POLITECHNIKA BIAOSTOCKAZAMIEJSCOWY WYDZIA LENYW HAJNWCE

Analiza morfometryczna nasion Dbu szypukowego (Quercus robur l.)

Studia inynierskie stacjonarne/niestacjonarneRok akademicki: 2014/2015, rok III, semestr 6Kierunek studiw: LenictwoSpecjalno: Gospodarowanie na obszarach przyrodniczo-cennych

Projekt wykona:

Hajnwka, 2015

Spis treciSpis symboli2Spis rysunkw3Spis tabel4Streszczenie5Wstp6Charakterystyka wybranego gatunku drzew przegld literatury:6Systematyka, klasyfikacja, taksonomia, nazewnictwo.6Siedlisko.6Charakterystyka budowy lici, pdw, pnia, korony, gazi, systemu korzeniowego.6Rozmnaanie: sposoby, budowa kwiatu, zapylanie, owoce i nasiona.6Wpyw sposobu rozmnaania i warunkw siedliskowych na cechy geometryczne nasiona.6Metodyka bada7Wyniki bada i dyskusja9Wnioski14Literatura15

Spis symbolia, b, c grubo, szeroko, dugo nasiona (mm),dz rednica zastpczej kuli (mm),F rednia powierzchnia przekroju nasiona (mm2),Fab, Fac, Fbc poszczeglne pola powierzchni podstawowych przekrojw nasiona (mm2),Fmin, Fmax najmniejsze i najwiksze pole powierzchni podstawowych przekrojw nasiona (mm2),K1, K2 wspczynniki sferycznoci,K3, K4, K5, K6, K7 wspczynniki ksztatu nasion definiowane wielkociami liniowymi,O redni obwd podstawowych przekrojw nasiona (mm),

Spis rysunkwRys. 1. Schemat stanowiska do pomiaru cech geometrycznych nasion7Rys. 2. Kolejne fazy komputerowej analizy obrazu8Rys. 3. Graficzna analiza rozkadu wielkoci nasion10Rys. 4. rednia powierzchnia nona nasion w funkcji szerokoci11

Spis tabelTabela 1. Charakterystyka cech geometrycznych nasion dbu9Tabela 2. Charakterystyki rozkadw cech geometrycznych nasion11Tabela 3. Charakterystyka bezwymiarowych wspczynnikw ksztatu nasion definiowanych wielkociami liniowymi13

StreszczenieStreszczenie. Uzyskanie kwalifikowanego materiau siewnego wymaga wykonania szeregu czynnoci fizycznych, majcych rdo w znajomoci praw rzdzcych procesami rozdzielczymi. Podstaw ich s rnice w niektrych waciwociach fizyko-mechanicznych pomidzy poszczeglnymi skadnikami mieszanin ziarnistych. Znajomoci takiej wymaga ponadto konstruowanie podzespow maszyn i urzdze do uszlachetniania materiau siewnego oraz efektywna eksploatacja czyszczalni i sortownikw mechanicznych oraz innych maszyn do obrbki nasion. Zarwno wsp-czesne jak i dawne konstrukcje separatorw s oparte na dowiadczeniu praktykw, a nie teoretycznych koncepcjach majcych rdo w gruntownej znajomoci agrofizyki nasion. Ze wzgldu na powysze niezbdna jest szczegowa analiza cech rozdzielczych dbu, uwzgldniajca take cechy nie wykorzystywane w lenictwie do tej pory, a ktre powinny by wzite pod uwag w konstrukcji przyszociowych rozdzielaczy uniwersalnych. Mechaniczna separacja nasion wymaga znajomoci ich podstawowych parametrw geometrycznych, w tym wielkoci i ksztatu. Pomiary wspomnianych parametrw wykonano korzystajc z komputerowej analizy obrazw nasion, uzyskanych z aparatu cyfrowego. Celem pracy bya analiza wielkoci i ksztatu odzi dbu szypukowego (Quercus robur L.) opisana wspczynnikami ksztatu, z uwzgldnieniem przynalenoci do klas ywotnoci. Przyjto klasyfikacj nasion na 3 frakcje pomiarowe, biorc za podstaw rozwj zarodka oraz szacowan na tej podstawie spodziewan zdolno kiekowania nasion. Wyniki bada wykazay, e cechy geometryczne odzi nie mog by uznane za cechy rozdzielcze, zatem nie ma moliwoci przeprowadzenia procesu separacji w oparciu o wielko nasion. Podczas bada zaobserwowano take, e tradycyjny sposb suszenia odzi, celem przygotowania do przechowywania, nie umoliwia uzyskania jednorodnej wilgotnoci kocowej. Jedynie nasiona ywotne o duych zarodkach wykazuj waciw wilgotno, znaczco wysz od pozostaych. Stanowi to zapewne jedn z przyczyn spadku zdolnoci kiekowania nasion w trakcie przechowywania.Sowa kluczowe: nasiona dbu, ksztat, cechy planimetryczne, cechy rozdzielcze, komputerowa analiza

