Дифференциальные оптические методы контроля состояния растений

Тимченко, Елена Владимировна

Дифференциальные оптические методы контроля состояния растений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Тимченко, Елена Владимировна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Самара МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Дифференциальные оптические методы контроля состояния растений»

Автореферат диссертации на тему "Дифференциальные оптические методы контроля состояния растений"

На правах рукописи

Тимченко Елена Владимировна

003465166

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ РАСТЕНИЙ

Специальность 01.04.05 - «Оптика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Самара - 2009

003465166

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева» (СГАУ) на кафедре автоматических систем энергетических установок

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Захаров Валерий Павлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Павельев Владимир Сергеевич кандидат физико-математических наук, заслуженный работник науки и образования РФ Башкатов Алексей Николаевич

Ведущая организация: государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет»

Защита состоится 17 апреля 2009 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.215.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева», по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан 16 марта 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор

Щмя^ В.Г.Шахов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Одним из бурно развивающихся направлений современной оптики является биооптика и, в частности, оптика растительных сред. Интерес к данному направлению связан как с возможностью получения целостной информации о состоянии всей биологической системы по ее оптическим характеристикам и кинетике их изменения, так и с возможностью применения оптических методов для дистанционного контроля растительности, учета и оптимизации производства сельскохозяйственной продукции. Наиболее широко применяемыми оптическими методами контроля состояния растений являются метод обратного рассеяния, метод комбинационного рассеяния, абсорбционный метод и флуоресцентный анализ. Фактически метод обратного рассеяния, также как и абсорбционный метод, использует различия в спектрах поглощения химических компонент растительной ткани, однако, в отличие от последнего, он позволяет осуществлять дистанционные измерения. Дж.Роузом (1974), А. Хьюитом (1988,1998), М.Н. Мерзляком и А.Гительсоном (1979, 2003), В.В.Козодеровым (1986, 2006), ВАГоловко и Т.В.Кондраниным (2003, 2007) и рядом других авторов для определения концентрации хлорофилла были введены оптические коэффициенты (вегетационные индексы), использующие отношения интенсивностей обратного рассеяния в видимой и ИК-областях спектра. Применение данных коэффициентов хорошо зарекомендовало себя для оценки объема зеленой биомассы по данным дистанционного зондирования Земли из космоса.

Более детальная информация может быть получена с помощью модуляционной флуорометрии. Однако данный метод применим преимущественно в лабораторных условиях. Для дистанционного лазерно-индуцированного флуоресцентного анализа используют отношение длинноволнового и коротковолнового пиков интенсивностей флуоресценции (А.И.Гришин, Г.Г.Матвиенко 2000, 2007), наличие которых обусловлено различием в спектральных свойствах хлорофиллов а и Ь, а также фотосистем 1 и 2.

В условиях городской среды растения подвергаются воздействию антропогенных факторов, причем наибольшее влияние оказывают окиси углерода, азота, серы, являющиеся основными химическими компонентами выхлопов двигателей внутреннего сгорания, выбросы которых составляют более 65% от общего объема валовых выбросов. Атмосферные антропогенные вещества оказывают комбинированное многофакторное воздействие, которое может приводить к существенной экологической нагрузке на биологические объекты даже при соблюдении норм по каждому отдельно взятому загрязнителю. Учитывая, что листья растений являются наиболее чувствительными к действию атмосферных загрязнителей, древесные культуры могут быть использованы как «живые датчики» экологического состояния биосферы, а их оптические характеристики служить количественной мерой состояния окружающей среды.

В связи с этим одной из актуальных проблем является разработка и развитие оптических методов контроля состояния растений в условиях внешних воздействий, что и является целью работы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- Исследовать оптические характеристики растений в естественных условиях и при воздействии внешних естественных и антропогенных факторов, и определить их взаимосвязь с изменением концентрационного состава основных пигментов, участвующих в фотосинтетической цепи растения.

- Развить математическую модель взаимодействия оптического излучения с растительной тканью для определения функциональной зависимости оптических коэффициентов от биофизических параметров растения.

- Определить корреляцию оптических и биофизических параметров основных сельскохозяйственных культур при активном внешнем воздействии (внесении удобрений) в различные периоды вегетации.

- Исследовать степень влияния антропогенных факторов окружающей среды на изменение спектральных характеристики растительной ткани с помощью развитых дифференциальных методов.

Методы исследования:

Для решения поставленных задач были использованы комплексный подход, сочетающий в себе математическое моделирование взаимодействия оптического излучения с растительной тканью, экспериментально реализованные оптические методы контроля - обратного рассеяния и флуоресценции, а также биохимические методы анализа природных пигментов.

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель взаимодействия оптического излучения с растительной тканью, основанная на представлении ткани в виде сплошной трехслойной многократно рассеивающей среды с учетом спектральных характеристик основных светопоглощающих пигментов.

2. Введены дифференциальные коэффициенты, определенные как отношения коэффициентов обратного рассеяния на длинах волн 750 нм и 550 нм и флуоресценции на длинах волн 740 нм и 684 нм к их значениям в отсутствии загрязнителей, позволяющие выделить зависимость оптических характеристик растений от концентрации внешних загрязнителей на фоне их естественного изменения за счет старения и влияния климатических условий.

3. Экспериментально установлена функциональная связь между дифференциальными оптическими коэффициентами и интегральной величиной суммарной концентрации антропогенных веществ.

4. Предложен оптический метод экологического картографирования территорий, использующий установленные функциональные зависимости.

Практическая ценность работы:

1. Установленные функциональные зависимости изменения коэффициентов обратного рассеяния и флуоресценции от концентрации антропогенных веществ в окружающей атмосфере позволили предложить оптический метод экологического картографирования территории города.

2. Полученные результаты исследований могут быть использованы для оптического контроля состояния сельскохозяйственных растений в полевых условиях и оптимизации его минерального питания (внесения удобрений)

для роста и развития растений.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель взаимодействия оптического излучения с растительной тканью, основанная на методе Монте-Карло и на представлении ткани в виде сплошной трехслойной многократно рассеивающей среды с учетом спектральных характеристик основных пигментов в каждом слое. Модель описывает экспериментальные спектральные зависимости интенсивности обратного рассеяния от концентрации хлорофилла со среднеквадратичной погрешностью не превышающей 10%

2. Дифференциальные коэффициенты обратного рассеяния и флуоресценции, которые позволяют определить изменение оптических характеристик растений под влиянием атмосферных загрязнителей.

3. Оптический метод экологического картографирования территорий, основанный на экспериментально установленной зависимости изменения дифференциальных коэффициентов от интегральной величины концентрации антропогенных веществ, характерных для выхлопов двигателей внутреннего сгорания (СО, N02).

Достоверность результатов диссертационной работы:

Научные положения и выводы, сделанные в диссертационной работе, следуют из адекватности используемых физических, математических и биологических моделей и методов, что подтверждается сравнением с результатами экспериментальных наблюдений, полученных с помощью биохимического метода Брагинского.

Апробация работы:

Публикации: Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 26 научных работах, в том числе 4 работы в ведущих рецензируемых научных изданиях.

Структура и объем диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения и изложена на 117 страницах. Работа содержит 11 таблиц и 57 рисунков,

список цитируемой литературы включает 218 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложена цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы, показана научная новизна полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе определен объект исследования. Проанализированы строение и оптические характеристики растений, оптические методы, описывающие изменение концентрации светопоглощающих пигментов в листе высших растений. На основе сравнительного анализа вегетационных индексов в различных формах представления показано, что одним из наиболее эффективных для контроля состояния растения является коэффициент обратного рассеяния, предложенный М.Н. Мерзляком и А.Гительсоном (1979):

где i?750 и R550 - коэффициенты отражения на длинах волн 750 нм и 550 нм

соответственно. Это связано с пропорциональностью коэффициента (1) суммарной концентрации хлорофиллов и отсутствием в области 550 нм полос поглощения других светопоглощающих пигментов. А коэффициент индуцированной флуоресценции, возбуждаемой лазером на длине волны X, может быть задан в виде

отношения пиков интенсивностей флуоресценции и на длинах

волн 740 нм и 684 нм соответственно.

Распространение оптического излучения в растительной ткани представляет собой комплексные процессы поглощения, многократного рассеяния и флуоресценции, зависящие от биохимического состава и морфологических свойств разных слоев растительной ткани. Учитывая, что растительная ткань обладает большим альбедо (Л>0.9), ее можно представить в виде пленарной многократно рассеивающей сплошной среды с неоднородно распределенными коэффициентами поглощения //0 (Г, Л) и рассеяния

/лн (/, Л). Для пленарной модели растительной ткани распределение спектральной плотности лучевой интенсивности I в точке ? в направлении У может быть описано транспортным уравнением переноса (ТПИ):

¡р^-т^луы+^ш) о)

где первый член описывает затухание лучевого потока /(г,?,Л) с коэф-

(1)

(2)

фициентом fi = ßa + JUS ; второй член обусловлен приростом потока излучения за счет рассеянного излучения, распространяющегося по всем другим направлениям f ; - фазовая функция рассеяния, а

определяет вклад от внутренних источников (флуоресценции), наличие которых связано с распределенными в среде пигментами.

Коэффициент рассеяния fls определяется, прежде всего, структурой и

топологией растительной ткани, т.е. конфигурацией и пространственной локализацией клеток ткани и пигмент-белковых комплексов. В связи с чем, он считался постоянным в пределах слоя. Спектральная зависимость коэффициента поглощения ¡иа определяется пространственным распределением

химических компонент среды, вносящим существенный вклад в поглощение на длине волны Л, т.е. определяется, прежде всего, концентрацией светопо-глощающих пигментов и их спектральными свойствами:

Ma(r^) = pe0(ra) + ftal(r,Ä)Cl(r) (4)

/=1

где концентрация i-ой химической компоненты, от, - спектрально-зависимый молярный коэффициент поглощения, а jJ.a0- вклад

неучтенных компонент среды. Основными составляющими растительной ткани, входящими в сумму выражения (4), являются вода, лигнин, белок, целлюлоза, гемицеллюлоза и светопоглощающие пигменты: хлорофилл а

(Са), хлорофилл b (Сь), каротиноиды, антоцианы. Неучтенные компоненты

среды (крахмал, сахар, продукты метаболизма фотосинтеза и другие) имеют слабую зависимость от длины волны в видимой области спектра, что позволяет считать Ца0 только функцией координат.

