CC BY
58
Е.Ю. Жукова, А.П. Шевырногов, В.М. Жукова, Т.М. Зоркина, И.Ю. Пугачева
СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ПРОДУКТИВНОСТИ АГРОЦЕНОЗОВ ЮГА МИНУСИНСКОЙ КОТЛОВИНЫ
Представлены результаты сопоставления данных вегетационного индекса (КЭУ1) сельскохозяйственных культур и надземной растительной массы в пределах двух тестовых участков Минусинской котловины за вегетационный сезон 2006 г.
Ключевые слова: продуктивность агроценозов; Минусинская котловина.
Для оптимизации мониторинга агроценозов важнейшее значение приобретают спутниковые методы. Снимки МоШб широко используются для исследования сельскохозяйственных земель [1-3], в частности для построения кривой сезонного хода вегетационного индекса. По отклонениям данного индекса от нормы можно судить о процессах, происходящих в растительности. Главные проблемы дистанционного зондирования агроценозов на территории Минусинской котловины сопряжены с тем, что вопросы совместного использования наземных и спутниковых данных по динамике агроценозов изучены недостаточно. В связи с этим была поставлена цель - сопоставить данные вегетационного индекса для агроценозов на территории юга Минусинской котловины за вегетационный период 2006 г. с динамикой надземной сырой фитомассы культурных сообществ, полученных в ходе наземных исследований.
Объект и методика исследований
В качестве объекта исследования были выбраны посевы овса, пшеницы и гречихи на территории Минусинской котловины. Территория характеризуется небольшим плодородием малогумусных черноземов и каштановых почв, среднегодовым количеством осадков 150-300 мм, суровой бесснежной зимой (среднегодовая температура до -1...-6°С), коротким жарким летом, сильными ветрами в зимне-весенний период. В среднем с одного гектара получают до 0,5-0,9 т зерна, причем урожайность колеблется в зависимости от увлажнения [4].
Для исследования были заложены два тестовых участка. Тестовый участок 1 относится к Алтайскому холмисто-степному району Койбальского округа, в пределах Южно-Минусинской впадины, занимая северную часть междуречья Абакана и Енисея. Сумма среднесуточных температур воздуха выше 10°С -1800-2000°С. Сумма осадков за май-июль - 170210 мм [5]. Тестовый участок 2 находился на правобережье Енисея, в Минусинской провинции, в пределах Шушенского лесостепного округа. Сельскохозяйственная освоенность территории округа высокая. Сумма среднесуточных температур воздуха выше 10°С -1700-1800°С. Сумма осадков за май-июль - 170220 мм [5]. В течение вегетационного сезона были проведены наземные исследования динамики агроценозов в пределах площадок размерами 3*3 пикселя на спутниковом изображении (0,7 га) для небольших участков, например залежь после сенокошения 2*2 пикселя (0,3 га). Координаты участков растительности, где отбирались пробы, фиксировались вР8-приемником.
NDVI =-
В работе использовали значения вегетационного индекса, вычисленные по снимкам Terra Modis за вегетационный сезон 2006 г., в даты, ближайшие к датам наземных наблюдений. Оценка состояния агроценозов проводилась по спектральным индексам [6]. Для оценки фотосинтетически активной биомассы и использовали вегетационный индекс (NDVI - Normalized Difference Vegetation Index), рассчитанный по формуле
NIR - RED,
NIR + RED’
где NIR - отражение в ближней инфракрасной области спектра; RED - отражение в красной области спектра.
Обработка снимков и вычисление индекса проводились в программе ENVI 4.0. И.Ю. Пугачевой [7]. На основании контуров тестовых участков 1 и 2 были построены графики динамики NDVI за 2006 г.
Учет динамики надземной фитомассы в посевах сельскохозяйственных культур, проводился по стандартной методике Ф.И. Левина [8] в пятикратной повторности. Укосы с площадок разбирали по агрогруппам: масса генеративных органов, масса побегов и листьев культурных растений, масса сорных растений и опад, включающий ветошь и мортмассу [9, 10]. Агрогруппы взвешивали в сыром и в сухом (потеря 80% массы) виде, данные переводили в ц/га. Одновременно проводили измерения общего проективного покрытия: ОПП (%) травостоя определяли с помощью сетки размерами 50^50 см с ячейками по 10*10 см по методике Л.Г. Раменского [10], фазы онтогенеза культурных растений [11] и аспекта [10].
