малой реки Ировка / С.И. Михайлова // Сб. статей по итогам НИР. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2008. - С.165-169.
2. Михайлова, С.И. Испытания травяного покрова по динамике фитомассы проб / С.И. Михайлова, П.М. Мазуркин // Там же. - 2009. - № 4. - С.38-46.
3. Михайлова, С.И. Мониторинг реки по длине и падению притоков / С.И. Михайлова, П.М. Мазуркин, А.А. Иванов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2009. № 4. - С.46-51.
4. Мазуркин, П.М. Измерение продуктивности травяного покрова пойменного луга / П.М. Мазуркин, С.И. Михайлова // Современные наукоемкие технологии: материалы заочной электронной конференции. - 2008. -№7. -С.91-92.
5. Пат. 2384048 Российская Федерация, МПК A 01 G 23 / 00 (2006.01). Способ испытания травяного покрова на пойме малой реки / Мазуркин П.М., Михайлова С.И. (РФ); заявитель и патентообладатель Марийск. гос. тех. ун-т. - №2008140572/12; заявл. 13.10.2008; опубл. 20.03.2010.