Решение интегро-дифференциального уравнения переноса (3) возможно только численными методами. Однако для качественной оценки функциональных зависимостей оптических коэффициентов (1) и (2) можно воспользоваться первым приближением решения ТПИ. В данном приближении решение имеет следующий вид:

К*к0+кс-Са+ь, F^Jm {fo+fx.ca+fl.Cb) (5)

(684)

где ^у(Я)-квантовый выход флуоресценции на длине волны А, /¡- постоянные коэффициенты, Са+Ь =Са + Сь- суммарная концентрация

хлорофиллов в листе, кх ~ (ога(550) + аь (550)), а к0 определяется разностью молярных коэффициентов поглощения воды, лигнина и целлюлозы на длинах волн 550 нм и 750 нм и в отсутствии водяного стресса близок к единице. Видно, что коэффициент обратного рассеяния линейно зависит от суммарной концентрации хлорофиллов обоих форм, а коэффициент флуо-

ресценции является их линейной комбинацией. Данные зависимости качественно правильно отражают экспериментально наблюдаемые результаты.

Из биофизических исследований следует, что влияние внешних факторов (прежде всего антропогенных веществ) приводит к изменению, как концентраций светопоглощающих пигментов, так и характерных времен релаксации возбуждения хлорофилла, эффективности флуоресценции. Изменение размеров, формы, плотности клеток и влагосодержания в них под действием стресса может приводить к изменению коэффициента рассеяния ц$ и, как следствие, изменению коэффициента обратного рассеяния

К за счет увеличения среднего оптического пути лучей в растительной ткани. Учитывая медленность изменения оптических коэффициентов среды от указанных параметров, данная зависимость носит параметрический вид

А(')=Я,('.{ШО), А(0 = А/,(МШС/}). /7/(0 = 17/(МШС;>) (6) где время 1 - отражает изменение данных параметров вследствие естественного жизненного цикла растения, {Г} - учитывает влияние климатических факторов (прежде всего температуры и влажности), а {С*}- параметрическую зависимость от концентрации атмосферных загрязнителей. Следовательно, в общем случае оптические коэффициенты являются сложной неявной функцией естественных и внешних воздействующих факторов. Из вида выражений (5) следует, что данная функция факторизуется, по крайней мере, для случая относительно малых концентраций загрязнителей С*, т.е. отсутствия залповых выбросов. Тогда, для «вычленения» параметрической зависимости оптических коэффициентов только от концентрации загрязнителей (минерального питания) удобно ввести дифференциальные коэффициенты

д т=шпР)-т,тск'}) (7)

по сути являющиеся отношением экспериментально измеренных оптических коэффициентов к их значениям в условиях отсутствия загрязнителей (минерального питания), т.е. соответствующих естественным условиям. Дифференциальные коэффициенты наиболее целесообразно применять при контроле состояния растений на достаточно большой территории, где заведомо можно выделить участок слабо подверженный воздействию антропогенных факторов. Для уменьшения статистического разброса наряду с формулой (7) удобно использовать дифференциальные коэффициенты

1 жмщсЛ)

до,{г},ох

.(8)

К(0,{7},{Ск})

которые фактически выражают прирост или деградацию оптического коэффициента при антропологическом стрессе на фоне изменений, связанных с климатическими условиями.

В первом параграфе второй главы представлена численная реализация математической модели с использованием статистического алгоритма Монте-Карло для трехслойной модели листа (верхний и нижний эпидермис, паренхима) с использованием фазовой функции Хеньи-Гриноггейна. Коэф-

фициент преломления слоев считался согласованным, а каждый слой определялся набором феноменологических параметров (//а, , я), где

спектральная зависимость коэффициента поглощения [ла определялась

выражением (4) и была восстановлена на основании анализа экспериментальных данных, фактор анизотропии g принимался равным 0.8, а

коэффициент рассеяния определялся на основании экспериментальных

данных, соответствующих минимальной концентрации хлорофилла в листе. Численная реализация математической модели позволила рассчитать спектральное распределение интенсивности рассеянного назад излучения для различных сортов растений, корректно описывающее экспериментально наблюдаемое распределение.

Расчетная зависимость коэффициента отражения И от толщины листа (сорта растения) представлена на рисунке 1. Видно, что данная зависимость носит слабонарастающий характер вплоть до значений толщин с! = 500 мкм в ИК-области спектра и до 600 мкм в видимой части спектра. Однако наиболее существенное изменение наблюдается для толщин 100..200 мкм, характерных для двудольных растений (береза, клен и другие). Подобное поведение объясняется тем, что наибольший вклад в интенсивность обратного рассеяния вносит верхние слои паренхимы. Следовательно, для растений с большими характерными толщинами практически весь вклад в обратное рассеяние будет определяться только столбчатой паренхимой, чему соответствует наблюдаемое «насыщение» при толщинах превышающих 600 мкм. Проведенные численные эксперименты для листьев березы (средняя толщина листа 135 мкм) показали, что вариация толщины листа в пределах ±10% дает различие в коэффициенте обратного рассеяния 0,5%, что существенно меньше экспериментальной погрешности измерений.

0 0 200 400 600 4ш[мв00 0 5 5 5 *Са+Ь,мг/г

Рисунок 1 - Зависимость коэффици- Рисунок 2 - Зависимость коэффициента отражения Я от толщины ента обратного рассеяния К от листа концентрации хлорофилла Са+Ь

На рисунке 2 представлена зависимость коэффициента обратного рассеяния К от концентрации хлорофилла Са+Ь, построенная на основании

расчетных спектров. Здесь же представлены собственные экспериментальные данные (сплошная кривая) и данные (крестики) других авторов (М.Н.

Мерзляк, 1999). Видно, что данная зависимость как и в случае приближенного решения (5) носит линейный характер, однако количественные значения коэффициента К имеют существенно большие значения, что связано с корректным учетом в численной модели процессов многократного рассеяния. Расхождения между теоретическими и экспериментальными результатами составляет 1.5% в области малых значений концентраций хлорофилла и не превосходит 10% для предельных концентраций хлорофилла в листе.

1 - источник света (валогеновая лампа), 2- фокусирующая линза, 3- подающее волокно, 4- объект исследования,

5 - приемное волокно &- спектрограф вЯ-ЗОЗ/, 7- цифровая камера АЫООЯ й\/-420А-О Е,

8- компьютер, 9- лазерный источник внешнего оптического воздействия

Рисунок 3 - Экспериментальный стенд

Во втором разделе главы 2 представлены результаты экспериментальных исследований спектральных характеристик растения в течение его биологического цикла в естественных условиях. Исследования проводились с использованием волоконно-оптического стенда, представленного на рисунке 3.

Экспериментальный стенд включал в себя спектрофотометр 8Р-3031 с интегрированной цифровой камерой АЫЭСЖ 0\/-420А-С)Е, источник излучения, приемно-передающую волоконную сборку (диаметр 100 мкм, апертурный угол 35^ и обеспечивал спектральные измерения в диапазоне от 190 нм до 1200 нм с разрешением 0.1 нм и погрешностью 0.02 нм.

Для исключения самовоздействия источника излучения на измеряемые оптические характеристики растения его плотность мощности ограничивалась величиной 1 мВт/см2. Волоконно-оптическая сборка позиционировалась над объектом исследования на высоте 10 мм с погрешностью +0,5 мм. Погрешность выставки угла волоконной сборки относительно нормали к поверхности объекта исследования составляла ±2°. Световой диаметр пятна падающего излучения на поверхности листа при выбранной схеме эксперимента составлял 6 мм. Для исследования флуоресценции источник излучения 1 заменялся полупроводниковым лазером 9 с длиной волны 460 нм и мощностью 1 мВт. Погрешность измерения, определенная по ГОСТ 8.206-76 для 54 листьев взятых с одного и того же растения, составляла 0,82% для коэффициента обратного рассеяния и 1,28% для коэффициента флуоресценции.

Рисунок 4 - Спектральная интенсивность обратного рассеяния (а) и флуоресценции (б) зеленого (сплошная кривая), желтеющего (пунктир) и желтого (штрих-пунктир) листьев сенполии.

Для определения спектральных характеристик и оптических коэффициентов, соответствующих нормальным (естественным) условиям развития была поставлена серия экспериментов с листьями сенполии, березы, пшеницы и ряда других растений. В качестве примера на рисунке 4 представлены спектры обратного рассеяния (а) и флуоресценции (б) листьев сенполии на разных стадиях жизненного цикла. Цифрами над графиками показана суммарная концентрация хлорофиллов Са+ь, определенная биохимическим методом Брагинского (1997). Вклад в пик рассеяния на длине волны 550 нм вносят оба типа хлорофиллов: чем выше амплитуда пика, тем меньше концентрация хлорофиллов Са+ь. На длине волны 750 нм основной вклад вносит ассимиляционная ткань листа (видно, что значение спектральной интенсивности в этой области спектра практически не меняется в течение жизненного цикла растения). Максимумы флуоресценции (рисунок 46) соответствуют длинам волн 684 нм и 740 нм и определяются вкладом хлорофиллов разных типов и спектральным различием поглощения фотосистем 1 и 2.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния атмосферных антропогенных веществ на оптические характеристики растения.

Исследования по установлению функциональных зависимостей дифференциальных коэффициентов (7) от концентрации антропогенных веществ в атмосфере проводилось в натурных условиях на протяжении пяти месяцев вегетации с мая по октябрь 2007 и 2008 годов. В качестве объекта исследования была выбрана береза повислая, которая по данным биологических исследований (В.С.Николаевский, 1997) является одной из наиболее чувствительных древесных культур. Пункты наблюдения (пункты 1-4) обусловлены наличием постов Гидрометеоцентра по исследованию в атмосферном воздухе вредных веществ. Пункт 5 находился в сквере, удаленном от транспортных магистралей, и использовался в качестве контрольного пункта, отражающего естественную календарную тенденцию изменения оптического состояния растений в процессе жизненного цикла в условиях средней полосы России. Все исследования проводились в одно и то же вре-

мя суток. Одновременно с регистрацией оптических характеристик растений в каждом пункте наблюдения контролировались концентрации следующих атмосферных загрязнителей (данные Самарского Гидрометеоцентра): оксид углерода (СО), диоксид серы (БОг), диоксид азота (Ы02), формальдегиды (СН20), пыль. Для каждого эксперимента отбиралось по три контрольных листа с трех разных ярусов трех разных берез в пределах каждого пункта наблюдения.

Рисунок 5 - Зависимости температуры и влажности (а), концентрации СО в атмосфере и нормированных оптических коэффициентов (б) от времени в пределах пункта 3

Для выявления статистического разброса оптических характеристик листьев с растений, расположенных в пределах одного пункта наблюдения, были измерены дифференциальные оптические коэффициенты листьев с 6 берез, расположенных на расстоянии 500м друг от друга по обе стороны от дороги. Погрешность измерений в пределах пункта исследования не превышала 2%.

