Способ определения биомассы растений

 

Изобретение предназначено для использования в области сельского и лесного хозяйства при определении биомассы растений. Способ включает определение биомассы растений в фиксированном объеме по суммарному ослаблению узкого пучка γ-излучения, которое с определенным шагом сканируется по всему объему в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Способ позволяет повысить точность при измерении биомассы любого вида растительности. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к способам измерения биомассы растений и может быть использовано для изучения динамики роста растений на опытных площадках, в лабораторных и полевых условиях. Оно может войти в арсенал рабочих методик различных исследовательских сельскохозяйственных и лесных учреждений.

Известен способ для определения прироста надземной части биомассы растений в вегетационной ванне, основанный на изменении уровня при подтоплении определенной конструкции, на которой крепятся растения и которая связана с весовым устройством [1] . Однако для осуществления этого способа требуется достаточно громоздкое сооружение и, кроме того, способ применим только в лабораторных условиях.

Наиболее близким по техническому осуществлению к предлагаемому способу является способ определения биомассы прямостоящей растительности [2]. В этом способе на определенной высоте (50-100 м) с какого-либо летательного аппарата одним детектором регистрируются обусловленные почвой два потока гамма-излучения: поток прямых (не рассеянных) γ-квантов, которые излучаются почвой вертикально вверх и поэтому пропускаются вертикальной растительностью и поток многократно рассеянных гамма квантов. По потоку прямых гамма квантов рассчитывают поток многократно рассеянных на уровне земли, а по отношению последнего к измеряемому потоку γ-квантов, многократно рассеянных над лесом (растительностью), определяют запасы древесины в лесу (или биомассы сельскохозяйственной растительности в поле).

Недостатки способа 1. Cпособ применим только к прямостоящей растительности, хотя и тут имеется определенная идеализация: кроны деревьев, головки подсолнухов, колоски пшеницы - не всегда занимают вертикальное положение.

2. Большая ошибка в определении биомассы. Для леса, например, она оценивается в 12-13% и это без учета ослабления γ-потока кронами деревьев, которое по величине может оказаться одного порядка с ослаблением γ-лучей на 50 м пути в воздухе (с точки зрения ослабления γ-лучей 50 м воздуха эквивалентно приблизительно 5 см древесины), без учета неровности самой поверхности растительного покрова. Для сельскохозяйственной растительности ошибка может быть еще значительней.

3. При всей своей значимости (способ позволяет оценивать поверхностную плотность биомассы на больших площадях) способ не применим для проведения "текущих" исследовательских работ ни в полевых, ни в лабораторных условиях.

Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа (он может применяться для определения биомассы в лабораторных условиях, на опытных площадках, в поле), применение способа для любого вида растительности, повышение точности при измерении биомассы.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, включающем измерение относительного изменения плотности пучка γ-квантов, растительность, биомассу которой определяют, располагают между двумя параллельными рамками, на одной из которых располагают источник γ-квантов, а на другой, по одной линии с источником, являющейся нормалью к рамкам, монтируют детектор γ-квантов и в жестко связанной системе источник - детектор формируют узкий пучок γ-квантов, который с определенным шагом последовательно сканируют в двух взаимно перпендикулярных направлениях с выходом его за контуры биомассы, на каждом шаге определяют локальную поверхностную плотность биомассы m_i (г · см^-2): где N₀ - плотность потока регистрируемых γ-квантов в отсутствие биомассы; N_i - локальная плотность потока регистрируемых γ-квантов при наличии биомассы; μ_m - массовый коэффициент ослабления потока γ-квантов биомассой, см² г^-1; η - поправка на неполную коллимацию (или неполную дискриминацию), обусловленная частичным попаданием в детектор рассеянных γ-квантов (определяется экспериментально), по локальным значениям m_i определяют среднюю поверхностную плотность биомассы m_ср (г· см^-2): где n - число измерений (шагов сканирования),
а биомассу М_бм, заключенную между рамками, определяют из выражения

где S - площадь сканирования, см².

Приведенные соотношения для определения биомассы вытекают непосредственно из закона ослабления узкого пучка.

Для узкого пучка закон ослабления пучка γ-квантов, обусловленный взаимодействием γ-квантов с веществом (в нашем случае с биомассой), можно выразить в таком виде
(1)
где N - плотность потока регистрируемых γ- квантов при наличии биомассы;
N₀ - плотность потока регистрируемых γ-квантов в отсутствие биомассы;
m - поверхностная плотность биомассы, г·см²;
μ_m - массовый коэффициент ослабления γ-квантов биомассой, см²·г^-1.

На практике, однако, вместо теоретического массового коэффициента ослабления пользуются эффективным массовым коэффициентом ослабления μ_{m эфф} [3]. Это обусловлено тем, что полностью исключить рассеянное γ-излучение "из игры" практически невозможно. Связь между истинным и эффективным коэффициентами представляют в виде:
μ_{m эфф}= η·μ_m, (2)
где η - поправка на неполную коллимацию (или неполную дискриминацию). Она определяется экспериментально и близка к единице. Методику ее измерения можно найти в [3].

