Содержание к диссертации
Введение
1. CLASS Состояние вопроса CLASS 8
1.1. Устойчивость и продуктивность лесов 9
1.2. Засуха и ее влияние на растение 10
1.3. Засухоустойчивость растений 13
1.4. Диагностика засухоустойчивости и продуктивности древесных растений 15
1.4.1. Прямые и косвенные методы диагностики 15
1.4.2. Биофизические методы диагностики 22
1.5. Исследования оптических свойств растений 27
2. Программа, объекты, методы и объем исследований 35
2.1. Программа 35
2.2. Объекты исследования 36
2.3. Методы, оборудование и объем исследования 40
3. Разработка методики и аппаратуры для диагностики засухоустойчивости и продуктивности растений 45
3.1. Оптические свойства растений 45
3.1.1. Энергетический баланс листа 45
3.1.2. Оптические свойства листьев растений 48
3.1.3. Условия опыта и их влияние на оптические коэффициенты.. 50
3.2. Моделирование и основные свойства объекта исследования 57
3.3. Разработка методики диагностики засухоустойчивости и продуктивности древесных растений 73
3.3.1. Исходные положения и данные для разработки методики 73
3.3.2. Методика диагностики засухоустойчивости и продуктивности растений 77
3.4. Аппаратура для измерения коэффициента проходящего сквозь лист растения инфракрасного излучения 79
3.4.1. Структурная схема устройства для измерения коэффициента ПИКИ 80
3.4.2. Метрологическая оценка разработанного устройства 84
4. Оценка информативности разработанной методики 93
4.1. Анализ коэффициента ПИКИ в связи с метамерной изменчивостью листьев 93
4.2. Анализ коэффициента ПИКИ в связи с сезонной изменчи-востью листьев 95
4.3. Связь между коэффициентом ПИКИ и признаками листьев растений 96
4.3.1. Влияние толщины листовой пластинки на коэффициент ПИКИ 98
4.3.2. Влияние поверхностной массы листовой пластинки на коэффициент ПИКИ 101
4.3.3. Влияние содержания воды в тканях листьев на коэффициент ПИКИ 105
4.3.4. Влияние содержания хлорофилла в тканях листа на коэффициент ПИКИ 106
4.3.5. Оптическая характеристика ксероморфности листа 108
4.4. Испытание разработанной методики ПО
4.5. Применение методики диагностики засухоустойчивости и продуктивности деревьев в практике лесного хозяйства 115
Выводы и рекомендации 119
Литература 122
Приложения 142
- Прямые и косвенные методы диагностики
- Моделирование и основные свойства объекта исследования
- Метрологическая оценка разработанного устройства
- Влияние толщины листовой пластинки на коэффициент ПИКИ
Введение к работе
Актуальность работы. Повышение устойчивости и продуктивности лесов является одной из основных задач развития лесного хозяйства. Вопросы повышения продуктивности и устойчивости древостоев не являются новыми. Они привлекали и привлекают к себе внимание лесоводов с момента зарождения лесной науки до наших дней. Предложены различные методы решения этой задачи с использованием агротехнических приемов, рубок ухода, внесения удобрений, подбора видов древесных растений и т.п. Несколько десятилетий назад, вопрос повышения продуктивности и устойчивости древостоев стал рассматриваться с генетической точки зрения.
Важную роль в достижении этих целей могут сыграть селекционно-генетические методы улучшения видов растений на основе отбора лучших представителей. Из-за биологических особенностей древесных растений прямые методы отбора селекционного материала требуют долговременных, трудоемких и дорогостоящих исследований. Требуются современные методы диагностики устойчивости и продуктивности древесных растений на ранних этапах онтогенеза, обладающие высокой достоверностью, обоснованностью выводов, экспрессностью и сопровождающиеся приборным обеспечением.
Цель и задачи исследования. Целью работы являлась разработка методики диагностики засухоустойчивости и продуктивности древесных растений с приборным обеспечением на основе изучения закономерностей изменения оптических свойств листьев.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
Проанализировать связь устойчивости и продуктивности растений с особенностями строения их листьев;
Исследовать зависимость оптических свойств листьев растений от их строения;
Разработать методику диагностики засухоустойчивости и продуктивности лиственных древесных растений на основе
коэффициента проходящего сквозь их листья инфракрасного излучения.
