способ оценки морозостойкости растительной ткани плодовых культур резонансным методом

Формула изобретения

Способ определения порога морозостойкости растительных тканей путем их промораживания при температурах, плавно повышающихся от -70°С, и параллельного измерения показателя, характеризующего их состояние, отличающийся тем, что при каждой температуре в тканях материала возбуждают резонансные консольно-изгибные колебания и измеряют механические потери, строят график зависимости тангенса угла механических потерь от температуры, а порогом морозостойкости считают температуру, соответствующую максимуму механических потерь в данном образце.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение, и преимущественная область его использования

Изобретение относится к сельскому и лесному хозяйству и может быть применено для установления морозостойкости растительной ткани.

Характеристика аналогов изобретения

Известен полевой и целый ряд лабораторных методов определения зимостойкости.

Полевой метод испытаний несмотря на все свои достоинства имеет один существенный недостаток - длительность испытания (для надежной оценки устойчивости требуются десятки лет).

Основным лабораторным методом является моделирование низких температур в контролируемых условиях, как правило, используя стационарные морозильные камеры. Обязательным условием при этом способе является дальнейшая оценка жизнеспособности растений после действия повреждающих факторов. Способы оценки могут быть различными в зависимости от объектов, которые используются в работе, а также поставленных задач. К основным можно отнести метод отращивания и оценки повреждений по побурению тканей; по выходу электролита из клеток; с помощью солей тетразолия и др.

Каждый из методов не лишен своих преимуществ и недостатков. В частности, метод оценки по побурению отличается неточностью по причине известной возможности регенерирования подобных тканей, их дальнейшего осветления, и в тоже время, по мнению ряда исследователей, побурение не может служить признаком повреждения камбия, т.к. последний не имеет своих хромогенов и может буреть лишь вследствие проникновения пигмента из соседних поврежденных клеток.

Метод оценки повреждений по выходу электролита из клеток основан на явлении повышения проницаемости мембран и увеличения выхода электролитов из клетки при ее повреждении. К недостаткам метода можно отнести то, что вымываемость электролитов зависит от диаметра и морфологических особенностей стеблей, что значительно варьирует у разных сортов. Усовершенствованный способ по измерению электропроводности самих тканей, когда игольчатые электроды вставляются непосредственно в стебель, показал слабое согласование с результатами при лабораторном отращивании.

Более чувствительный и достоверный метод определения жизнеспособности тканей с помощью солей тетразолия требует очень аккуратного подхода, когда незначительное сжатие стеблей руками может привести к искаженным результатам.

Так или иначе, все перечисленные методы направлены на определение лишь результатов гибели клеток после воздействия низкотемпературной составляющей.

Способом определения морозоустойчивости непосредственно в процессе замерзания является метод дифференциального термографического анализа, основанный на фиксации выделения тепла при замерзании переохлажденной воды в сердцевидных лучах древесины. Вместе с тем, этот метод диагностики возможен лишь для переохлаждающихся видов и тканей, и отсутствие низкотемпературных экзотерм у них еще не всегда говорит об их сохранности (Определение устойчивости плодовых и ягодных культур к стрессорам холодного времени года в полевых и контролируемых условиях: методические указания. - М., 2002. - 120 с.).

Кроме того, известен способ определения морозостойкости измерением скорости звука в свежесрезанном листе растения при температурах от 0 до -40°С на частоте 1 Гц методом свободных крутильных колебаний (АС СССР № 1183023, Патент ЧССР № 225629).

Характеристика прототипа

Из известных решений наиболее близким по назначению и сущности к заявляемому способу является способ определения порога морозостойкости растительных тканей с помощью звука. При этом в качестве модели для оценки названных характеристик выбраны листья вечнозеленого растения Magnolia. Измеряют скорость звука в свежесрезанном листе данного растения при температурах от 0 до -40°С на частоте 1 Гц методом свободных крутильных колебаний. Скорость понижения температуры 0,6 град./мин.

Критерием границы морозостойкости предложено считать положение характерного излома на температурной зависимости скорости звука в образце.