WstpCharakterystyka wybranego gatunku drzew przegld literatury:Systematyka, klasyfikacja, taksonomia, nazewnictwo.Siedlisko.Charakterystyka budowy lici, pdw, pnia, korony, gazi, systemu korzeniowego.Rozmnaanie: sposoby, budowa kwiatu, zapylanie, owoce i nasiona.Wpyw sposobu rozmnaania i warunkw siedliskowych na cechy geometryczne nasiona.

Metodyka badaPrzedmiotem bada laboratoryjnych s odzie dbu szypukowego (Quercus robur L.), ktrych zbir w drzewostanie gospodarczym przeprowadzono w 2009 roku w Nadlenictwie Oleszyce. Do momentu przeprowadzenia analiz odzie przechowywane byy w chodni. Wilgotno odzi uwzgldniajca ich ywotno wynosia: zdrowe 39,2%, nadpsute 36,2%, zepsute 28,3%. Masa 1000 nasion 4,7 kg.Metoda bada polegaa na wykonaniu pomiarw poszczeglnych parametrw na pojedynczych odziach, ktre umieszczono w segregatorze. Poszczeglne odzie (500 sztuk) pobierane byy z segregatora i po pomiarze kadego z para-metrw wracay z powrotem do odpowiednio oznaczonej komrki. Umoliwio to ich pniejsz identyfikacj kady zosta opisany za pomoc cech anatomicznych i fizycznych. Taki sposb prowadzenia bada jest pracochonny, ale umoliwia precyzyjn ocen wpywu budowy anatomicznej odzi na ich cechy rozdzielcze.Jako narzdziem do pomiarw parametrw geometrycznych odzi posuono si komputerow analiz obrazu uzyskanego z detektora, jakim by aparat cyfrowy. Celem zarejestrowania odpowiednich obrazw do analizy ilociowej wykorzystano stanowisko pomiarowe zaprojektowane i wykonane w Katedrze Mechanizacji Prac Lenych Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie (rys. 1). Przeprowadzone wczeniej badania pilotaowe wykazay, e w przypadku odzi grubo i szeroko (wymiar a oraz b) nie rni si istotnie. Z tego wzgldu do dalszych analiz wystarczyo po-zyskiwanie obrazw odzi tylko z jednego rzutu. Ze wzgldu na rnorodno barw nasion, ktra utrudnia pniejsz obrbk obrazu, zrezygnowano z tradycyjnego fotografowania. Fotografowano natomiast cienie nasion podwietlonych reflektorem za porednictwem matwki (Tylek 2010).

Rys. 1. Schemat stanowiska do pomiaru cech geometrycznych nasion: 1 reflektor halogenowy, 2 fotografowane nasiono, 3 matwka, 4 pyta szklana, 5 aparat cyfrowyFig. 1. Schematic diagram of the stand for measurement of geometric characteristics of seeds: 1 halogen reflector, 2 photographed seed, 3 focusing screen, 4 glass plate, 5 digital cameraObraz kadego odzia rejestrowano na cyfrowej fotografii o rozdzielczoci 1024768 pikseli (rys. 2a). Nastpnie, przed wykonaniem analizy ilociowej, uzyskane fotografie poszczeglnych odzi poddano szeregowi przeksztace: skalowanie okrelenie wspczynnika skali obrazu, normalizacja kontrastu rozszerzenie zakresu szaroci punktw do 256 od-cieni, co pozwala na lepsze zrnicowanie szczegw w obrbie analizowanego obrazu, filtracja medianowa uzyskanie ostrych krawdzi obrazu oraz wygadzenie krawdzi poszarpanych, a take eliminacja szumw; filtracj wykonano przy uyciu elementu strukturalnego o wymiarach 5 5 pikseli (rys. 2b), binaryzacja zamiana obrazu 8-bitowego na 1-bitowy (binarny), gotowy do analiz ilociowych (rys. 2c), wyszukiwanie progowe zdefiniowanie wielkoci obiektw, ktre maj by poddane analizie ilociowej, dziki czemu odseparowuje si z obrazu obiekty niepodane (Wojnar, Majorek 1994, Tadeusiewicz, Korohoda 1997, Krajo i in. 2005).Komputerow analiz obrazu, tj. przeksztacenia oraz pomiary wykonano przy uyciu pakietu komputerowego MultiScan v.12.07.