Разработать устройство для замера коэффициента проходящего сквозь листья растений инфракрасного излучения.
Экспериментально доказать возможность вероятностного прогноза устойчивости и продуктивности растений на основе коэффициента проходящего инфракрасного излучения (ПИКИ) листьев.
Разработать практические рекомендации по ранней диагностике устойчивости и продуктивности древесных растений на основе оптических свойств их листьев.
Научная новизна работы. Разработан новый способ диагностики засухоустойчивости и продуктивности лиственных древесных растений на основе коэффициента проходящего сквозь их листья инфракрасного излучения. Разработана структурная схема устройства для замера коэффициента ПИКИ.
Практическое значение работы. Разработана методика диагностики устойчивости и продуктивности растений на ранних этапах онтогенеза. Разработаны и внедрены опытные экземпляры устройств для измерения коэффициента ПИКИ. Произведен отбор перспективных по засухоустойчивости и продуктивности полусибсов на лесосеменной плантации (ЛСП) в Чувашской Республике. Даны рекомендации по отбору потомства плюсовых деревьев для создания ЛСП II порядка.
Обоснованность и достоверность результатов исследования обеспечиваются воспроизводимостью научных результатов, доверительным сроком наблюдений и достаточным объемом экспериментального материала, математической обработкой данных. Результаты опытов воспроизводятся при повторном исследовании в разные годы и хорошо коррелируют с данными, полученными при анализе засухоустойчивости тех же растений по методике М.М. Котова (1988, 1995). Все научные результаты получены на основе анализа большого фактического материала (более 50000 образцов). Экспериментальные
данные обработаны методами математической статистики, с оценкой критериев достоверности.
Положения, выдвигаемые для защиты.
Методика диагностики засухоустойчивости и продуктивности лиственных древесных растений на основе измерения коэффициента проходящего сквозь листья растений инфракрасного излучения (ПИКИ).
Структура устройства для измерения коэффициента ПИКИ.
Диагностика устойчивости семенного потомства дуба черешчатого на ЛСП.
Внедрение результатов работы. Результаты проведенных исследований внедрены Марийским государственным техническим университетом при выполнении гранта Минобразования РФ №58 «Диагностика устойчивости лесообразующих пород к абиотическим факторам при формировании антропогенных лесов» и чтении лекционного курса «Селекция растений» на специальности 260400 - Лесное и лесопарковое хозяйство; Государственным Управлением природных ресурсов и охраны окружающей среды по Чувашской Республике при отборе полусибсов на ЛСП дуба черешчатого в Сорминском лесничестве Опытного лесхоза.
Личный вклад. Автором изучена литература, сформулированы цели и задачи, составлена программа работы, разработаны методика диагностики засухоустойчивости и продуктивности лиственных древесных растений и её приборное сопровождение; собраны, обработаны и проанализированы экспериментальные данные, сформулированы выводы и рекомендации; подготовлены к печати статьи и тезисы докладов.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на Международной конференции «Новые технологии и устойчивое управление в лесах Северной Европы» (Петрозаводск, 2001), Международной конференции молодых ученых «Леса Евразии в третьем тысячелетии» (Москва, 2001), IV Международной конференции «Плодоводство, семеноводство, интродукция
древесных растений» (Красноярск, 2001), IV Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, 2001), Международной научной конференции «Ботанические сады: состояние и перспективы сохранения, изучения, использования биологического разнообразия растительного мира» (Минск, 2002), научных конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов, сотрудников МарГТУ (Йошкар-Ола, 2000, 2001, 2002).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах. Из них 1 положительное решение о выдаче патента РФ, 5 - материалы и труды международных научных конференций, 2 - депонированные труды научных конференций МарГТУ, 3 - тезисы докладов на международных научных конференциях.