Установлено, что влияние атмосферных антропогенных загрязнителей на оптические характеристики растения проявляется на двух временных масштабах: быстром (среднесуточном) и медленном (календарном). На рисунке 5 представлены данные по изменению концентрации атмосферных загрязнителей, температуры и влажности климатических условий в пункте 3, а также коэффициента обратного рассеяния К и коэффициента флуоресценции Р, измеренные в период с 15 по 19 июля 2008 года. Зависимость климатических параметров (температура, влажность) и концентрации атмосферных загрязнителей от времени имеет квазигармоничный вид с характерным суточным периодом, что согласуется с интенсивностью выбросов в дневное и ночное время. Видно, что быстрая функциональная зависимость проявляется только для коэффициента обратного рассеяния К в зависимости от концентрации СО, а коэффициент флуоресценции ? остается практически неизменным (рисунок 5).

Характерные корреляции между концентрацией загрязнителей в пунктах наблюдения и значениями коэффициента обратного рассеяния К и дифференциальным коэффициентом ЛгК представлены на рисунке 6.

1,00

0.70

0,50 0,40

, ЭОг......

/ К \чД2К у' /

4 Са+Ь —

V- N02

Пункт 2 Пункт 1 Пункт 3 Пункт 4

Рисунок 6 - Нормированные концентрации атмосферных загрязнителей, коэффициентов К и ДгК для различных пунктов в сентябре

Анализ представленных данных показывает, что, как и следовало ожидать, увеличение значения коэффициента обратного рассеяния К от пункта к пункту сопровождается аналогичным увеличением концентрации хлорофилла Са+ь- Причем эта тенденция обратная тенденции изменения концентраций СО и N02, т.е. увеличению К соответствует уменьшение концентраций загрязнителей и наоборот. Корреляций между значениями оптического коэффициента и концентрацией

вОг не обнаружено. Напротив, изменение дифференциального коэффициента ДгК отражает характер изменения как СО, так и N02 (основных компонент выбросов автомобильных двигателей), что подтверждает правильность введения данного коэффициента как характеристики, выражающей воздействие антропогенных факторов на растение. Следует подчеркнуть, что данный коэффициент отражает интегрированное воздействие данных загрязнителей и имеет нелинейный параметрический характер.

Графики изменения коэффициентов обратного рассеяния К и флуоресценции Р, а также дифференциальных коэффициентов (7) ДгК и для пункта 1 в течение жизненного цикла растения представлены на рисунке 7. Здесь же приведена расчетная кривая (пунктир) коэффициента обратного рассеяния Км полученная с помощью математической модели. Видно, хорошее согласие теоретических и экспериментальных значений.

1,1" 10,90,80,7 0,6 0,5 0,4

"¡/"Ч. Л2К

со \\ —•

V к А

Км

а)

май СО

июнь -— К

июль ---Км

август сентябрь — ДгК

Рисунок 7 - Изменения коэффициента обратного рассеяния К, дифференциального коэффициента АгК и концентрации СО (а), изменения коэффициентов флюоресценции Р и ДгР, отношений концентраций хло-рофиллов Са/СЬ и концентрации N02 (б) в пункте наблюдения 1

Видно, что в отличие от коэффициента обратного рассеяния К коэффициент флуоресценции Р пропорционален изменению отношения концентраций хлорофиллов а и Ь. Это является следствием того факта, что основной вклад во флуоресценцию вносит фотосистема II. Отмечается сла-бовыраженная обратная корреляция между коэффициентом флуоресценции и изменением концентрации N02, сказывается «демпфирующее» и накопительное действие репродукционного механизма растения. Функциональная

зависимость дифференциального коэффициента обратного рассеяния ДгК от времени качественно совпадает с аналогичной зависимостью для загрязнителя СО.

На рисунке 8 представлена зависимость коэффициента обратного рассеяния К от суммарной концентрации хлорофилла Са+ь. Экспериментально измеренные значения отмечены точками. Видно, что в отличие от линейной зависимости, характерной для растения в отсутствии внешней антропогенной нагрузки, данная функциональная связь является полиномиальной с нелинейностью, имеющей характер малого возмущения.

В целом можно утверждать, что введенные дифференциальные коэффициенты описывают многофакторную интегрированную зависимость оптических характеристик растений от уровня загрязнения окружающей среды.

Установленные параметрические функциональные связи между значениями коэффициентов обратного рассеяния и флуоресценции и концентрацией атмосферных загрязнителей позволяют применить оптический метод контроля состояния растений для экологического картографирования территорий городов, который был апробирован на примере города Самары. Гистограмма изменения оптических коэффициентов и концентрации загрязнителей в исследованных районах города Самары (рисунок 9) ясно показывает обратную тенденцию в изменение оптических характеристик растения и концентрации антропогенных веществ в атмосфере - повышение коэффициента К соответствует интегральному уменьшению концентрации загрязнителей и наоборот.

Са+Ь,МГ/Г

Рисунок 8 - Зависимость коэффициента обратного рассеяния К от концентрации хлорофиллов Са+Ь

Рисунок 9 - Экологическое картографирование города Самары

В четвертой главе представлены результаты исследований по влиянию минерального питания на изменение оптических характеристик растений и определению изменения оптических характеристик различных сельскохозяйственных растений в полевых условиях.

Для получения качественной сельскохозяйственной продукции необходимо контролировать жизненный цикл растений, предотвращая замедляющие рост факторы. Традиционно для стимуляции роста растений используются минеральные удобрения, среднестатистическая количествен ная доза которых определяется экспериментальным путем. Учитывая, что основным биологическим параметром, выражающим темпы роста, является концентрация хлорофилла и установленную высокую чувствительность исследуемых оптических методов к ее изменению, можно предположить, что оптические методы могут быть основой критериев оптимизации минерального питания растений. А возможность дистанционного применения оптических методов на больших площадях делает данный подход технологически привлекательным.

Лабораторные исследования проводились гидропонным методом для трех видов сельскохозяйственных структур: овес, озимая пшеница и горох. Для каждого вида растений использовались 3 питательные среды: аммиачное удобрение (азот), марганцевые соли и комплексное удобрение с микро и макро элементами «Радуга». В качестве контрольной среды использовалась дистиллированная вода. Экспериментально установлена параметрическая связь дифференциального коэффициента обратного рассеяния Д1К с основными биологическими параметрами (рост) растения в условиях различного минерального питания (рисунок 10). Видно, что применение азотного удобрения приводит к наибольшему изменению коэффициента обратного рассеяния при той же высоте растения. Наихудшие показатели имеет удобрение «Радуга». Последнее объясняется тем обстоятельством, что азот и марганец входят в структурную формулу хлорофилла, и таким образом, оказывают стимулирующее действие на содержание хлорофилла в листовой пластине, приводя к увеличению коэффициента поглощения.

шсо

ВСа+Ь В8К

И N02*30

Л,К .....................

2 • ,,13

1.8 ■

1,6 лг

1,< 1,2 Л'' .л

0,8

Приведенные зависимости (рисунок 10) носят нелинейный характер для малых значений Ц сменяющейся квазилинейной зависимостью. Такой характер, по-видимому, связан с тем обстоятельством, что малые значения прироста высоты соответствуют начальной стадии внесении удобрений, на которой растение испытывает стресс за счет изменения внешних условий.

Последующая адаптация растения к стрессу сопровождается ускорением роста концентрации хлорофилла в листе, а, значит, и дифференциального коэффициента обратного рассеяния.

Наряду с гидропонными лабораторными исследованиями в Пестравском районе Самарской области были проведены натурные полевые исследования жизненного цикла таких сельскохозяйственных культур как кукуруза, подсолнечник, озимая пшеница, овес. Все исследования проводились с началом появления невысоких саженцев, т.е. с началом жизненного периода в мае месяце. Листья отбирались с 4 различных полей, с трех различных саженцев, расположенных на расстоянии 2 м друг от друга.

1.05 ■

и см

Рисунок 10 - Зависимость дифференциального коэффициента обратного рассеяния Д1К от высоты побегов овса при внесении различных удобрений: 1 - «Радуга», 2- «Магний», 3- «Азот»

май июнь июль август

—Са+Ь —К -—Км

июнь июль

—Са/СЬ —- Р

а)

б)

Рисунок 11 - Коэффициент обратного рассеяния К (эксперимент) и К„ (математическая модель), концентрация хлорофилла Са*ь (а), коэффициент флуоресценции Р и отношение концентраций хлорофиллов Са/Сь (6)

для кукурузы

На рисунке 11 представлены характерные зависимости коэффициентов обратного рассеяния, флуоресценции, и концентрации хлорофиллов от времени.

Видно, что для кукурузы плавное увеличение коэффициента обратного рассеяния К сменяет в июне спадом вплоть до августа, когда начинается стадия плодоношения. Таким образом, для данного угодья июнь является наиболее уязвимым периодом, связанным с деградацией хлорофиллов в

растении, и, следовательно, именно в этот период требуется внесение удобрения для повышения эффективности и повышения урожайности.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Развита и численно реализована с помощью программы ТгасеРго математическая модель взаимодействия оптического излучения с растительной тканью, представленной в виде сплошной многослойной многократно рассеивающей среды с учетом спектральных характеристик основных светопоглощающих пигментов. Показано, что модель описывает экспериментально наблюдаемые спектральные зависимости интенсивности обратного рассеяния от концентрации хлорофилла с погрешностью не превосходящей 10%.

2. Введены дифференциальные коэффициенты, определенные как отношения коэффициентов обратного рассеяния на длинах волн 750 нм и 550 нм и флуоресценции на длинах волн 740 нм и 684 нм к их значениям в отсутствии загрязнителей (минерального питания), с помощью которых получены зависимости оптических характеристик растений от концентрации внешних загрязнителей.

3. Получены экспериментальные зависимости между оптическим дифференциальным коэффициентом и интегральной величиной суммарной концентрации антропогенных веществ, характерных для выхлопов двигателей внутреннего сгорания (СО, NO2, SO2). Показано, что наибольшее влияние на оптические характеристики растения оказывает оксид углерода.

4. Предложен оптический метод экологического картографирования территорий городов, использующий установленные функциональные зависимости дифференциальных оптических коэффициентов от концентрации атмосферных загрязнителей, который апробирован на примере города Самара.

5. Экспериментально установлена параметрическая связь коэффициента обратного рассеяния с основными биологическими параметрами растения в условиях различного минерального питания (азотистых, марганцевых и комплексных удобрений).