Из выражений (1) и (2) можно определить локальное значение m - m_i:
(3)
Если между рамками расстояние равно l, то m по сути дела, является количеством биомассы, заключенной в i-ом столбике 1 см² x l.

Измерить биомассу в большем объеме можно за счет последовательного сканирования узким пучком всего объема с последующим суммированием полученных результатов.

Пусть в результате сканирования получены значения m_i: m₁, m₂, m₃,...m_n. Для полученных значений m_i можно ввести понятие средней поверхностной плотности биомассы m_ср:

или с учетом (3):
(4)
где n - число измерений (шагов сканирования).

Очевидно, что
М_бм= m_ср, (5)
где S - площадь сканирования (площадь обмера), см²;
М_мб - биомасса, заключенная в объеме S х l.

И с учетом (4) и (5)
(6)
Положительный эффект предлагаемого способа достигается за счет следующих обстоятельств.

В разумных объемных пределах (≈ 1 м³) можно измерять биомассу любых растений. Это может быть часть растительного покрова, какое-либо обособленное растение, плод, часть ствола дерева и т.д., - в зависимости от поставленной задачи. При этом неважно, каким образом ориентированно растение по отношению к измерительным рамкам. Достаточное условие, чтобы измеряемый объект находился в створе рамок. В противном случае возможен вариант измерения биомассы такого растения "по частям".

Способ без труда может быть реализован в полевых и лабораторных условиях. Устройство и приборы, необходимые для проведения измерений биомассы растений, являются достаточно простыми и не требуют сложного радиотехнического обеспечения; они могут быть выполнены в "ручном" компактном варианте.

Использование γ-излучения для определения биомассы растений может оказаться единственным в своем роде перспективным способом применительно к полевым условиям. При весьма низких дозах облучения растений (порядка 10^-7 Гр) можно выполнить измерение биомассы в объеме ≈ 1 м³, не разрушая при этом самих растений и не исключая повторных измерений.

Погрешность в определении биомассы (М_мб) предлагаемым способом может быть уменьшена до 1-2%. Это следует из выполненного ниже анализа.

Погрешность в М_бм удобнее оценить, если значение N₀ определяется в каждом единичном измерении (синхронно с N_i). В этом случае произведение nlnN₀ из (6) заменяется на сумму Учитывая тот факт, что N_0i для случая измерения биомассы, в силу ее относительной "прозрачности" для γ-квантов, мало отличается от N_i, во всем диапазоне измерений абсолютная погрешность логарифмического члена (ее можно рассматривать как погрешность, обусловленную многократными замерами числа импульсов в идентичных условиях) может быть выражена так:

И поэтому, учитывая, что

Как следует из (7), статистическая ошибка зависит не только от статистической обеспеченности единичного измерения (N_0i и N_i), но и от числа единичных измерений n.

В этой связи при измерениях биомассы в значительных объемах нет необходимости стремиться получить маленькую статистическую погрешность в единичном измерении. Это привело бы к неоправданно большому времени измерения. Статистическая ошибка может быть выведена на необходимый уровень (уровень случайных ошибок η, μ_m и S, которые находятся в диапазоне 0.5 - 1.5%) вследствие многократного суммирования единичных замеров уже при n ≈ 50-100. При этом выбор n зависит и от того, как распределена биомасса в объеме.

Если биомасса в объеме распределена равномерно, сканировать пучок можно с шагом, превышающим его поперечные размеры. и n выбирается таким, чтобы обеспечить только приемлемую статистическую ошибку.

Если же биомасса в объеме распределена неравномерно, для ее "взвешивания" необходимо сканировать пучок без "пропусков" - с шагом не больше поперечного размера пучка. Значение n в этом случае, в первую очередь, выбирается из условия полного сканирования объема.

Реализация способа выполнена на лабораторной установке, схема которой приведена на чертеже, где
1 - контейнер-коллиматор для детектора γ-квантов;
2 - контейнер-коллиматор для источника;
3 - объемный каркас для размещения биомассы;
4 - сканирующее устройство;
5 - источник γ-квантов, Co⁶⁰;
6 - заглушка;
7 - коллимационный канал источника;
8 - коллимационный канал детектора;
9 - фотоэлектронный умножитель ФЭУ-60;
10 - сцинтилляционный кристалл NaI(Tl);
11 - площадка для размещения каркаса;
12 - биомасса;
13 - шелковые нити.

Установка состоит из двух совмещенных с контейнерами коллиматоров 1 и 2, объемного каркаса 3, предназначенного для размещения биомассы, сканирующего устройства 4 и электронной системы регистрации γ-квантов.