Объем и структура диссертации. Диссертация включает введение, 4 главы, выводы и рекомендации, список литературы. Диссертация изложена на 153 страницах машинописного текста, в том числе 20 таблиц, 18 рисунков, 6 приложений. Список литературы включает 206 названий, из них 15 на иностранных языках.
Благодарность. Неоценимую помощь в работе над технической стороной диссертационной работы оказал кандидат технических наук, доцент Борис Федорович Лаврентьев, приношу ему огромную благодарность.
Прямые и косвенные методы диагностики
Возможность диагностировать засухоустойчивость растений давно привлекала внимание исследователей. Наиболее надежные результаты, несомненно, дают прямые методы оценки засухоустойчивости, к которым относятся полевой метод и испытание в засушнике. Полевой метод может быть с успехом применен для исследования в засушливой зоне, к которой относится зона недостаточного увлажнения (лесостепь, степь и полупустыня). Согласно этому методу растения подвергаются естественной засухе, задача же исследователя заключается в наблюдении за растениями и оценке их реакции. Полевое испытание необходимо производить в течение ряда лет. Так, например, в условиях Заволжья один год из трех является засушливым, а в лесостепной зоне Западной Сибири - один год из десяти лет (Коловский, 1980).
Так как засуха наблюдается далеко не каждый год даже в зонах с недостаточным увлажнением, возникла настоятельная необходимость создания «засушника», позволяющего ежегодно иметь почвенную засуху при сохранении нормальных для растений полевых условий. Иными словами, создать условия, при которых корневая система в засушнике развивалась бы в почве совершенно нормально. Сухое поле или засушник был предложен Л.С. Литвиновым (1933).
Метод засушника был использован в ряде исследований, однако из-за громоздкости и малой пропускной способности он не получил широкого распространения. Наиболее часто применяется метод завядания, предложенный И.И. Тумановым (1940), который практически является видоизменением ранее существовавшего и широко применявшегося метода культуры растения в вегетационном сосуде при недостаточном поливе.
Но в этом методе нивелируется роль корневой системы, так как имеется разница в распределении корней в почве в полевых условиях и вегетационных сосудах. В то же время значение корневой системы в вопросах засухоустойчивости имеет весьма существенное значение (Генкель, 1982 и др.).
Несколько подробнее следует остановиться на методе Л.С. Литвинова (1933), основой которого служит положение, что чем больше воды содержит данный сорт, тем он засухоустойчивее. Однако автор не уточнил, в каких условиях следует определять содержание воды. В содержании воды он видел результат действия многих слагаемых (мощность корневой системы, водоудерживающая способность и т. д.). Действительно, П.А. Генкель (1982) наблюдал, что в условиях засухи устойчивые растения всегда содержат большее количество воды, чем контрольные, но, следовательно, исследования возможны только в период засухи, или при ее искусственном воспроизведении, что является существенным недостатком метода.
Г.Н.Еремеев (1960, 1965) предлагает диагностировать засухоустойчивость плодовых деревьев методом завядания срезанных ветвей. Он установил тесную связь между повышенной водоудерживающей способностью и засухоустойчивостью. В настоящее время доказана положительная корреляция степени стойкости листьев к завяданию со степенью засухоустойчивости всего растения. Доказан и физиологический параллелизм у соответственно расположенных одновозрастных листьев разных побегов как в пределах одного растения, так и на других особях того же экотипа, соответствие стойкости к завяданию листьев, находящихся на растении и изолированных от него (Еремеев, 1976). Широкие возможности в этом направлении открываются в связи с развитием методов диагностики водного режима растений (их влажности, водоудерживающей способности и т.д.) (Сулейманов, 1969; Котов, 1982, 1988).
Отмечено, что для засухоустойчивых растений характерно более благоприятное соотношение между свободной и связанной водой (Васильева, 1955; Кенесарина, 1960; Баславская и др., 1964).
Исходя из работ Н.А.Максимова и его сотрудников (1952), можно считать, что диагностировать засухоустойчивость следует по физико-химическим и биохимическим свойствам протоплазмы. Если эти особенности и не исчерпывают всех свойств растения, связанных с засухоустойчивостью, то, во всяком случае, входят в комплекс основных свойств, составляющих засухоустойчивость.