Критика прототипа

Однако известный способ имеет следующие недостатки. Практическое применение любой методики оценки морозоустойчивости растительной ткани предполагает использование не только листьев данного растения, но и других его частей (стебель, корень, древесная ткань), в отношении которых требуется определение исследуемого параметра. Таким образом, применение метода, заявленного в прототипе, не позволяет оценить, например, морозоустойчивость одревесневших побегов растений разного возраста. На практике, в странах с холодным климатом, наибольший интерес для исследования представляет анализ жизнеспособности растительной ткани не только в период вегетации и не столько вечнозеленых растений, сколько листопадных культур во время т.н. «зимней спячки», когда вероятность повреждения ткани воздействием низких температур наиболее высока. Особенно важным это оказывается при селекционной работе, когда на ранних стадиях необходим отбор растений, максимально устойчивых к наиболее распространенным повреждающим факторам (низкие температуры), что не всегда оказывается возможным при использовании традиционных методов. Кроме того, использование температурной зависимости скорости звука для оценки порога морозостойкости приводит к появлению неизбежных погрешностей, в значительной степени обусловленных субъективностью при нахождении положения изломов (определяются визуально по графикам зависимостей).

Задачей заявляемого изобретения является быстрая, достоверная и точная оценка критической температуры морозостойкости и критерия физической жизнеспособности одревесневшей растительной ткани плодовых и ягодных культур.

Сущность изобретения

Поставленная цель достигается тем, что в заявленном способе определения порога морозостойкости растительных тканей проводят их промораживание при температурах, плавно повышающихся от -70°С, и параллельно измеряют показатель, характеризующий их состояние, согласно изобретению при каждой температуре в тканях материала возбуждают резонансные консольно-изгибные колебания и измеряют механические потери, строят график зависимости тангенса угла механических потерь от температуры, а порогом морозостойкости считают температуру, соответствующую максимуму механических потерь в данном образце, что повышает достоверность и точность определения.

Образец одревесневшей ткани плодовой культуры в виде тонкой пластинки размером (50-70)×(5-7)×(0,5-2) мм, взятый из свежесрезанного побега, помещается в криокамеру резонансного прибора «язычкового» типа и подвергается быстрому (до 20 минут) замораживанию до температуры -120 -70°С. Определение вязкоупругих характеристик проводится резонансным методом и предполагает нахождение тангенса угла механических потерь при постепенном увеличении температуры образца, производимом путем естественного прогревания, скорость которого определяется температурой окружающей среды и остаточным количеством криогенной жидкости и в среднем составляет 1°С /мин. Глубокой и быстрой первоначальной заморозкой достигается «мгновенная» фиксация состояния материала на момент начала измерений и снижается вероятность приспособления (адаптации) растительной ткани к условиям окружающего пространства с изменением при этом молекулярной структуры, которое может иметь место при медленном охлаждении в соответствии с прототипом.

Погрешность в расчете величины tg составляет не более 10%, точность измерения температуры ±0,5°С. Температура, соответствующая процессу фазового или релаксационного перехода в компонентах древесины (характеристическая температура Т_х), связана с температурой морозостойкости древесного вещества. Это обусловлено тем, что обе температуры непосредственным образом связаны со строением вещества древесины в целом и отдельных ее компонентов в частности, а также с наличием воды в клетках и межклеточном пространстве и ее взаимодействием с активными группами макромолекул растительных клеток. Следовательно, зная характер изменения Т_х, в зависимости от вида растения, его возраста и прочих факторов, можно предсказать характер зависимости температуры морозостойкости.

Характеристическую температуру определяют по пикам на температурной зависимости тангенса угла механических потерь.

Сопоставительный анализ заявляемого способа с прототипом показывает, что заявляемый способ соответствует критерию новизна и отличается от известного тем, что в качестве объекта исследования выбрана одревесневшая ткань плодово-ягодных растений, характерных для средней полосы России и не являющихся вечнозелеными растениями. Таким образом, оказывается возможным проведение измерений на образцах не только в период вегетации, но и в осенне-зимний период, когда вероятность низкотемпературного поражения растительной ткани наиболее высока. При этом взятие образцов для проведения измерений не представляет затруднений. Работа с одревесневшей частью позволяет исследовать растительную ткань разного возраста - от однолетней до многолетней, что при работе с листьями осуществить невозможно. Кроме того, в отличие от прототипа, при реализации заявляемого способа становится возможным определить зависимость характеристической температуры морозостойкости для одних и тех же сортов растительного материала как от времени года, в которое осуществлялся отбор материала и его измерения (октябрь-март), так и от года, в который эксперимент был проведен, что обусловлено различиями в климатических условиях в тот или иной период времени, а также постепенной адаптацией растительной ткани к окружающей температуре в процессе естественного закаливания и соответствующего изменения макро- и микроструктуры тканей.

Использование температурной зависимости динамического модуля сдвига в комплексе с современными пакетами математической обработки (нахождение производных) для оценки порога морозостойкости приводит к существенному повышению точности и снижению субъективных факторов в оценке требуемых параметров.