Основные публикации по теш диссертации:

1. Vorobjeva, E.V. Alteration of vegetable tissue optical properties in a low level laser field [Текст] / E.V. Vorobjeva, V.V. Yakutkin, V.P. Zakharov // International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics and Biophysics - Saratov Fall Meeting 2003, October 7-10, 2003, Saratov, Russia

2. Воробьева, E.B. Экспериментальные исследования воздействия оптических полей малой интенсивности на живые и растительные ткани [Текст] / Е.В. Воробьева, В.П. Захаров, Р.В. Козлов, С.П. Котова, П.Е. Тимченко, C.B. Яковлева, В.В. Якуткин // Тезисы докладов 1-й Троицкой конференции по медицинской физике (19-21 мая 2004, Троицк). - 2004. - С. 62.

3. Воробьева, Е.В. Взаимодействие низкоинтенсивного лазерного излучения с растительной тканью [Текст] / Е.В. Воробьева, В.П. Захаров, Р.В. Козлов, С.П. Котова, С.Н. Митягин, П.Е. Тимченко, В.В. Якуткин // Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы», тез. докладов и сообщений III Международной научно-технической конфе-

ренции (6-12 сентября 2004, Волгоград). - 2004. - С. 406.

4. Voróbjeva, E.V. Low level laser field integration with plant tissue [Текст] / E.V. Vorobjeva, R.V. Kozlov, P.E. Timchenko II International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics and Biophysics - Saratov Fall Meeting 2004, September 21-24,2004, Saratov, Russia.

5. Воробьева, E.B. Взаимодействие низкоинтенсивного лазерного излучения с растительной тканью [Текст] / Е.В. Воробьева, В.П. Захаров, Р.В. Козлов, С.П. Котова, С.Н. Митягин, П.Е. Тимченко, В.В. Якуткин // Сборник статей Второго Самарского регионального конкурса-конференции научного работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике, -2004. - С. 86-90.

6.Воробьева, Е.В. Сравнительный спектральный анализ обратного рассеяния излучения растительной и живой тканью [Текст] / Е.В. Воробьева, В.П. Захаров, Р.В. Козлов, С.П. Котова, П.Е. Тимченко, В.В. Якуткин II Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2005. - Т. 8. - № 3. - С. 69-74.

7.Воробьева, Е.В. Сравнительный спектральный анализ обратного рассеянного излучения растительной и живой тканью [Текст] I Е.В. Воробьева, В.П. Захаров, Р.В. Козлов, С.П. Котова, П.Е. Тимченко, В.В. Якуткин // Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы», тезисы докладов и сообщений, IV Международная научно-техническая конференция, 3-9 октября г. Нижний-Новгород, - 2005. - С. 288.

В.Воробьева, Е.В. Исследование кинетики оптических характеристик растительной ткани методом дифференциального обратного рассеяния (Текст] / Е.В. Воробьева, В.П. Захаров, Р.В. Козлов, С.П. Котова, П.Е. Тимченко, В.В. Якуткин II Альманах клинической медицины. T.XII. II Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине» (тезисы докладов, 16-19 мая). - М: МОНИКИ, 2006. - С. 16.

Э.Воробьева, Е.В. Спектральный анализ кинетики оптических характеристик растительной ткани в поле низкоинтенсивного лазерного излучения [Текст] / Е.В. Воробьева, В.П. Захаров, Р.В. Козлов, С.П. Котова, А.Р. Син-дяева, П.Е. Тимченко, В.В. Якуткин // тезисы докладов и сообщений Международной конференции «Лазеры, Измерения, Информация - 2006» (79 июня 2006, г. Санкт - Петербург). - 2006. - С. 84-85.

Ю.Воробьева, Е.В. Спектральный анализ кинетики оптических характеристик растительной ткани в поле низкоинтенсивного оптического излучения [Текст] / Е.В. Воробьева, В.П. Захаров, Р.В. Козлов, П.Е. Тимченко II Сборник статей всероссийского семинара по моделированию, дифракционной оптике и обработке изображений. (Самара, 20-22 июня 2006). - 2006. - С. 67-70.

11. Vorobjeva, E.V Spectral kinetics of plant tissue [Текст] / E.V Vorobjeva, V.P. Zakharov, S.P. Kotova, P.E. Timchenko, I.A. Bratchenko II International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics and Biophysics - Saratov Fall Meeting 2006, Seprember 26-29, 2006, Saratov.

12. Воробьева, Е.В. Математическое моделирование оптических характеристик растительной ткани [Текст] / Е.В. Воробьева, И.А. Братченко, Е.В., В.П. Захаров, П.Е. Тимченко, С.П. Котова II Сборник конкурсных докладов IV Самарского регионального конкурса-конференции научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике (22-24 ноября

2006, Самара). - 2006. - С. 200-210.

13. Vorobjeva, E.V. Experimental researches of optical characteristics of the plant tissue (Текст] / E.V. Vorobjeva, V.P. Zakharov, P.E. Timchenko, S.P.Kotova, V.V.Yakutkin II LALS, International Laser Center and Faculty of Physics M.V.Lomonosov Moscow State University Moscow, - 2007. - p.57.

14. Vorobjeva, E.V. Experimental investigation of kinetics spectral characteristics [Текст] / E.V. Vorobjeva, V.P. Zakharov, S.P. Kotova, P.E. Timchenko // Proc. 15th International Conference on Advanced Laser Technologies (September 3 - 7

2007, Levi, Finland). - 2007. - P. 120.

15. Vorobjeva, E.V. Spectral kinetics of plant tissue [Текст] / E.V. Vorobjeva, V.P. Zakharov, S.P. Kotova, P.E. Timchenko, I.A. Bratchenko // SPIE Proceedings. - 2007. - V. 6535.

16.Воробьева, E.B. Экспериментальные исследования и математическое моделирование оптических характеристик растительной ткани [Текст] / Е.В. Воробьева, И.А Братченко, В.П.Захаров, П.Е Тимченко, С.П.Котова // Известия СНЦ РАН. - 2007. - Т. 9. - № 3. - С. 620-625.

17.Тимченко, Е.В. Экспериментальные исследования кинетики спектральных характеристик растительной ткани [Текст] / Е.В. Тимченко, В.П. Захаров, С.П. Котова, П.Е. Тимченко, Р.В. Козлов // тезисы докладов 15-ой Международной Конференции "Высокие Технологии В Медицине, Биологии И Геоэкологии - 2007" (10-14 сентября 2007, п. Абрау-Дюрсо, Краснодарский край), - 2007. - С. 32.

18.Тимченко, Е.В. Исследования динамики оптических параметров растительной ткани [Текст] / Е.В. Тимченко, В.П. Захаров, С.П. Котова, П.Е. Тимченко // Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы», тезисы докладов и сообщений, VI Международная научно-техническая конференция (17-23 сентября, г. Казань). 2007. - С. 443444.

19. Timchenko, E.V. Experimental investigation of kinetics spectral characteristics of a plant tissue [Текст] / E.V. Timchenko, V.P. Zakharov, S.P. Kotova, P.E. Timchenko // SPIE Proceedings. - 2007. V. 6734

20. Воробьева, Е.В. Экологический мониторинг города на основе метода дифференциального обратного рассеяния излучения древесной культурой [Текст] / Е.В. Тимченко, В.П. Захаров, О.Н. Макурина, П.Е. Тимченко, С.П. Котова И Труды XVI Международной конференции (п. Абрау-Дюрсо, г. Новороссийск, Краснодарский край, 8-12 сентября 2008). - 2008. - С. 87.

21. Timchenko, E.V. Ecological monitoring of arboreal vegetation with the help of physical and chemical methods of research [Текст] / E.V. Timchenko, V.P. Zakharov, P.E. Timchenko, S.P. Kotova, O.N. Makurina, R.V. Kozlov // Труды конференции Topical Meeting on Optoinformatics '2008. - СПб.: СПбГУ ИТМО, -

2008,-С. 142.

22. Тимченко, Е.В. Экологический мониторинг древесной растительности с помощью оптических и химических методов исследования [Текст] / В.П. Захаров, Е.В.Тимченко, П.Е.Тимченко, С.П. Котова // тезисы докладов и сообщений Международной конференции «Лазеры, Измерения, Информация - 2008» (3-5 июня 2008, г. Санкт - Петербург). - 2008.

23. Тимченко, Е.В. Экологический мониторинг города на основе метода дифференциального обратного рассеяния излучения древесной культурой

[Текст] / Е.В. Тимченко, В.П. Захаров, О.Н. Макурина, П.Е. Тимченко, С.П. Ко-това // Приложение к журналу «Физика волновых процессов и радиотехнические системы», тезисы докладов и сообщений VI Международной научно-технической конференции (15-21 сентября 2008, Самара). - 2008.

24.Тимченко, Е.В. Экологический мониторинг города Самары с помощью метода дифференциального обратного рассеяния / Е.В.Тимченко, В.П. Захаров, О.Н. Макурина, П.Е.Тимченко, С.П. Котова, Р.В. Валиуллов // Вестник СГАУ - Самара, Изд-во СГАУ. - 2008. - № 2(15).

25.Тимченко, Е.В. Моделирование влияния покровных тканей растения на характеристики рассеянного обратного излучения [Текст] / Е.В. Тимченко, В.П. Захаров, И.А. Братченко // Вестник СГАУ. - 2008. - № 2(15).

26. Timchenko, E.V. Ecological Monitoring Of Megapolis On The Basis Of Differential Backscattering Control Of Leave Wood Culture [Текст] / E.V Timchenko, V.P.Zakharov, O.N.Makurina, P.E.Timchenko, S.P.Kotova II Proc. International conference advanced laser technology (ALT08), September 13-18 2008, Hungary. - 2008. - p. 88.

Подписано в печать 11.03.09. Тираж 100 экземпляров. Отпечатано с готового оригинал-макета. 443086 Самара, Московское шоссе, 34.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Тимченко, Елена Владимировна

Введение.

Глава 1 Оптические характеристики растений.

1.1 Строение растения и оптические методы контроля его состояния.

1.2 Математическое описание процессов рассеяния излучения в растительной ткани.

1.2.1 Уравнение переноса излучения для растительной ткани.

1.2.2 Оценка коэффициентов обратного рассеяния и флуоресценции.

1.3 Изменение оптических характеристик при внешнем воздействии.

Выводы:.

Глава 2 Экспериментальные исследования и математическое моделирование оптических характеристик растительной ткани.

2.1 Математическая модель растительной ткани.

2.1.1 Оптическая модель растительной ткани.

2.1.2 Численная реализация математической модели.

2.1.3 Результаты моделирования.

2.2 Экспериментальная установка.

2.2.1 Определение мощности источника излучения.

2.2.2 Определение погрешности.

2.3 Экспериментальные исследования оптических характеристик растительной ткани при нормальном развитии.

Выводы.

Глава 3 Влияние антропогенных факторов на оптические характеристики растения

3.1 Функциональная зависимость оптических коэффициентов от концентрации антропогенных веществ.