О способности растения выносить обезвоживание и перегрев можно судить, используя прямые аналитические и прямые лабораторные методы.
Для прямого лабораторного определения способности растительных тканей выносить обезвоживание используют эксикаторный метод (вырезанные из листа кусочки кладут в эксикатор над серной кислотой, через 2-3 часа делают срез и подсчитывают число живых клеток).
По данным М.Д. Кушниренко (1960, 1975, 1979), белковые вещества стромы хлоропластов оказывают влияние на состояние воды и тем самым способствуют стабилизации их водного режима и нормальному течению фотосинтеза, поэтому возможна диагностика на их основе.
Преимущества прямых методов несомненны, однако в познании явлений засухоустойчивости косвенные методы сыграли значительную роль, и на них следует остановиться при рассмотрении вопросов проблемы водного режима и устойчивости растений.
В нашей стране пионером в разработке методов косвенной оценки засухоустойчивости считают В.В. Колкунова (цит. по Генкелю, 1982), который отмечал корреляцию между ксероморфным строением растения и его засухоустойчивостью. На морфолого-анатомической корреляции строились и многие другие методы оценки засухоустойчивости растений. Разработка косвенных методов оценки степени засухоустойчивости получила очень широкое распространение в 30-х и 40-х годах XX века. Эти методы должны были заменить весьма громоздкий полевой метод наблюдения, требующий длительных исследований.
Большое значение для развития проблемы засухоустойчивости имеет разработка косвенных критериев диагностики засухоустойчивости растений, т. е. обнаружения таких морфологических, анатомических и физиологических признаков, которые коррелировали бы с высокой засухоустойчивостью растений. Однако для диагностики необходимо, чтобы эти признаки имели прямые причинные связи с засухоустойчивостью.
Одной из основных причин стремления найти косвенные методы оценки засухоустойчивости является долгий срок проведения и громоздкость прямых методов. Для скорейшего получения положительных результатов необходимо разработать метод ранней диагностики древесных растений.
Несмотря на давнюю историю изучения этой проблемы, в настоящее время не существует общепринятого толкования понятия «ранняя диагностика» (Мичурин, 1948; Бербанк, 1955; Орленко, 1971; Шеверножук, 1997 и др.). Часто этим термином обозначают возможность определения свойств взрослого растения по начальным этапам развития. Р.Г. Шеверножук (1997) отмечает, что вряд ли такое определение может быть признано корректным, так как, хорошо известно, что в разных условиях среды один и тот же генотип формирует различные фенотипы. Поэтому более приемлемой может быть постановка задачи раннего выявления у молодых растений задатков, потенциальных возможностей развития отдельных признаков и свойств, отражающих их генетические особенности, что позволит предсказать с определенной вероятностью уровень развития этих признаков у взрослых растений в определенных условиях среды.
Вопрос о возрастной изменчивости растений был поднят и разработан главным образом советскими учеными (Бельская, 1949). И.В. Мичурин (1939, 1948) в своих работах многократно указывал на необходимость проводить оценку в различные периоды развития растений, учитывая изменчивость органов растения по мере их развития, а также на возможность отбора растений в раннем возрасте. В работе «Отбор гибридных сеянцев» И.В. Мичурин (1939) отмечает, что признаки в однолетнем возрасте гибридных сеянцев в большинстве случаев находятся лишь в зачаточном, иногда в едва заметном состоянии, и лишь в последующие годы роста сеянцев они постепенно развиваются до полной величины.
Большой вклад в науку сделал Н.П. Кренке (1928, 1935, 1940), автор теории возрастной цикличности. В своих работах по раннему прогнозу Н.П. Кренке продолжил начатые И.В. Мичуриным исследования. Он разработал метод количественного учета изменчивости морфологических признаков и показал на ряде примеров значение учета возрастного состояния растений при отборе сеянцев. На основании изучения роста и развития растений в определенных условиях выращивания по морфологическим, физиологическим, биохимическим и другим признакам можно установить возрастное состояние и предусмотреть дальнейшее развитие растения.