Контейнер-коллиматор 2 служит для размещения источника γ-квантов 5. В основном он предназначен для защиты персонала от γ-излучения. Для этих же целей предназначена и заглушка 6. Роль коллимационного канала 7 - также защитная в большей мере; длина его равна 3 см. Контейнер и заглушка изготовлены из свинца. В качестве источника γ-квантов использовался Co⁶⁰ с активностью 0.5 mCu.

Контейнер-коллиматор 1 предназначен для размещения детектора γ-квантов и формирования узкого пучка - коллимационный канал 8 оказывает основное влияние на его формирование. Свинцовая защита вокруг детектора служит для поглощения рассеянного излучения. Длина коллимационного канала равна 6 см. В качестве детектора γ-излучения использовались ФЭУ-60-9 и кристалл NaI(Tl) 10.

Контейнеры-коллиматоры закреплены соосно и стационарно на рабочем столе. Расстояние между выходом коллимационного канала 7 и входом коллимационного канала 8 равно 21 см; диаметры каналов одинаковы и равны 0,5 см.

Объемный каркас 3 в виде правильного параллелепипеда размещался между коллиматорами на площадке 11. Для упрощения опытов перемещению подвергались не контейнеры-коллиматоры, а сам каркас. С этой целью площадка 11 и каркас жестко скреплялись со сканирующим устройством 4. Каркас изготовлялся из дюралевых прутков диаметром 0.4 см. Размеры каркаса равны 20х30х25 см². Биомасса 12 подвешивалась внутри каркаса при помощи растяжек из тонких шелковых нитей 13, которые крепились к вершинам каркаса.

Сканирование объема каркаса (биомассы) осуществлялось параллельно плоскости каркаса 30х25 см² в двух взаимно перпендикулярных направлениях, по нормали к оси коллимации. Шаг сканирования равнялся 0,5 и 1 см. Сканирование осуществлялось при помощи сканирующего устройства, используемого во фрезерном станке. Поступающие с детектора импульсы, обусловленные взаимодействием γ-квантов с NaI(Tl), формировались по амплитуде электронной системой и подавались затем на счетный прибор.

В качестве примера в работе выполнены измерения массы пучка еловых веток и картофельного клубня. Условия "взвешивания" и его результаты приведены в таблице.

Как следует из данных таблицы, в случае клубня картофеля "взвешивание" предлагаемым способом по точности не уступает весовому; масса пучка еловых веток несколько меньше истинной. Это может быть обусловлено двумя причинами:
- при неравномерном распределении биомассы еловых веток использовался шаг сканирования, превышающий диаметр коллимационного канала; при неравномерном же распределении в "пропусках" поверхностная плотность может отличаться от m_ср;
- часть "хвостов" веток при измерениях вышла за пределы сканирования.

И в заключение важно отметить еще два обстоятельства.

1. В качестве источников γ-излучения можно использовать закрытые источники γ-излучения Co⁶⁰ и Cs¹³⁷ активностью 1mCu и меньше. Работа с такими источниками не требует особых мер по защите персонала от γ-излучения и при соблюдении некоторых несложных требований становится вполне безопасной.

2. Доза, которую получает биомасса при выполнении измерений, пренебрежимо мала. В этой связи способ является экологически чистым.

Литература
1. Авторское свидетельство СССР N 1664178, кл. A 01 G 7/00, A 01 G 31/02, G 01 G 19/00, 1991.

2. Авторское свидетельство SU N 1794401 A1, кл. A 01 G .7/00, G 01 N 29/00, 1993
3. В.А. Арцыбашев, Гамма-метод измерения плотности. М.: Атомиздат, 1965.

Формула изобретения

Способ определения биомассы растений, включающий измерение относительного изменения плотности пучка γ-квантов, отличающийся тем, что растительность, биомассу которой определяют, располагают между двумя параллельными рамками, на одной из которых располагают источник γ-квантов, а на другой, по одной линии с источником, являющейся нормалью к рамкам, монтируют детектор γ-квантов и в жестко связанной системе источник - детектор формируют узкий пучок γ-квантов, который с определенным шагом последовательно сканируют в двух взаимно перпендикулярных направлениях с выходом его за контуры биомассы, на каждом шаге определяют локальную поверхностную плотность биомассы m₁(г · см^-2)

где N₀ - плотность потока регистрируемых γ-квантов в отсутствие биомассы;
N_i - локальная плотность потока регистрируемых γ-квантов при наличии биомассы;
μ_m - массовый коэффициент ослабления потока γ-квантов биомассой, см² · г^-1;
η - поправка на неполную коллимацию или неполную дискриминацию, обусловленная частичным попаданием в детектор рассеянных γ-квантов (определяется экспериментально),
по локальным значениям m₁ определяют среднюю поверхностную плотность биомассы m_ср(г · см^-2)

где n - число измерений (шагов сканирования),
а биомассу M_бм, заключенную между рамками, определяют из выражения

где S - площадь сканирования, см².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2