3.2 Картографирование городских территорий с помощью оптических методов контроля состояния растений.

Выводы.

Глава 4. Влияние минерального питания на оптические характеристики растений

4.1. Лабораторные исследования.

4.2 Натурные исследования.

Выводы:.

Введение диссертация по физике, на тему "Дифференциальные оптические методы контроля состояния растений"

Одним из бурно развивающихся направлений современной оптики является биооптика и, в частности, оптика растительных сред [1-2]. Интерес к данному направлению связан как с возможностью получения целостной информации о состоянии всей биологической системы по ее оптическим характеристикам и кинетике их изменения, так и с возможностью применения оптических методов для дистанционного контроля, учета и оптимизации производства сельскохозяйственной продукции [3]. Наиболее широко применяемыми в настоящее время оптическими методами контроля состояния растительности являются метод обратного рассеяния [1,4], метод комбинационного рассеяния [5], абсорбционный метод [6] и флуоресцентный анализ [7,8]. Фактически метод обратного рассеяния, также как и абсорбционный метод, использует различия в спектрах поглощения различных химических компонент растительной ткани. Однако, в отличие от последнего, он позволяет осуществлять дистанционные измерения. М.Н. Мерзляком и А.Гительсоном [1], В.В.Козодеровым [4], Дж.Роузом [9] и рядом других авторов были введены оптические коэффициенты (вегетационные индексы), использующие различия в интенсивностях обратного рассеяния в видимой и инфракрасной областях спектра для определения концентрации хлорофилла. Применение данных коэффициентов хорошо зарекомендовало себя для оценки общего объема зеленой биомассы по данным дистанционного зондирования Земли из космоса.

Более детальная информация может быть получена с помощью флуоресцентного анализа, прежде всего модуляционной флуорометрии [8]. Однако данный метод анализа применим только в лабораторных условиях. Для дистанционного флуоресцентного анализа используют отношение длинноволнового и коротковолнового пиков интенсивностей флуоресценции [7], наличие которых обусловлено различием в спектральных свойствах хлорофиллов а и Ь, а также фотосистем 1 и 2.

В условиях городской среды растения подвергаются воздействию антропогенных факторов, причем наибольшую нагрузку оказывают окиси углерода, азота, серы, которые являются основными химическими компонентами выхлопов двигателей внутреннего сгорания, выбросы которых составляют более 65% от общего объема валовых выбросов [10]. Атмосферные антропогенные вещества оказывают комбинированное многофакторпое воздействие, которое может приводить к существенной экологической нагрузке на биологические объекты даже при соблюдении норм по каждому отдельно взятому загрязнителю. Учитывая, что листья растений являются наиболее чувствительными к действию атмосферных загрязнителей, древесные культуры [11] могут быть использованы как «живые датчики» экологического состояния биосферы, а их оптические характеристики служить количественной мерой состояния окружающей среды.

В связи с этим одной из актуальных проблем является разработка и развитие оптических методов контроля состояния растений в условиях внешних воздействий, что и является целью диссертационной работы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- Определить корреляцию оптических и биофизических параметров основных сельскохозяйственных культур при активном внешнем воздействии (внесение удобрений) в различные периоды вегетации.

Методы исследования:

Для решения поставленных задач был использован комплексный подход, сочетающий в себе математическое моделирование взаимодействия оптического излучения с растительной тканью, экспериментально реализованные отические методы контроля - обратного рассеяния и флуоресценции, а также биохимические методы анализа природных пигментов.

Научная новизиа работы:

2. Введены дифференциальные коэффициенты, определенные как отношения коэффициентов обратного рассеяния на длинах волн 750 нм и 550 нм и флуоресценции на длинах волн 740 нм и 684 нм к их значениям в отсутствии загрязнителей, позволяющие выделить зависимость оптических характеристик растений от концентрации внешних I 4 загрязнителей на фоне их естественного изменения за счет старения и влияния климатических условий.

3. Экспериментально установлена функциональная связь между дифференциальными оптическими коэффициентами и интегральной величиной суммарной концентрации I антропогенных веществ.

Практическая ценность работы:

1. Установленные функциональные зависимости изменения коэффициентов обратного рассеяния и флуоресценции от кЪнцентрации антропогенных веществ в окружающей атмосфере позволили предложить оптический метод экологического картографирования территории города.

На защиту выносятся:

Достоверность результатов диссертационной работы:

Апробация работы:

Результаты работы обсуждались на семинарах Самарского филиала Физического института академии наук имени П.Н. Лебедева (СФ ФИАН) и докладывались на 15-ти международных, 2-х всероссийских и 2-х региональных конференциях: «Saratov Fall Meeting 2003» (г.Саратов, 2003 г.), «Saratov Fall Meeting 2004» (г. Саратов 2004 г.); IV Международная научно-техническая конференция «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» (г. Волгоград, 2005 г.); Международная конференция «ЛАЗЕРЫ, ИЗМЕРЕНИЯ, ИНФОРМАЦИЯ - 2006» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.); «Saratov Fall Meeting 2006» (г. Саратов, 2006 г.); «International Laser Center and Faculty of Physics M.V.Lomonosov Moscow State University Moscow 2007» (LALS) (г. Москва, 2007 г.); «15th International Conference on Advanced Laser Technologies» (Finland, Levi, 2007); 15-ая Международная конференция «Высокие технологии в медицине, биологии и геоэкологии — 2007» (г. Новороссийск, 2007 г.); VI Международная научно-техническая конференция «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» (г. Казань, 2007); XVI Международная конференция «Высокие технологии в медицине, биологии и геоэкологии — 2008» (г. Новороссийск, 2008); «Topical Meeting on Optoinformatics '08» (Санкт-Петербург, 2008г.); Международная конференция «ЛАЗЕРЫ, ИЗМЕРЕНИЯ, ИНФОРМАЦИЯ - 2008» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); VII Международная научно-техническая конференция «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» (г. Самара, 2008 г.); «International conference advanced laser technology» (ALT,08) (September 13-18, 2008 г., Hungary); «1-я Троицкая конференция по медицинской физике 2004» (г. Троицк, 2004 г.), II Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине» (г. Троицк, 2006 г.); «Второй Самарский региональный конкурс-конференция научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике» (Самара, 2004 г.); «Третий Самарский региональный конкурс - конференции научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике» (Самара, 2005 г.); «Четвертый Самарский региональный конкурс - конференция научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике» (Самара, 2006 г.).

Объем и структура диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, и изложена на 117 страницах. Работа содержит 11 таблиц и 57 рисунков. Список цитируемой литературы включает 218 наименований.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Выводы:

Экспериментально установлена параметрическая связь коэффициента обратного рассеяния с основными биологическими параметрами (рост) растения в условиях различного минерального питания (азотистых, марганцевых и комплексных удобрений).

Показано, что дифференциальные оптические методы обеспечивают контроль интенсивности накопления хлорофилла на ранних этапах развития растений и скорости его разрушения в репродуктивный период.

Для четырех типов сельскохозяйственных культур (кукуруза, подсолнух, овес и озимая пшеница) в полевых условиях экспериментально определен характер изменения дифференциальных оптических коэффициентов в течение всего репродукционного жизненного цикла растений и установлена их связь с изменением концентрации хлорофиллов в листе. Полученные данные позволяют определить период, характеризующий начало деградации хлорофиллов в листе, и, как следствие, определить календарный период, оптимальный для внесения удобрения.

Заключение

По результатам исследований получены следующие выводы:

2. Введены дифференциальные коэффициенты, определенные как отношения коэффициентов обратного рассеяния на длинах волн 750 нм и 550 нм и флуоресценции на длинах волн 740 нм и 684 нм к их значениям в отсутствии загрязнителей (минерального питания), с помощью которых получены зависимости оптических характеристик растений от концентрации внешних загрязнителей.

3. Получены экспериментальные зависимости между оптическим дифференциальным коэффициентом и интегральной величиной суммарной концентрации антропогенных веществ, характерных для выхлопов двигателей внутреннего сгорания (СО, NO2, S02). Показано, что наибольшее влияние на оптические характеристики растения оказывает оксид углерода.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Тимченко, Елена Владимировна, Самара

1. Merzlyak, M.N. Non-destructive optical detection of leaf senescence and fruit ripening Текст. / M.N. Merzlyak, A.A. Gitelson, O.B. Chivkunova, V.Y. Rakitin // Physiol Plant. 1999. -№ 106.-P. 135-141.

2. Gopal, R. Laser-induced chlorophyll fluorescence spectra of mung plants growing under nickel stress Текст. / R. Gopal, К. B. Mishra, M. Zeeshan, S. M. Prasad, M. M. Joshi // Current Science. 2002. - V. 83. - № 7. - P. 880-884.

3. Saito, Y. Investigation of laser-induced fluorescence of several leaves for application to lidar vegetation monitoring Текст. / Y. Saito, M. Kanoh, K. Hatake, T.D. Kawahara, A. Nomura// Appl. Opt. 1998. - V. 37. - P. 431-437.

4. Козодеров, В.В. Особенности реализации моделей оценки фитомассы растительности по наблюдениям из космоса Текст. / В.В. Козодеров // Исследование Земли из космоса, 2006. - № 2. - С. 79-88.

5. Кери, П.Р. Применение спектроскопии КР и РКР в биохимии Текст. / П.Р. Кери. -М: Мир, 1985

6. Arsar, G. Estimating absorbed photosynthetic radiation and leaf area index from spectral reflectance in wheat Текст. / G. Arsar, M. Fuchs, E.T. Kanemasu, J.L. Hatfield // Agron. J. 1984. - № 76. - P. 211-220.

7. Шульгина, Jl.A. Индуцированная лазером флуоресценция древесной растительности Текст. / Л.А. Шульгина, Н.Л. Фатеева // Известия высших учебных заведений. Физика (Приложение), 2005. № 6. - С. 151-152.

8. Papageorgiou, G. С. Chlorophyll a Fluorescence: A Signature of Photosynthesis / G. С. Papageorgiou; Eds. // Series: Advances in Photosynthesis and Respiration. 2006. V. 19. -p. 820.

9. Rouse, J. W. Monitoring the vernal advancements and retrogradation of natural vegetation Текст. / J. W. Rouse, R.W. Haas, J. A. Schell, D. W. Deering, J. C. Harlan // NASA/GSFC Final Report. 1974. - P. 1-137.

10. Бронштейн, Д.Л. Современные средства измерения загрязнения атмосферы Текст. / Д.Л. Бронштейн, Н.Н. Александров. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 340 с.

11. И. Сергейчик, С.А. Древесные растения и оптимизация промышленной среды Текст. / С.А. Сергейчик. Минск: Наука и техника, 1984. - 168 с.