Моделирование и основные свойства объекта исследования
Необходимым этапом любого исследования является построение модели изучаемого явления. Сущность моделирования заключается в переходе от непосредственного изучения исходного явления или процесса к другому явлению или процессу, именуемому моделью. Основная цель такого перехода -облегчить исследование, сделать доступным определение интересующих величин, искусственно воспроизвести исследуемое явление, получить теоретические оценки статистических погрешностей измерения. Основа для выбора и построения модели - эксперименты с реальным объектом или гипотетическое представление о реальном объекте. В пределах настоящего исследования моделирование имеет целью выявить основные свойства объекта, на основе анализа модели объекта определить степень влияния различных свойств объекта на значения измеряемых параметров, осуществить более глубокий анализ интересующих нас явлений и т.д.
Выявленные в результате моделирования закономерности являются основными для разработки методики измерения исследуемых параметров.
Объект исследования, под которым понимается дерево и его листья, описан во 2-ой главе.
Согласно биологическим данным (Заленский, 1904; Александров, 1926 и др.) степень засухоустойчивости зависит от анатомо-морфологической структуры листьев растений. Большей засухоустойчивости соответствуют: сильноразвитая механическая ткань, слаборазвитые межклетники, многослойная палисадная паренхима, толстая кутикула, большая толщина листа. Повышение перечисленных особенностей обеспечивает увеличение плотности (р) и толщины (d) листовой пластинки. Таким образом, степень засухоустойчивости (Z) является функцией толщины и плотности листа:
Под оптическими свойствами листьев растений понимают, прежде всего, их поглощающую, отражательную и пропускательную способности, выражаемые в частях или процентах от интенсивности падающей радиации, обозначаемые как коэффициенты поглощения (А), отражения (R) и пропускания (Т).
Количественной мерой излучения является лучистая энергия или энергия излучения. Энергия излучения - это энергия электромагнитных колебаний, распространяющихся в вакууме или среде с определенной скоростью. Для описания волновых свойств излучения достаточно располагать частотой v или длинной волны X, которые связаны между собой скоростью распространения электромагнитных колебаний с в вакууме соотношением (Иванов, 1988):
Обладая волновой природой, лучистая энергия излучается и поглощается веществом в виде дискретных порций-фотонов или квантов.
Количество энергии, излучаемой в пространство источником за единицу времени, называется потоком излучения или лучистым потоком.
Под отражением мы понимаем возвращение излучения поверхностью раздела двух сред с различными показателями преломления без изменения частоты его монохроматических составляющих. Коэффициент отражения представляет собой отношение потока излучения отраженного данным телом IR к потоку излучения, упавшего на него 10 (Иванов, 1988), т.е.
Поглощение - это ослабление излучения при прохождении через среду в результате взаимодействия его со средой. Коэффициентом поглощения является отношение потока излучения, поглощенного данным телом Ід к потоку излучения, упавшего на него 10 (Иванов, 1988), т.е.