Rys. 2. Kolejne fazy komputerowej analizy obrazu: a 8-bitowy, cyfrowy obraz wejciowy, b obraz po normalizacji kontrastu i filtracji medianowej, c obraz po binaryzacji oraz zastosowaniu wyszukiwania progowego gotowy do analizy jakociowejFig. 2. Successive phases of the computer image analysis: a 8-bit digital initial image, b image after contrast normalisation and median filtering, c image after conversion to binary form and object isolating prepared for qualitative analyses

Wyniki bada i dyskusjaW tabeli 1. zestawiono cechy geometryczne nasion dbu: podstawowe wielkoci liniowe oraz redni powierzchni non i redni dugo obwodu przekrojw rzutw prostoktnych na paszczyzn nasion, przy czym na podstawie pomiarw pilotaowych zaoono, e przekrj poprzeczny odzia jest koem o rednicy rwnej szerokoci nasiona. Zmienno wymiarw nie odbiega od analogicznych wartoci dla innych gatunkw nasion drzew lenych (Czernik 1983, 1993), a zarazem najwysze wartoci osiga dla powierzchni nonych.Tabela 1. Charakterystyka cech geometrycznych nasion dbuTable 1. Characteristics of the geometric features of seeds

rednie wartoci wielkoci geometrycznych niemal nie rni si pomidzy frakcjami pomiarowymi, co jest pewnym zaskoczeniem, poniewa w odniesieniu do nasion innych gatunkw drzew lenych stwierdzono znaczne rnice, pozwalajce na efektywn separacj nasion na sitach, zarwno o otworach podunych, jak i okrgych. Celem precyzyjnego okrelenia przydatnoci cech geometrycznych w procesach rozdzielczych okrelono rnice midzygrupowe dla 3 frakcji pomiarowych nasion, korzystajc z analizy wariancji ANOVA, a dla wynikw istotnych statystycznie zbadano z wykorzystaniem testu Fishera rnice pomidzy poszczeglnymi parami frakcji. Stwierdzono statystycznie istotne rnice na poziomie = 0,05 wycznie dla dugoci i powierzchni nasion, co wicej jedynie w odniesieniu do nasion nadpsutych. W tej frakcji nie odnotowano bowiem nasion o najmniejszych wymiarach.Na rysunku 3. przedstawiono histogramy obrazujce szeregi rozdzielcze szerokoci i dugoci odzi, pomocne w doborze parametrw klasyfikatorw sitowych, a w tabeli 2. szczegow charakterystyk rozkadw cech geometrycznych. Ze wzgldu na czste odstpstwa rzeczywistego rozkadu zmiennoci cech od rozkadu normalnego, posuono si testem Shapiro Wilka do zbadania hipotez o braku normalnoci rozpatrywanych rozkadw prawdopodobiestwa. Ksztat rozkadw scharakteryzowano ponadto miar spaszczenia (kurtoz) oraz miar asymetrii (wspczynnikiem skonoci). Wspomniane miary wpywaj na przebieg procesw rozdzielczych i powinny by uwzgldniane zwaszcza na etapie projektowania maszyn czyszczco-sortujcych, gdy element rozdzielczy (sito, tryjer kana aerodynamiczny itd.) moe by bardziej obciony, ni wynikaoby to wycznie z analizy wartoci rednich (Byszewski i Haman 1977). Analizy wykazay zgodno z rozkadem normalnym takich cech jak szeroko oraz po-wierzchnia nona. Pozostae cechy charakteryzuje rozkad o przebiegu lepkokurtycznym (smukym). Wyjtkiem jest redni obwd nasion nadpsutych.Stosunek wymiarw liniowych nasion (c/b/a) jest cech gatunkow i w przyblieniu ma sta warto (Grochowicz 1994). Czsto zalenoci te s zblione do funkcyjnych (Czernik 1993, Szpryngiel 1993). Nie stanowi to jednak reguy. W przypadku nasion wierka pospolitego nie stwierdzono korelacji midzy wy-miarami liniowymi (Czernik 1983). Podobnie jest dla analizowanych nasion dbu szypukowego. Analiza korelacji wykorzystujca wspczynnik r Pearsona, przeprowadzona z zaoeniem liniowoci wykazaa zaledwie sab korelacj (0,23) midzy szerokoci a dugoci nasion. Wykazano natomiast wysok korelacj midzy szerokoci nasion, a ich powierzchni non (rys. 4). Moe to znaczco uproci skomplikowane procedury pomiarowe tego drugiego parametru niezbdnego w analizach z zakresu aerodynamiki nasion.