12. Полевой, В.В. Физиология растений Текст.: Учеб. для вузов / В.В. Полевой. М.: Высш. шк., 1989. - 464 с.

13. Ничипорович, А.А. Фотосинтетическая деятельность растений и пути повышения их продуктивности Текст. / А.А. Ничипорович // Теоретические основы фотосинтетической продуктивности. М.: Наука, 1972. С. 511.

14. Чиков, В.И. Фотосинтез и транспорт ассимиляторов Текст. / В.И. Чиков. -М.: Наука, 1987. 188 с.

15. Скулачев, В.П. Энергетика биологических мембран Текст. / В.П. Скулачев. -М.: Наука, 1989. 564 с.

16. Соловченко, А.Е. Экранирование видимого и УФ излучения как механизм фотозащиты у растений Текст. / А.Е. Соловченко, М.Н. Мерзляк // Физиология растений. 2008. - Т. 55. - № 6. - С. 803-822.

17. Jansson, S. The light-harvesting chlorophyll ab binding protein Текст. / S. Jansson // Biochim. Biophys. Acta. 1994. - V. 1184. - P. 1-19.

18. Demmig-Adams, B. Capacity for energy dissipation in the pigment bed in leaves with different xanthophylls cycle pools Текст. / В. Demmig-Adams, W.W. Adams // Aust. J. Plant Physiol. 1994. - V. 21. - P. 575-588.

19. Tumino, G. Fluorescence Lifetime Spectrum of the Plant Photosystem II Текст. / G. Tumino, A.P. Casazza, E. Engelmann, F.M. Garlaschi, G. Zucchelli, R.C. Jennings // Biochemistry. 2008. - V. 47(39). - P. 10449-10457.

20. Genty, B. Non-photochemical quenching of Fo in leaves is emission wavelength dependence: concequences of quenching analysis and its interpretation Текст. / В. Genty, J. Wonders, N.R. Baker// Photosyn. Res. 1990. - V. 26. - P. 133-139.

21. Hagenbach, E. Untersuchungen fiber die optischen Eigenschaften des Blattgrfins Текст. / E. Hagenbach // Ann. Phys. u. Chem. 1870. - № 121. - P. 245.

22. Hagenbach, E. Versuche fiber Fluorescenz Текст. / E. Hagenbach // Annal. Phys. Chem., Jubelbd. 1874. - P. 303-313.

23. Lubimenko, V. Les pigments des plastes et leur transformation clans les tissus vivants de la plante. 1. Les pigments des chloroplastes Текст. / V. Lubimenko // Rev. gen. bot. -1927.-№39.-P. 547.

24. Meyer, K.P. Spektrometrische Untersuchungen fiber den Zustand des Chlorophylls in der Pflanze, in Extrakten und Reinpraparaten Текст. / K.P. Meyer // Heir. Phys. Acta, 1939. -№ 12. P. 349.

25. Smith, E.L. Chlorophyll as the prosthetic group of a protein in the green leaf Текст. / E.L. Smith // Science. 1940. - V. 91. - № 2356. - P. 199-200.

26. Baker, N.R. Applications of chlorophyll fluorescence can improve crop production strategies: an examination of future possibilities Текст. / N.R. Baker, E. Rosenqvist // Journal1 of Experimental Botany. 2004. - V. 55. - № 403. - P. 1607-1621.

27. Мерзляк, М.Н. Спектры отражения листьев и плодов при нормальном развитии, старении и стрессе Текст. / М.Н. Мерзляк М.Н. // Физиология растений. 1997. -Т. 44.-№5.-С. 707-716.

28. Rock, B.N. Comparison of in situ and airborne spectral measurements of the blue shift associated with forest decline Текст. / B.N. Rock, T. Hoshizaki, J.R. Miller // Remote Sens. Environ. 1988. - V. 24. - P. 109-127.

29. Hankamer, B. Structure and membrane organizaion of photosystem II in green plants Текст. / В. Hankamer, J. Barber, E.J. Boekema // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1997.-№48.-P. 641-671.

30. Green, B.R. The chlorophyll-carotenoid proteins of oxygenic photsynthesis Текст. / B.R. Green, D.G. Durnford // Annu. Rev. Plant Phsiol. Plant Mol. Biol. 1996. - № 47. -P. 685-714.

31. Tanaka, A. Chlorophyll a oxygenase (CAO) is involved in chlorophyll b formation from chlorophyll а. Текст. / A. Tanaka, H. Ito, R. Tanaka, N. K. Tanaka, K. Yoshida, K. Okada // Proc Natl Acad Sci USA. 1995. № 95. P. 12719-12723.

32. Ito, H. Conversion of chlorophyll b to chlorophyll a via 7-hydroxymethyl chlorophyll'Текст. / H. Ito, T. Ohtsuka, A. Tanaka // J Biol Chem. 1996. - № 271. - P. 14751479.

33. Scheumann, V. Chlorophyll a formation in the chlorophyll b reductase reaction requires reduced ferredoxin Текст. / V. Scheumann, S. Schoch, W. Ruediger // J Biol Chem. 1998. -№ 273. P. 35102-35108.

34. Oster, U. Cloning and functional expression of the gene encoding the key enzyme for chlorophyll b biosynthesis (CAO) from Arabidopsis thaliana Текст. / U. Oster, R. Tanaka, A. Tanaka, W. Rudiger // Plant J. 2000. - № 21. - P. 305.

35. Pace, C.N. How to measure and predict the molar absorption coefficient of a protein Текст. / C.N. Pace, F. Vajdos, L. Fee, G. Grimsley, Th. Gray // Prorein Science. 1995. - № 4. - P. 2411-2423.

36. Приезжев, A.B. Лазерная диагностика в биологии и медицине Текст. / А.В. Приезжев, В.В. Тучин, Л.П. Шубочкин. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1989. - 240 с.j

37. Бабко, A.K. Фотометрический анализ. Общие сведения и аппаратура Текст. / А.К. Бабко, А.Т. Пилипенко. М.: Высшая школа, 1968, - 295 с.

38. Физико-химические методы анализа: практическое руководство. Изд. 2 Текст. / Под ред. В.Б. Алесковского, К.Б. Яцимирского. JL: Химия, 1971. - 256 с.

39. Velikova, V. Changes in prompt chlorophyll fluorescence and oxygen evolution after bean plant treatment with artificial acid rain Текст. / V. Velikova, I. Yordanov // Bulg. J. Plant Physiol., 1996. № 22(3-4). - P. 14-24.

40. Paul, F. Daley Chlorophyll fluorescence analysis and imaging in plant stress and disease Текст. / F. Paul // Canadian Journal of Plant Pathology. 1995. - № 17. - P. 167-173.

41. Babani, F. UV-A induced fluorescence images in sun and shade leaves Текст. / F. Babani, G. Langsdorf, M. Knapp, C. Buschmann, H. K. Lichtenthaler // Plant Biology. 2005. -№ 5. - P. S3

42. Braginsky, L.P. Problems of analytic chemistry Текст. / L.P. Braginsky // Science, M., 1997. - p. 27-38.

43. Шлык, A.A. Определение хлорофиллов и каротиноидов в экстрактах зеленых листьев Текст. / А.А. Шлык // Биохимические методы в физиологии растений. М.: Наука, 1971.-С. 154-171.

44. Лопатин, В.Н. Биофизические методы оценки состояния водных экосистем (теория, аппаратура, методы, исследования) Текст. / В.Н. Лопатин, А.Д. Апонасенко, Л.А. Щур. Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской академии наук, 2000. - 360 с.

45. Радиационные характеристики атмосферы и земной поверхности Текст. / Под ред. К.Я. Кондратьева. Л.: Гидрометиоиздат, 1969. - 152с.

46. Сухих, В.И. Дистанционные методы в лесном хозяйстве и охране природы Текст. / В.И. Сухих // Лесное хозяйство. 1979. - № 3. - С. 41-45.

47. Исследование оптических свойств природных объектов и их автофотографического изображения Текст.: Сб.статей. Л.: Наука, 1970. - 238 с.

48. Cunther, K.P. Remote sensing vegetation status by laser induced fluorescence Текст. / K.P. Cunther, H.-G. Dahn, W. Ludeker // Remote Sens. Environ. 1994. - V. 47. - P. 10-17.

49. Saito, Y. Development and performance characteristics of laser-induced fluorescence imaging lidar for forestry applications Текст. / Y. Saito, R. Saito, T.D. Kawahara, A. Normura // Forest Ecology and Management. 2000. - V. 128. - P. 129-137.

50. Козодеров, В.В. Инновационная технология обработки многоспектральных космических изображений земной поверхности Текст. / В.В. Козодеров, Т.В. Кондранин, Е.В. Дмитриев, В.Д. Егоров, В.В. Борзяк // Исследование Земли из космоса, 2008. № 1. -С.56-72.

51. Zhang, Y. Leaf chlorophyll content retrieval from airborne hyperspectral remote sensing imagery Текст. / Y. Zhang, J.M. Chen, J.R. Miller, T.L. Noland // Remote Sensing of Environment. 2008. - № 112. - P. 3234-3247.

52. Huete, A.R. A soil adjusted vegetation index (SAVI) Текст. / A.R. Huete // Remote Sens. Environ. 1988. - V. 25. - P. 295-309.

53. Murthy, C.S. Improved ground sampling and crop yield estimation using satellite data Текст. / C.S. Murthy, S. Thiruverngadachan, P.V. Raju, S. Jonna // Int. J. Remote Sensing. 1996. - V. 17. - № 5. - P. 945-956.

54. Gitelson, A. A. Novel algorithms for remote estimation of vegetation fraction Текст. / A. A. Gitelson, Y. J. Kaufman, R. Stark, D. Rundquist // Remote Sensing of Environment. 2002. № 80. - P. 76 - 87.

55. Gitelson, A. A. Three-band model for noninvasive estimation of chlorophyll, carotenoids, and anthocyanin contents in higher plant leaves Текст. / A. A. Gitelson, G. P. Keydan, M. N. Merzlyak // Geophysical Research Letters. 2006. - V. 33. - LI 1402.

56. Gitelson, A.A. Use of a Green Channel in Remote Sensing of Global Vegetation from for EOS-MODIS Текст. / A.A. Gitelson, Y.J. Kaufman, M.N. Merzlyak // Remote Sens. Environ. 1996. - V. 58. - P. 289-298.

57. Rougean, J. L. Estimating PAR absorbed by vegetation from bidirectional reflectance measurements Текст. / J. L. Rougean, F. M. Breon // Remote Sens. Environ. 1995. -№51.-P. 375 -384.