А = х\00% (3.6) Пропусканием называется проходящее излучение сквозь среду без изменения частоты его монохроматических составляющих. Коэффициентом пропускания - это отношение потока излучения, прошедшего сквозь данное тело I к потоку излучения, упавшего на него 10 (Иванов, 1988), т.е. Т=— (3.7) или в процентах: Т= — х100% (3.8) Под монохроматическим понимается излучение, лежащее в очень узком интервале волн. Интегральным - называется суммарное излучение во всем интервале длин волн или в каком-то достаточно широком интервале. Энергией излучения является энергия, переносимая излучением. Она может измеряться в любых единицах, в которых измеряются различные виды энергии. Лучистая энергия или энергия излучения, падающая на зеленый лист, в той или иной степени поглощается им, а часть ее отражается и пропускается, что выражается формулой (Иванов, 1988): I0 = IA + IR + I (3.9) В основе оптических свойств лежит явление поглощения лучистой энергии веществом, что выражается законом Бугера - Ламберта - Бера -Вавилова. Наиболее распространенное математическое выражение этого закона следующее (Корсунский, 1987): I = I0e-Acd (3.10) где А - коэффициент экстинкции (удельный коэффициент поглощения), с - концентрация раствора, d - толщина слоя, 10 - падающий лучистый поток, I - прошедший лучистый поток. Иногда закон выражают через логарифмы в виде (Секанов, 1985): А = — ХІІД (3.11) cd I Однако, данный закон справедлив для растворов и других гомогенных сред. В отличие от них измерение энергии, поглощенной листьями, значительно осложняется рассеянием лучистой энергии на границах фаз. Под рассеянием мы понимаем изменение пространственного распределения направленного излучения, которое в результате распространения в среде отклоняется по всем возможным направлениям. Коэффициент рассеяния С - это отношение потока излучения, рассеянного данной средой 1с к потоку излучения, упавшего на эту среду 10 (Иванов, 1988), т.е. cJf (3.12) или в процентах: С = х100% (3.13) Среды, в которых происходит рассеяние излучения, носят название мутных сред. Рассмотрим схему ослабления потока излучения при прохождении через мутную среду. Поглощение энергии излучения происходит на молекулярном уровне и изменяет энергию молекул. В общем случае энергия молекул может быть записана в виде (Зуев, 1997):
Е = Епост + Е„ + Ека1 + Еер + ЕЭЯ,К01 + EM_V + Екол,вр (3.14)
где: Епост - энергия поступательного движения; Еэл, Екол, Евр - электронная, колебательная и вращательная энергии; Еэл-кол, Еэл.вр, Екол.вр - энергии обусловленные взаимодействием различных видов движений. Электронные спектры молекул занимают ультрафиолетовую и видимую, колебательные - близкую инфракрасную, вращательные - далекую инфракрасную и микроволновую области спектра. Процесс поглощения оптического излучения молекулами квантован, т.е. молекула может поглотить фотон или квант света, если в ее спектре существуют уровни энергии, переход между которыми возможен и соответствует этому кванту.
Пусть на однокомпонентную молекулярную среду падает монохроматическое излучение длины волны X. Если молекула данной среды поглощает на этой длине волны оптическое излучение, то прохождение света в такой среде сопровождается его энергетическим ослаблением и повышением внутренней энергии молекул среды. Этот процесс происходит тем интенсивнее на единице пути проникновения светового потока в толщу среды, чем интенсивнее линия поглощения в спектре молекулы на этой длине волны.
Под коэффициентом молекулярного поглощения Ат(1), (где / - длина отрезка в среде вдоль направления распространения светового луча) принято принимать коэффициент пропорциональности в законе Бугера (3.9), записанном в дифференциальной форме (Зуев, 1997):
При падении светового луча перпендикулярно плоскости листа и принимая допущение, что рассеяние излучения не происходит, длина отрезка распространения светового луча / равняется толщине материала d. Таким образом, коэффициент поглощения Ат зависит от толщины d и плотности р материала.
Метрологическая оценка разработанного устройства
Многие экспериментальные данные, приведенные в данной работе, получены с применением разработанной нами методики на созданном приборном обеспечении (рис. 3.10-3.11). Требуется рассчитать результирующую погрешность измерительного прибора, созданного самим экспериментатором из серийно выпускаемых узлов. При этом погрешность в измерения могут вносить следующие узлы: источник инфракрасного излучения, приемник излучения, измерительный прибор, а также сам объект исследования.
Оценку суммарной погрешности можно вычислить по алгоритму П.В.Новицкого и И.А. Зографа (1991) формулы 3.26 - 3.29. Согласно ему расчет суммы коррелирующих и некоррелирующих случайных погрешностей производится по среднему квадратическому отклонению: Рассмотрим погрешность вносимую объектом исследования.
Известно (Васильев, 1988; Полуянова, 1988; Родионова, 1990 и др.), что толщина листовой пластинки не одинакова в различных её частях. Кроме того, лист имеет жилкование, которое делает толщину еще более изменчивой. Это может вносить неоднозначность в результаты измерения проходящего сквозь лист растения ИК-излучения.