Таким образом, анализ известных решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявленном способе определения морозостойкости, и признать заявленное решение соответствующим критерию «изобретательский уровень».

Перечень фигур графических изображений

Блок-схема экспериментальной установки показана на фигуре 1. Установка состоит из исследуемого образца 1, который крепится специальным зажимом к свободному концу вибратора 2; постоянного магнита 3; катушек возбуждения 4, подключенных к генератору звуковых колебаний 5 и частотомеру 6; системы измерения температуры (термопара хромель-алюмель 7 и потенциометр постоянного тока 8); термокриокамеры 9, в которой имеются нагреватель 10, змеевик 11 из медной трубки, а также окно 12 для визуального наблюдения колебаний образца. Регистрация амплитуды колебаний осуществляется микроскопом со шкалой через окно, а частоты - частотомером.

Сущность определения Е и tg сводится к измерению амплитуды колебаний свободного конца консольно закрепленного стержня при изменении частоты возбуждающей силы, приложенной к другому закрепленному концу. Исследуемый образец помещается в измерительную установку. С помощью генератора звуковых колебаний подбирается частота, при которой будет наблюдаться наибольшая амплитуда колебаний образца, то есть резонансная частота f_рез. Аналогично фиксируются частоты f₁ и f₂, при которых амплитуда уменьшается до от своего значения при f_рез.

Расчет основных вязкоупругих характеристик, таких как динамический модуль Юнга (Е) и тангенс угла механических потерь (tg ), производится по известным формулам:

где - плотность полимера; 1 - длина незакрепленной части полимерного образца; а₀ - числовой коэффициент, который для основной частоты равен 1,875; d - толщина полимерного образца.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1. Образец свежесрезанной древесной ткани однолетнего побега груши сорта Купава (1 - Уссурийская № 15-26; 2 - Купава), взятый в январе 2007 года, был помещен в термокриокамеру резонансного прибора. После быстрого охлаждения до -70°С, при равномерном нагреве со скоростью 1°С/мин до температуры 0°С, была получена температурная зависимость tg , представленная на фигуре 2.

На графике, отображающем зависимость tg =f(t), отмечается четкий пик при температуре -29,5°С, соответствующий характеристической температуре перехода и определяемый как температура морозостойкости данного сорта в январе 2007 года. Результаты измерений полностью воспроизводятся при повторном исследовании аналогичных образцов.

Пример 2. Образец свежесрезанной древесной ткани однолетнего побега груши сорта Купава, взятый в марте 2007 года, был подвергнут измерениям на резонансном приборе в диапазоне температур -70°С÷0°С при равномерном нагреве со скоростью 1°С/мин. Температурная зависимость tg представлена на фигуре 3.

На графике зависимости tg =f(t) пик механических потерь располагается при температуре -17,5°С (температура морозостойкости в марте 2007), что на 12°С выше аналогичного показателя, полученного в январе. Результаты измерений полностью воспроизводятся при повторном исследовании аналогичных образцов. Очевидно, что за время, прошедшее с момента предыдущего измерения, произошла трансформация молекулярного строения растительных тканей, способствующая естественному «пробуждению» древесной культуры и существенному повышению температуры порога жизнеспособности.

Пример 3. Образцы свежесрезанной древесной ткани однолетних побегов груш сортов Уссурийская № 15-26 и Купава, взятые в декабре 2007 года, были подвергнуты измерениям на резонансном приборе в диапазоне температур -70°С÷0°С. На графике зависимости tg =f(t), представленном на фигуре 4, пики механических потерь, соответствующие представленным сортам груш, располагаются при температурах -31°С и -37,5°С. Результаты измерений полностью воспроизводятся при повторном исследовании аналогичных образцов. Таким образом, закономерно более морозоустойчивый сорт груши Купава имеет более низкотемпературный показатель характеристической температуры, определяемой резонансным методом.

Пример 4. Образец свежесрезанной древесной ткани однолетнего побега груши сорта Купава, взятый в январе 2008 года, был подвергнут измерениям на резонансном приборе в диапазоне температур -70°С÷0°С при равномерном нагреве со скоростью 1°С/мин. На графике зависимости tg =f(t), представленном на фигуре 5, пик механических потерь располагается при температуре -43°С, что на 13,5°С ниже аналогичного показателя, полученного в январе 2007 года. Результаты измерений полностью воспроизводятся при повторном исследовании аналогичных образцов. Таким образом, прослеживается зависимость характеристической температуры морозостойкости, определяемой резонансным методом, от природных факторов (год проведения исследования).