Результаты исследований
В 2006 г. на территории Алтайского района обследовано 3 агроценоза овса, наряду с данными по динамике фитомассы исследовались особенности водного режима и пигментного состава растений овса.
Агроценоз овса (контур 1) во вторую декаду июня имел проективное покрытие 5-7% (всходы) из-за низких температур в осенний период и более поздних сроков сева. Аспект агроценоза овса (контур 1) изменялся от сизозеленого (фаза кущения) и зеленого (фаза выметывания), через зелено-желтый (фаза налива) к желтому (фаза созревания) цвету. Общая сырая фитомасса увеличивалась за вегетационный сезон с 35,9 до 91,2 ц/га (рис. 1).
Появление генеративных органов у растений отмечено в середине июля. Сухая генеративная масса составила 17,1 ц/га, в то время как в 2005 г. среднее значение данного показателя не превышало 10 ц/га.
В конце июля NDVI посева овса (контур 1) достигал наибольшего значения (0,72) и к сентябрю снижался до 0,53 (рис. 2). Агроценоз овса в середине июля
имел общую массу 73,7 ц/га, находился на стадии выметывания и имел зеленый аспект. В сентябре, несмотря на увеличение фитомассы, МБУ1 снижался за счет изменения аспекта посева.
□□ масса генеративных органов 22 вегетативная масса □□ масса сорных растений ПП ветошь и мортмасса общая фитомасса
Рис. 1. Динамика сырой фитомассы посева овса (контур 1)
1.00
0.80
> 0.60 О
2 0.40 0.20 0.00
0 72
0.57 0.65 0.53
0.37
12.06.
25.06.
29.07.
15.08.
07.09.
3 масса генеративных органов 3 масса сорных растений -общая фитомасса
3 вегетативная масса 3 ветошь и мортмасса
Рис. 3. Динамика сырой фитомассы посева овса (контур 3)
Посев овса (контур 3) имел наибольшее значение МЭУТ (0,84) в конце июля, в середине июля соответст-
вующее значение общей массы составило 76,2 ц/га. К сентябрю МЭУ1 снижался до 0,58, в этот период фитомасса достигала 60,3 ц/га (рис. 4).
1.00 0.80 > 0.60 □
2 0.40 0.20 0.00
0.84
0.50
0.29
0.82
0.58
12.06.
25.06.
29.07.
15.08.
07.09.
Рис. 2. Динамика КЭУ1 агроценоза овса (контур 1)
В формирование фитомассы агроценозов вносит вклад сорная растительность. Так, в контуре 1 было отмечено массовое и очаговое засорение, в частности ^опскиз агувтг^' Ь. Сырая надземная масса сорных растений в 67 раз превышала массу культурных растений, наибольшей сырой фитомассы (186,5 ц/га) сорные растения достигали в первой декаде августа. В июле очаги засорения можно различить по большему ВИ, при этом аспект засоренных 8опскш' агувтг^' Ь. участков в период цветения изменялся с зеленого на желтый.
Для агроценоза овса (контур 3) наблюдали несколько иную смену аспектов - от сизо-зеленого (фаза кущения) и зеленого (фаза выметывания) к зеленожелтому цвету (фаза налива). С третьей декады июня по вторую декаду июля общая сырая фитомасса увеличилась с 32,4 до 75,2 ц/га, затем постепенно снизилась до 60,3 ц/га (рис. 3).
Рис. 4. Динамика КЭУ1 агроценоза овса (контур 3)
Таким образом, в Алтайском районе МЭУ1 посевов овса достигал максимальных значений к концу июля, что в целом коррелировало с динамикой фитомассы и аспектом фитоценозов, наибольшие значения МЭУ1 были отмечены для контура 3. Для овса было характерно изменение аспекта от сизо-зеленого (фазы всходов и кущения), через зеленый (фазы выхода в трубку и выметывания), желто-зеленый (фазы формирования и налива зерна) к желтому цвету (фаза созревания). При значительной засоренности посевов (свыше 40%) сорная растительность вносила свой аспект в общий цветовой фон. Наибольшие различия в аспектах сорных и культурных растений наблюдали в фазу молочной спелости, т.к. в этот период зерновые культуры приобретают желтую окраску, а сорняки остаются зелеными. Максимальной массы сорные растения достигали в августе-сентябре.