Для устранения возможных погрешностей, вносимых объектом исследования, разработана следующая схема измерения.
Просвечивание листа ИК-лучем происходит последовательно по трем измерительным каналам в трех точках: в середине листовой пластинки, в её нижней и верхней частях. При наложении листа необходимо избегать возможности попадания в зону просвечивания жилкования и поврежденных участков, не типичных для листовой поверхности.
Коэффициент ПИКИ данного растения рассчитывается как среднее значение из 9 измерений (3 листа по 3 измерения на каждом). Случай попадания в область просвечивания помехи (жилки, поврежденного участка и т.п.) легко отслеживается, т.к. при этом наблюдается значительная вариация результатов измерения. Ошибка устраняется с помощью повторного измерения. Произведем расчеты возможных погрешностей измерительного устройства:
1. Погрешность приемника излучения, заключается в возможной нелинейности зависимости выходных характеристик от освещенности. В качестве приемника излучения могут быть использованы фоточувствительные элементы, которые меняют свои электрические свойства под действием освещенности. Наиболее распространенными и доступными из них являются фоторезисторы и фотодиоды. Фоторезисторы это фоточувствительные полупроводниковые приемники излучения, принцип действия которых основан на эффекте фотопроводимости. Диапазон чувствительности находится в интервале длин волн 0,3...0,9 мкм. Однако зависимость тока в цепи фоторезистора от светового потока нелинейна (Иванов, 1988). Нелинейность этой зависимости является существенным недостатком фоторезисторов. Фотодиод - это фоточувствительный полупроводниковый диод с р-п переходом. При освещении р-n перехода в нем возникают электронно дырочные пары, направление тока этих носителей совпадает с направлением обратного тока перехода. Диапазон спектральной чувствительности от 0,4 до 1,9 мкм. В качестве приемника излучения применены фотодиоды, используемые в фотодиодном режиме, т.е. диод смещен в обратном направлении и фототок является функцией освещенности. Преимущества этого режима следующие: пониженная инерционность, повышенная чувствительность, широкий диапазон линейности характеристик. Одним из основных параметров фотодиода является его вольтовая чувствительность, определяемая изменением выходного напряжения при увеличении светового потока на 1лм. Световые характеристики фотодиодов линейны до интенсивности насыщения. Для кремниевых диодов порог насыщения составляет сотни тысяч люкс.
2. Температурная погрешность. При проведении экспериментов температура изменялась в пределах от 18 до 25С. Отмечено достаточно сильное влияние температуры на источник инфракрасного излучения. При изменении температуры от 25 до -60 С происходит увеличение мощности излучения на 10%. Расчетное изменение мощности излучения при изменении температуры от 25 до 18С - 0,82%.
Температурная погрешность приемника излучения практически отсутствует. Влияние температуры на фотодиод проявляется в сдвиге максимума спектральной чувствительности при повышении температуры - в сторону более коротких волн, при понижении - в сторону более длинных (при изменении температуры с -85 до 80С происходит сдвиг спектральной чувствительности на 0,06 мкм). Однако, у источника ИК-излучения обнаружено точно такое же влияние температуры на спектр излучения, кроме того диапазон спектральной чувствительности приемника излучения значительно перекрывает спектр распределения излучения источника, поэтому эти изменения не повлияют на результат измерений. Для устранения температурной погрешности источника излучения и настройки измерительной системы последовательно с источником излучения в схему введены переменные резисторы, с помощью которых перед началом измерения (при отсутствии образца в приборе) производится установка интенсивности излучения эквивалентная 5В проходящим через приемник излучения.
3. Погрешность приемника излучения от колебания напряжения питания. Устройство питается от стабилизированного источника питания с нестабильностью напряжения ±2%. Данная погрешность является чисто мультипликативной и распределена по тому же закону, что и отклонение напряжения сети от своего номинального значения 220В. Распределение напряжения сети близко к треугольному. Среднее квадратическое отклонение для треугольного распределения равно: поэтому: Параметры этого распределения: к=2,02, є=2,4, /-0,65.