58. Chen, J. Evaluation of vegetation indices and modified simple ratio for boreal applications Текст. / J. Chen // Can. J. Remote Sens. 1996. - № 22. - P. 229-242.

59. Huete, A.R. A comparison of vegetation indices global set of TM images for EOS-MODIS / A.R. Huete, H.Q. Liu, K. Batchily, W. van Leeuwen. // Remote Sens. Environ. 1997. -№59.-p. 440-451.

60. Qi, J. A modified soil vegetation adjusted index Текст. / J. Qi, A. Chehbouni, A. R. Huete, Y. H. Keer, S. Sorooshian // Remote Sens. Environ. 1994. - № 48. - P. 119-126.

61. Rondeaux, G. Optimization of soil-adjusted vegetation indices Текст. / G. Rondeaux, M. Steven, F. Baret // Remote Sens, of Environ. 1996. - № 55. - P. 95-107.

62. Daughtry, C. S. T. Brown de Colstoun E. Estimating corn leaf chlorophyll concentration from leaf and canopy reflectance Текст. / С. S. Т. Daughtry, С. L. Walthall, M.S. Kim // Remote Sens, of Environ. 2000. - № 74. - P. 229-239.

63. Gitelson, A. A. The chlorophyll fluorescence ratio F735/F700 as an accurate measure of chlorophyll content in plants Текст. / A. A. Gitelson, C. Buschman, H. K. Lichtenthaler // Remote Sens. Environ. 1999. - № 69. - P. 296-302.

64. Gitelson, A. A. Optical Properties and Nondestructive Estimation of Anthocyanin Content in Plant Leaves Текст. / A. A. Gitelson, M. N. Merzlyak, О. B. Chivkunova // Photochemistry and Photobiology, 2001. - № 74(1). - P. 38-45.

65. Blackburn, G.A. Relationships between spectral reflectance and pigment concentrations in stacks of deciduous broadleaves Текст. / G.A. Blackburn // Remote Sens. Environ. 1999. - № 70. - P. 224-237.

66. Penuelas, J. Reflectance assessment of mite effects on apple trees Текст. / J. Penuelas, I. Feilla, P. Lloret, F. Munoz, M. Vilajeliu // Int. J. Remote Sens. 1995. - № 16. - P. 2727-2733.

67. Vogelmann, J. E. Red edge spectral measurements from sugar maple leaves Текст. / J. E. Vogelmann, B. N. Rock, D. M. Moss // International Journal of Remote Sensing. -1993.-№ 14.-P. 1563-1575.

68. Chaerle, L. Monitoring and screening plant populations with combined thermal and chlorophyll fluorescence imaging Текст. / L. Chaerle, I. Leinonen, H.G. Jones, D. Van Der Straeten // Experimental Botany. 2007. - V. 58. - № 4. - P. 773-784.

69. Pramanik, A. Ligand-receptor interactions in the membrane of cultured cells monitored by fluorescence correlation spectroscopy Текст. / A. Pramanik, R. Rigler // Biol. Chem. 2001. - V. 382. - P. 371 - 378.

70. Peterson, R.B. Chlorophyll Fluorescence Induction in Leaves of Phaseolus vulgaris Infected with Bean Rust Текст. / R.B. Peterson, D.E. Aylor // Plant Physiol. 1995. - V. 108.-P. 163-171.

71. Vogelmann, T.C. Plant tissue optics Текст. / T.C. Vogelmann // Plant Mol.Biol. -1993.-V. 44.-P. 231-251.

72. Бухов, Н.Г. Динамическая световая регуляция фотосинтеза Текст. / Н.Г. Бухов // Физиология растений. 2004. - Т. 51. - С. 825-837.

73. Siebke, K. Imaging of chlorophyll a fluorescence in leaves: topography of photosynthetic oscillations in leaves of Glechoma hederacea Текст. / К. Siebke, E. Weis // Photosynthesis Research. 1995. - № 45. - P. 225-237.

74. Krall, J.P. Environmental effects on the relationship between quantum yield of carbon assimilation and in vivo PSII electron transport in maize Текст. / J.P. Krall, G.E. Edwards // Australian Journal of Plant Physiology. 1991. - № 18. - P. 267-278.

75. Schilders, S.P. Limiting factors on image quality in imaging through tubid media under single-photon and two-photon excitation Текст. / S.P. Schilders, M. Gu // Microsc. Microanal. 2000. - V. 6. - P. 156-160.

76. Делоне, Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом Текст. / Н.Б. Делоне. М.: Наука, 1989. - 278 с.

77. Reagan, J.A. Spaceborne lidar remote sensing techniques aided by surface returns Текст. / J.A. Reagan et al. // Optical Engineering. 1991. - V. 30(1). - P. 96-101.

78. Vorob'eva, N. A. Application of the laser-induced fluorescence effect to remote studies of the photosynthetic mechanisms in plants Текст. / N. A. Vorob'eva, A. I. Grishin, G. G. Matvienko // Atmos. Ocean. Opt. 2000. - V. 13. - № 5. - P. 502-504.

79. Grishin, A. I. Investigation of the plant fluorescence induced by the biharmonic of a Nd:YAG laser Текст. / A. I. Grishin, G. G Matvienko, О. V. Kharchenko // Atmos. Ocean. Opt. 1997. - V. 10. - № 7. - P. 503.

80. Matvienko, G. G. Application of laser induced fluorescence for remote sensing of vegetation Текст. / G. G. Matvienko, A. I. Grishin, О. V. Kharchenko, O. A. Romanovskii // Opt. Eng. 2006. - V. 46. - № 5. - P. 537-542.

81. Lichtenthaler, H.K. The chlorophyll fluorescence ratio F690/F730 in leaves of different chlorophyll content Текст. / H.K. Lichtenthaler, R. Hak, U. Rinderle // Photosynthesis Research. 1990. - V. 25. - P. 295-298.

82. Papageorgiou, G. Chlorophyll fluorescence : an intrinsic probe of photosynthesis Текст. / G. Papageorgiou I I Bioenergetics of Photosynthesis (Govindjee ed.). 1975. - P. 319371.

83. Zucchelli, G. The Calculated In Vitro and In Vivo Chlorophyll a Absorption Bandshape Текст. / G. Zucchelli, R.C. Jennings, F.M. Garlaschi, G. Cinque, R. Bassi, O. Cremonesi // Biophys. 2002. - V. 82. - P. 378-390.

84. Baranoski, G. An algorithmic reflectance and transmittance model for plant tissue Текст. / G. Baranoski, J. Rokne // Computer Graphics Forum. 1997. - V. 16. - № 3. - P. 141150.

85. Bousquet, L. Lealf BRDF measurement and model for specular and diffuse , component differentiation Текст. / L. Bousquet, S. Lacherade, S. Jacquemoud, I. Moya //

86. Remote Sensing of Environment. 2005. - № 98. - P. 201-211.

87. Jacquemoud, S. PROSPECT: a model of leaf optical properties spectra Текст. / S. Jacquemoud, F. Baret// Remote Sensing of Environment. 1990. - № 34. - P. 75-91.

88. Исимару, А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах: в 2 т. Текст. / Исимару А.; пер. с англ. JI. А. Апресяна [и др.]. М: Мир,' 1981. - 384 с.

89. Яровенко, И. П. Численное решение краевых задач для уравнения переноса излучения в оптическом диапазоне Текст. / И. П. Яровенко // Вычислительные методы и программирование: новые вычислительные технологии. 2006. - Т. 7. - № 1. - С. 93-104.

90. Rafiq, S. K. Impact of Automobile Emissions on the Productivity of Crocus sativus L. Текст. / S. K. Rafiq, B. A. Ganai, G. A. Bhat // Int. J. Environ. Res. 2008. - № 2(4). -P. 371-376.

91. Baker, N.R. Photosynthesis and the environment. Текст. / N.R. Baker, etc. -Dordrecht: Kluwer Academic Press, 1996. 491 p.

92. Binder, W.D. Chlorophyll fluorescence as in indicator of frost hardiness in white spruce seedlings from different latitudes Текст. / W.D. Binder, P. Fielder // New Forests. 1996. -№ 11.-P. 233-253.

93. Ranney, T.G. Heat tolerance of five taxa of birch (Betula): physiological responses to supraoptimal leaf temperatures Текст. / T.G. Ranney, M.M. Peet // Journal of the American Society of Horticultural Science. 1994. - № 119. - P. 243-248.

94. Carter, G. A. Foliar spectral reflectance and plant stress on a barrier island Текст. / G. A. Carter, D. R. Young // International Journal of Plant Sciences. 1993. - № 154. - P. 298 -305.

95. Ewais, E.A. Effect of cadmium, nickel and lead on growth, chlorophyll content and protein of weeds Текст. / E.A. Ewais // Biol.Plant. 1997. - № 39. - P. 403-410.

96. Carter, G. A. Ratios of leaf reflectances in narrow wavebands as indicators of plant stress Текст. / G. A. Carter // Int. J. Remote Sens. 1994 - V. 15. - № 3. - P. 697-703.

97. Gene, H. Vegetation indices as indicators of damage by the sunn pest (Hemiptera: Scutelleridae) to field grown wheat Текст. / H. Gene, L. Gene, H. Turhan, S. E. Smith, J. L. Nation // African Journal of Biotechnology. 2008. - V. 7(2). - P. 173-180.

98. Carter, G. A. Responses of leaf spectral reflectance to plant stress Текст. / G. A. Carter // American Journal of Botany. 1993. - № 80. - P. 239-243.

99. Carter, G. A. Leaf optical properties in higher plants: linking spectral characteristics to stress and chlorophyll concentration Текст. / G. A. Carter, A.K. Knapp // American Journal of Botany. 2001. - № 88(4). - P. 677-684.

100. Рубин, А.Б. Транспорт электронов в биологических системах Текст.,/ А.Б. Рубин, В.П. Шинкарев. М.: Наука, 1984. - 319 с.

101. Gitelson, A. Signature analysis of leaf reflectance spectra: algorithm development for remote sensing of chlorophyll Текст. / A. Gitelson, M.N. Merzlyak // J. Plant Physiol. -1996. -№ 148.-P. 494-500.

102. TracePro user's manual supplement, release 3.1. Lambda Research Corporation,2006.

103. Prahl, S. A. Light transport in tissue: PhD Dissertation Текст. / S. A. Prahl. -University at Texas at Austin," 1988.1 221 p.

104. Ландсберг, Г.С. Оптика Текст. / Г.С. Ландсберг. М.: Физматлит, 2003. - 848с.

105. Tuchin, V. V. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis Текст. / V. V. Tuchin // Proc. SPIE. V. TT38. - 2000. - P. 353.