Rys. 3. Graficzna analiza rozkadu wielkoci nasionFig. 3. Graphical analysis of seed size distributionTabela 2. Charakterystyki rozkadw cech geometrycznych nasionTable 2. Characteristics of the geometric feature distribution in seeds

Rys. 4. rednia powierzchnia nona nasion w funkcji szerokociFig. 4. Average lifting surface of seeds expressed as a function of widthZachowanie si nasion na paszczyznach wibrujcych (separatory sitowe) czy te w strumieniu powietrza (separatory pneumatyczne, stoy aerowibracyjne) za-ley od ich ksztatu. Ksztat moe by take sam w sobie podstawow lub pomocnicz cech rozdzielcz. W zalenoci od tego, jakie cechy geometryczne nasion wykorzystano konstruujc wspczynniki ksztatu, mona podzieli je na 4 grupy. Pierwsz grup stanowi wspczynniki charakteryzowane zalenociami jedynie midzy dwoma wymiarami liniowymi. S chtnie stosowane ze wzgldu na atwo zebrania niezbdnych danych. Nazywane s wspczynnikami sferycznoci (Grochowicz 1994). Poniewa dla nasion dbu gruboci i szerokoci nie moemy rozrni, wspczynniki K1 oraz K2 przyjmuj jednakowe wartoci (tab. 3). Obszern grup stanowi wspczynniki wzbogacone o trzeci wymiar liniowy nasion, przy czym zazwyczaj jeden z wymiarw (najczciej dugo) ma wiksz wag od pozostaych. Konstrukcj wspczynnikw oraz ich wartoci liczbowe dla analizowanego gatunku zamieszczono w tabeli 3. Wspczynnik K3 niekiedy podawany jest w procentach, a wystpuje w literaturze pod nazw indeksu sferycznoci (Omobuwajo i in. 1999). Wspczynniki K4 i K5 nie maj sprecyzowanych nazw, natomiast wspczynnik K6 nazywany jest oglnie sferycznoci (Baryeh 2002), a K7 wspczynnikiem niezmiennoci wymiarw (Rawa i in. 1993). Wszystkie wyej wymienione wspczynniki ksztatu przyjm warto rwn 1 dla nasion kulistych, a dodatkowo wspczynniki K1, K3, K5 oraz K6 warto rwn 0 dla nasion idealnie paskich. Stwierdzono, e dla nasion dbu szypukowego aden ze wspczynnikw nie rnicuje ksztatu nasion pomidzy frakcjami pomiarowymi, std w tabeli 3. zamieszczono jedynie wartoci charakteryzujce ca prb nasion. Zmienno ksztatu odzi (opisana wspczynnikiem zmiennoci) definiowanego proporcjami wielkoci liniowych jest podobna jak w przypadku nasion innych gatunkw i zazwyczaj mieci si w przedziale 210%. Tylko wspczynnik K5 wykazuje zmienno blisko dwukrotnie wysz, co wynika z jego konstrukcji dugoci nasion wystpujcej w drugiej potdze.