4. Основная погрешность аналогового измерителя определяется его классом точности. Однако, погрешность всех электроизмерительных приборов согласно стандарту нормируется с 25%-ным запасом на старение, т.е. фактическая погрешность нового, только что выпущенного заводом прибора составляет не более чем 0,8у. В нашем приборе используется только что купленный, новый измеритель и при классе точности 2 его погрешность составляет не брлее: Уа,. = 0,8 х/ = 0,8x2 = 1,6% Погрешность аналогового измерителя аддитивна, а закон ее распределения считается равномерным с шириной ±1,6%. Тогда среднее квадратическое отклонение этой погрешности равно:
Влияние толщины листовой пластинки на коэффициент ПИКИ
Толщина листовой пластинки, влияет на длину «оптического пути». У различных растений она колеблется в пределах 85 - 3000 мкм (Шульгин, 1961). В наших исследованиях она варьировала в пределах 100-900 мкм. Для большинства изученных видов растений она представлена величинами порядка 100-450 мкм. Эксперименты показывают, что коэффициент проходящей лучистой энергии в ближней области инфракрасного спектра уменьшается с утолщением листовой пластинки (табл. 4.3, рис 4.2). На рисунке 4.3 приведено распределение видов растений по толщине листа (Шульгин, 1961), изучено более 1400 видов. Из рисунка видно, что большинство видов имеет толщину листа такой, что величина ее приходится на начало плато корреляционной кривой зависимости коэффициента ПИКИ от толщины. Поверхностная масса (вес единицы площади) листьев, являясь важным показателем оптических свойств листьев, также сильно варьирует. Исследования поверхностной массы свежих листьев растений средней полосы бывшего СССР и оранжерейных растений, относящихся к различным экотипам - мезофитам, растениям с ксероморфными листьями и суккулентам, проведенные А.А. Ничипоровичем (1959), А.Ф. Клешниным (1959), И.А.Шульгиным (1960, 1961, 1973) и др., показали, что эта величина изменяется в пределах от 7 до 600 мг/см . Она максимальная у суккулентов, минимальная у мезофитов; растения с ксероморфной структурой листа занимают промежуточное положение. Световые листья имеют большую поверхностную массу, чем теневые.
Эти результаты, полученные на большом числе объектов, в дальнейшем позволили рассматривать полученные данные как показатели экологической характеристики растений.
Поверхностная масса листьев древесных растений отличается друг от друга весьма сходным образом. С увеличением высоты местности над уровнем моря поверхностная масса возрастает, что связано как с утолщением листовой пластинки, так и возрастающей ксероморфностью листьев (Шульгин, 1973).
Исследования показывают, что различия в поглощении интегрально лучистой энергии у разных растений также связаны с характерными для этих растений величинами поверхностной массы.
Корреляция между коэффициентом ПИКИ и поверхностной массой только что сорванных сырых листьев (весом 1 см листа в мг/см) положительна при небольших значениях последней (до 10 мг/см для растений открытого грунта и до 30 мг/см для растений закрытого грунта) и отрицательна в остальной области, причем, максимум кривой распределения видов по величине поверхностной массы приходится на среднее значение
102 поверхностной массы (таблица 4.4, рис. 4.4). На наш взгляд это связано с неодинаковой влажностью листьев, что и делает измерения коэффициента ПИКИ листьев несопоставимыми. Поэтому, предусмотренное в разработанном методе подсушивание листьев, для выравнивания их влажности оправдано.
Корреляция между коэффициентом ПИКИ и поверхностной массой сухих листьев (содержанием сухого вещества в 1 см2 листа в мг/см2) отрицательная, высокая (г = -0,84 для растений открытого грунта и г = -0,86 - для растений закрытого грунта). Наиболее сильная зависимость наблюдается при значениях поверхностной массы сухих листьев до 5 мг/см2 (рис 4.5).
Таким образом, подтвердилась сильная зависимость коэффициента ПИКИ от содержания сухого вещества в тканях листьев растений, т.е. от толщины и плотности листовой пластинки, которые в свою очередь определяются степенью ксероморфности.