106. Haardt, H. Specific in vivo absorption coefficient of chlorophyll aiat 675 nm Текст. / H. Haardt, H. Maske // Limnol. Oceanogr. 1987. - № 32(3). - P. 608-619.

107. B.П. Захаров // тезисы докладов и сообщений Международной конференции «Лазеры, измерения, информация 2007» (5-7 июня 2007, г. Санкт - Петербург), - 2007. - С. 93.

108. Озолина, Н.В. Влияние низкоинтенсивного лазерного излучения на гидролитическую активность протонных насосов вакуолярной мембраны Текст. / Н.В. Озолина, Е.В. Прадедова, Л.В. Дударева, Р.К. Саляев // Биологические мембраны. 1997. -Т. 14.-С. 125-127.

109. Salyaev, R.K. Low-power laser irradiation as a possible morphogenesis inductor in wheat cultivar callus Текст. / R.K. Salyaev, L.V. Dudareva, S.V. Lankevich, V.M. Sumtsova // Annual Wheat New Sletter. 2002. - V. 48. - P. 140-141.

110. Саляев, P.K. Влияние низкоинтенсивного когерентного излучения на морфогенетические процессы в-каллусной культуре пшеницы Текст. / Р.К. Саляев, Л.В. Дударева, С.В. Ланкевич, В.М. Сумцова//Доклады АН. 2001. - Т. 376(6). - С. 830-832.

111. Bilger, W. Light-induced spectral absorbance changes in relation to photosynthesis and epoxidation state of xanthophyll cycle components in cotton leaves Текст. / W. Bilger, O. Bjorkman, S.S. Thayer// Plant Physiol. 1989. - № 91. - P. 542-551.

112. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений основные положения Текст. Введ. 1977-0101. - М.: Издательство стандартов, 2002. - 10 с.

113. Бреслер, П. И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их приложение Текст. / П. И. Бреслер. Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. - 164 е., ил.

114. Зуев, В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосферы Текст. / В.Е. Зуев. М.: Советское радио, 1970. - 496 с.

115. Немец, В.М. Спектральный анализ неорганических газов Текст. / В.М. Немец, А.А. Петров, А.А. Соловьев. Л.: Химия, 1988. - 240 С.

116. Абсорбционная спектроскопия Текст.: сб. ст. / Пер. с англ., под ред. Э. В. Шпольского. М.: Изд-во иностр. лит., 1953. -376 с.

117. Назаров, И.М. Основы дистанционных методов мониторинга загрязнения окружающей природной среды Текст. / И.М. Назаров. Л.:Гидрометеоиздат, 1989. - 420 с.

118. Золотов, Ю.А. Основы аналитической химии. Кн.2. Методы химического анализа Текст.: Учеб. Для вузов / Ю.А. Золотов и др. М.: Высш. шк., 2002. - 494 с.

119. Харитонов, Ю.Я. Аналитическая химия (аналитика). Кн. 2. Количественный анализ. Физико-химические (инструментальные) методы анализа: учебн. для вузов Текст. / Ю.Я. Харитонов. М.: Высш.школа, 2003. - 559 с.

120. Герасимов, Б.И. Методы и приборы экологического мониторинга Текст.: Учебное пособие / Б.И. Герасимов, И.В. Кораблев, В.Р. Козлов, С.В. Мищенко. М., 1994.

121. Косов, В.И. Экологический мониторинг. 4.1. Полевые и лабораторные методы экологических исследований: Учеб пособие Текст. / В.И. Косов, В.Н. Иванов, Г.Н. Иванов. Тверь: Изд-во Гос. техн. ун-та, 1996. - 107 с.

122. Афанасьев, Ю.А. Мониторинг и методы контроля окружающей среды. Учебное пособие, ч.1. Общая Текст. / Ю.А. Афанасьев, С.А. Фомин. М.: Изд-во МНЭПУ, 1998.-208 с.

123. Почвенно-экологический мониторинг Текст. / Под. ред. Д.С.Орлова и В.Д.Васильевской. М.: МГУ, 1994. - 272 с.

124. Израэль, Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды Текст. / Ю.А. Израэль. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 560 с.

125. Гусева, Т.В. Контроль качества окружающей среды. Принципы биологического мониторинга Текст. / Т.В. Гусева, В.В. Тарасов. М.: Изд. МХТИ, 1989. -64 с.

126. Майстренко, В.Н. Эколого-аналитический мониторинг супертоксикантов Текст. / В.Н. Майстренко, Р.З. Хамитов, Г.К. Будников. М.: Химия, 1996. - 319 с.

127. Электроаналитические методы в контроле окружающей среды Текст. / Под ред. Р. Кальведа. М.: Химия, 1990. - 240 с.

128. Корнеева, Т. Лидары. Новые возможности для атмосферных исследований

129. Текст. / Т. Корнеева // Applied Optics. 1997. - V. 36. - № 12. - P. 2568-2583. j

130. Odjegba, V.J. Effects of spent engine oil on the growth parameters, chlorophyll and protein levels of Amaranthus hybridus L. Текст. / V.J. Odjegba, A. O. Sadiq // The Environmentalist. 2002. - № 22. - P. 23-28.

131. Nwoko, С. O. Performance of Phaseolus vulgaris L. in a soil contaminated with spent-engine oil Текст. / С. О. Nwoko, P. N. Okeke, О. O. Agwu, I. E. Akpan // African Journal of Biotechnology. 2007. - V. 6(16). - P. 1922-1925.

132. Промышленно-транспортная экология Текст. : Учеб. для вузов / Под ред. В.Н. Луканина. М.: Высш. шк., 2003. - 273 С.

133. Гетко, Н.В. Растения в техногенной среде: структура и функция ассимиляционного аппарата Текст. / Н.В. Гетко. Минск: Наука и техника, 1989. - 208 с.

134. Николаевский, B.C. Биологические основы газоустойчивости растений Текст. / B.C. Николаевский. Новосибирск: Наука, 1979. - 280 с.

135. Барахтенова, Л.А. Влияние сернистого газа на фотосинтез растений Текст. / Л.А. Барахтенова, B.C. Николаевский. Новосибирск: Наука, 1988. - 86 с.

136. Майдебура, И.С. Влияние загрязнения городской среды на биохимические показатели древесных растений Текст. / И.С. Майдебура // Естественные и технические науки. М.: Изд-во «Компания Спутник+», 2006. - № 4(24). - С. 136-141.

137. Дружкина, Т. А. Проблемы скрининговой оценки урбанизированных территорий на примере г. Саратова Текст. / Т.А. Дружкина // Вестник Саратовского гос-агроуниверситета им. Н.И. Вавилова. 2007. - № 1. - С. 6-9.

138. Исследования содержания концентрации вредных веществ в городе Самары: отчёт о НИР Текст. // Самарский гидрометеоцентр, 2007.

139. Исследования содержания концентрации вредных веществ в городе Самары: отчёт о НИР Текст. // Самарский гидрометеоцентр, 2008.

140. Timchenko, S.P. Kotova, O.N. Makurina, R.V. Kozlov // Труды конференции Topical Meeting on Optoinformatics '2008 (Proceedings of theTopical Meeting on Optoinformatics '2008)-.СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. - С. 142.

141. Бильдиева, E.A. Эффективность препаратов биологической и химической природы при возделывании озимой пшеницы / Е.А. Бильдиева // Агрохимический вестник. 2007. - № 3. - С. 34-35.

142. Kanemasu, Е. Т. Seasonal canopy reflectance patterns of wheat, sorghum, and soybean Текст. / E. T. Kanemasu // Remote Sensing of Environment. 1974. - № 3. - P. 43-47.

143. Ничипорович, А.А. Физиология фотосинтеза и продуктивность растений Текст. / А.А. Ничипорович// Физиология фотосинтеза. М.: Наука, 1982. - С. 7-33.

144. Gifford, R. М. A comparison of potential photosynthesis, productivity and yield of plants species with differing photosynthetic metabolism Текст. / R. M. Gifford // Austral. J. Plant Physiol. 1974. - V. 1. - № 1. - P. 107-117.

145. Zelitch, I. The close relationship between net photosynthesis and crop yield Текст. /1. Zelitch // Bio-science. 1982. - V.32. - № 10. - P. 796-802.

146. Быков, О. Д. Исследования по фотосинтезу в связи с задачами селекции как науки Текст. / О. Д. Быков // С/х биология. 1980. - Т. 15. - № 3. - С. 334-341.

147. Фотосинтез и продукционный процесс Текст. / Под ред. Мокроносова А. Т.- Свердловск: Изд-во Уральского ун-та, 1988. 180 с.1

148. Зединг, Г. Ростовые вещества растений Текст. / Зединг Г.; пер. с немецкого.- М:. Иностранная литература, 1955. 388с.

149. Андрианова, Е.А. Хлорофилл и продуктивность растений Текст. / Е.А. Андрианова, И.А. Тарчевский. М.: Наука, 2000. - 134 с.

150. Авдонин, Н.С. Влияние минеральных удобрений на содержание белка в растениях в зависимости от свойств почв и длительного применения удобрений Текст. / Н.С. Авдонин, JI.A. Лебедева, Г.Н. Графская // Агрохимия. 1978. - № 4. - С. 3-10.

151. Артюшин, A.M. Удобрения в интенсивных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур Текст. / A.M. Артюшин, И.П. Дерюгин, А.Н. Кумокин, Б.А. Ягодин. М.: ВО «Агропромиздат», 1991. - С. 174.

152. Кожемяков, А. П. Приемы повышения продуктивности азотфиксации и урожая бобовых культу Текст. / А. П. Кожемяков // Биологический азот в сельском хозяйстве СССР. М.: Наука, 1985. - С. 15-27.

153. Тооминг, Х.Г. Экологические принципы максимальной продуктивности посевов Текст. / Х.Г. Тооминг. Л.: Наука, 1984. - 264 с.

154. Гуляев, Б.И. Фотосинтез, продукционный процесс и продуктивность растений Текст. / Б.И. Гуляев, И.И. Рожко, А.Д. Рогаченко, К.Н. Голик, Б.А. Митрофанов,

155. B.А. Борисюк. Киев: Наукова думка, 1989. - 152 с.

156. Фотосинтез и биопродуктивность: методы определения Текст. / Под ред. А.Т. Мокроносова, А.Г. Ковалёва. М.: Агропромиздат, 1989. - 462 с.

157. Ничипорович, А. А. Фотосинтез и теория получения высоких урожаев Текст. / А. А. Ничипорович // XV Тимирязьевское чтение : сб. науч. тр. М. : АН СССР. -1956.-С. 94-103.

158. C.П. Котова// Труды XVI Международной конференции, п. Абрау-Дюрсо, г. Новороссийск, Краснодарский край, 8-12 сентября 2008. С. 87.