В Минусинском районе за вегетационный период 2006 г. было обследовано 5 агроценозов пшеницы.
Рассмотрим подробнее динамику сырой надземной фитомассы агроценоза пшеницы (контур 1). В середине июня 2006 г. растения пшеницы находились только на стадии всходов, ОПП в этот период составило всего 0,5—1,5%. К сентябрю данный показатель составил 5565%. Аспект пшеницы изменялся от зеленого во второй декаде июня (фаза всходы), через зеленый с желтым оттенком во второй декаде августа (фаза налива) и желтого с зеленым оттенком в начале сентября (фаза созревания). Общая сырая фитомасса посева пшеницы (контур 1) нарастала с первой до второй декады июля в 2,4 раза, достигая 99,6 ц/га, и в дальнейшем снижаясь до 54 ц/га (рис. 5).
99.6
41.2 / 1 79.24 ' ^ 62.1 54
"І,, 6.4 I 7 4 6.62 26.6 « «19.9 Гй^2
14.06. і і масса ге і і масса со 02.07. неративных о оных растени 19.07. эганов Г7Э й і 1 13.08. вегетативная зетошь и мор 07.09. масса масса
Рис. 5. Динамика сырой фитомассы посева пшеницы (контур 1)
В то же время, начиная со второй декады июня и до третьей декады июля, МЭУ1 возрастал с 0,31 до 0,78 и постепенно снижался к первой декаде сентября (рис. 6).
50
0
1.00 -0.80 -
> 0.60 -
□
г 0.40 -
0.20 -0.00 -
Рис. 6. Динамика N0'! агроценоза пшеницы (контур 1)
Для сравнения: агроценоз пшеницы (контур 2) показал в середине июня наличие сырой фитомассы
- 16,8 ц/га (рис. 7). В этот период данным по сырой фитомассе соответствовало более высокое, по сравнению с контуром 1, проективное покрытие - 4050% с максимальным значением во второй декаде июля. Аспект пшеницы изменялся от зеленого в июне - начале июля (фаза кущения и начало колошения), через желто-зеленый во второй декаде июля (фаза налива) до желтого в августе-сентябре (фаза созревание) цвета.
Агроценоз пшеницы (контур 2) в начале наблюдения, в отличие от контура 1, имел значительную сырую фитомассу - 16,8 ц/га, что нашло отражение в динамике N0'VI. В данный период показатели N0' составили в контурах 2 и 1 0,40 и 0,31 (рис. 7, 8).
150.0
*
§ 100.0
I
0
1
к 50.0
И
.й
о
0.0
Рис. 7. Динамика сырой фитомассы посева пшеницы (контур 2)
1.00 -0.80 -
> 0.60 -
О
2 0.40 -0.20 -0.00 -
Рис. 8. Динамика N0'! агроценоза пшеницы (контур 2)
Общая сырая фитомасса посева пшеницы (контур 2) увеличивалась с 16,8 до 90,1 ц/га во вторую декаду июля и снижалась до 64,8 ц/га к сентябрю.
Таким образом, контур 1 имел наибольшие значения N0'! (0,78) и отличался более интенсивным увеличением ВИ в июле, чем контур 2. Спутниковые данные подтвердили наземную информацию о том, что в июне контур 2 имел большую фитомассу, чем контур 1.
Агроценоз пшеницы (контур 5) представлен посевом на зеленую массу. В состав данного сообщества входила пшеница и Panicum dichotomiflorum Michx. (просо ветвисто-метельчатое). Общая сырая масса посева нарастала с первой декады июля (21,6 ц/га) по
0.62 1 —і—, 0.58
0.40 1 г-1—
12.06. 04.07. 30.07. 21.08. 07.09.
і і масса генеративных органов вегетативная масса і і масса сорных растений і і ветошь и мортмасса
л общая фитомасса
0.78
0.61 т 0.54
0.31 —
1206. 04.07. 3007. 21 08. 07.09.