Tabela 3. Charakterystyka bezwymiarowych wspczynnikw ksztatu nasion definiowanych wielkociami liniowymiTable 3. Characteristics of non-dimensional shape factors of seeds as defined by linear values

Wnioski1. Cechy geometryczne odzi dbu szypukowego nie mog by uznane za cechy rozdzielcze, zatem nie ma moliwoci przeprowadzenia procesu separacji w oparciu o wielko nasion. Proces mumifikacji dotyczy w jednakowym stopniu nasion maych i duych.2. Wielko odzi charakteryzowana jest dwoma podstawowymi wymiarami (szeroko i grubo nie rni si istotnie), ktre s sabo skorelowane. Wymiary liniowe odzi stanowi zmienne losowe cige, charakteryzujce si generalnie rozkadem prawdopodobiestwa zgodnym z rozkadem normalnym.3. ywotno nasion dbu nie wpywa na ich ksztat zarwno wrd na-sion ywotnych jak rwnie zepsutych i nadpsutych znajduje si zbliona liczba nasion smukych (elipsoida obrotowa), jak i pkatych (kula).4. Wilgotno przechowywanych nasion nie jest jednorodna nasiona ze-psute i nadpsute podczas przechowywania gorzej magazynuj wod ni nasiona ywotne.5. Korelacja midzy szerokoci i powierzchni non nasion umoliwia uproszczenie szczeglnie pracochonnych procedur pomiarowych, wymagajcych specjalistycznego oprzyrzdowania.

Literatura1. Andrzejczyk T., 2009. Db szypukowy i bezszypukowy. Hodowla. PWRiL, Warszawa.2. Bondaruk G.V., Kucerina O.K., 1989. Effektnost predposevnogo rozdelenija semjan sosny obyk-novennoj po plotnosti i razmeru. Lesovodstvo i Agrolesomelioracija, 74, 64-66.3. Byszewski W., Haman J., 1977. Gleba maszyna rolina. PWN, Warszawa.4. Czernik Z., 1983. Badania waciwoci geometrycznych nasion sosny zwyczajnej, wierka pospoli-tego i modrzewia europejskiego. Sylwan, 7, 31-40.5. Czernik Z., 1993. Badania waciwoci geometrycznych nasion jody. Sylwan, 8, 57-64.6. Donev A., Cisse I., Sachs D., Variano E.A., Stillinger F.H., Connely R., Torquato S., Chaikin P.M., 2004. Improving the density of jammed disordered packings using elipsoids. Science, 303, 990-993.

Schemat projektu1. Strona tytuowaTemat projektu: Analiza morfometryczna nasion..2. Spis treci3. Spis symboli4. Spis rysunkw5. Spis tabel6. Streszczenie7. Wstpa) Charakterystyka wybranego gatunku drzew przegld literatury: Systematyka, klasyfikacja, taksonomia, nazewnictwo. Siedlisko. Charakterystyka budowy lici, pdw, pnia, korony, gazi, systemu korzeniowego. Rozmnaanie: sposoby, budowa kwiatu, zapylanie, owoce i nasiona. Wpyw sposobu rozmnaania i warunkw siedliskowych na cechy geometryczne nasiona. 8. Metodyka badaa) Cel i zakres bada: Analiza morfometryczna min 30 nasion wybranego gatunku rolinb) opis stanowiska badawczegoc) opis procedur badawczych9. Wyniki i dyskusjaa) Analiza statystyczna uzyskanych wynikw: Charakterystyka cech geometrycznych nasion (rednia, mediana, wariancja, odchylenie standardowe, bd bezwzgldny, minimum, maksimum, wspczynnik zmiennoci) Graficzna analiza rozkadu wielkoci nasion (histogram): Udzia ilociowy wzgldem wymiarw dugo i szeroko nasion, pole powierzchni, wspczynnik ksztatu. Korelacja pomidzy powierzchni non nasion a jego szerokoci. Charakterystyka bezwymiarowych wspczynnikw ksztatu nasion definiowanych wielkociami liniowymi (Bezwymiarowy wspczynnik ksztatu, Wspczynnik Fereta, Wspczynniki cyrkularnoci, Wspczynnik Malinowskiej - rednia warto, minimum, maksimum, wspczynnik zmiennoci).10. Wnioski11. Literatura15