вторую декаду августа (52,4 ц/га) и незначительно снижалась к сентябрю (рис. 9).
14.06. 02.07. 19.07. 13.08. 07.09.
I I масса генеративных органов т вегетативная масса | I масса сорных растений I I ветошь и мортмасса
* общая фитомасса
Рис. 9. Динамика сырой фитомассы посева пшеницы на зеленую массу (контур 5)
N0'! данного агроценоза возрастал с середины июня (0,43) до второй декады июля (0,73) и несколько снижался к сентябрю (0,65) (рис. 10).
Рис. 10. Динамика N0'! агроценоза пшеницы на зеленую массу (контур 5)
Panicum dichotomiflorum Michx. во время плодоношения (конец июля - начало сентября) характеризовался коричневато-зеленым аспектом. В начале сентября N0'! имел более высокое значение по сравнению с остальными контурами пшеницы, что связано с ОПП посева и его аспектом.
В 2006 г. наблюдали задержку в развитии зерновых культур из-за неблагоприятных агрометеорологических условий (заморозки). В начале вегетационного сезона сырая фитомасса пшеницы была больше фитомассы овса в 2-3 раза. К третьей декаде июля фитомасса овса увеличивалась и различия с пшеницей по фитомассе уменьшались. При этом наблюдали различие в аспектах: у овса зеленый, а у пшеницы - желтовато-зеленый. Для зерновых культур в июне-июле преобладала масса вегетативных органов, со второй декады июля происходило формирование генеративной массы, и в дальнейшем данный показатель увеличивался вплоть до преобладания над другими агрогруппами.
В Минусинском районе посев гречихи (контур 7) в середине июня был представлен всходами. С середины июня до середины июля отмечено быстрое увеличение общего проективного покрытия до 95-100% и снижение показателя к сентябрю за счет опадения листьев (7886%), поэтому опад в данном посеве составил 22,6 ц/га.
Аспект гречихи в течение вегетационного периода изменялся - с зеленого на начало бутонизации, через беловато-зеленый в период массового цветения, до красновато-бурого цвета на стадии созревания урожая.
1. Показана возможность изучения состояния растительности посевов овса, пшеницы, гречихи и кострецовых залежей по спектральным характеристикам спутниковых изображений Modis (в течение вегетационного сезона) в семиаридных условиях Минусинской котловины.
2. Предложены оптимальные стадии для анализа состояния агроценозов космической съемки на территории тестовых участков Минусинской котловины: а) стадия интенсивного кущения - выход в трубку посевов; б) стадия массового развития генеративных органов; в) стадия созревания.
3. Сорная растительность, накапливающая большую фитомассу, влияет на значения спектральных характеристик, в частности повышая значения вегетационного индекса. Например, для агроценоза, состоящего из пшеницы и Panicum dichotomiflorum Michx., в сентябре были получены более высокие значения индексов по сравнению с остальными посевами пшеницы.
4. Показаны количественные различия по спутниковым и наземным данным в параметрах состояния в различных типах агроценозов. Например, сходные максимальные значения NDVI в июле (0,77-0,78) соответствуют посевам с различной продуктивностью сырой надземной фитомассы
- 256,7 ц/га (гречиха), 99,6 ц/га (пшеница).
5. Показано, что для правильной интерпретации спутниковой информации необходимо учитывать экологические условия вегетационного сезона, сроки прохождения фаз развития культурными растениями и особенности динамики прироста надземной фитомассы агроценозов, поскольку одинаковые культуры могут иметь различный аспект в разные фазы онтогенеза, а скорость смены фенофаз зависит от экологических условий.
Такой комплексный подход к интерпретации спутниковых данных при мониторинге агроценозов позволяет объяснить отдельные элементы кривой сезонного хода вегетационной кривой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Созинов А.А. Агросфера как объект целевого исследования с помощью ДЗЗ и ГИС для улучшения управления территориальным развитием и
сохранения природного разнообразия // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. Сер. География. 2004. Т. 17 (56), № 2. С. 72-87.
2. Барталев С.А. Классификация некоторых типов сельскохозяйственных посевов в южных регионах России по спутниковым данным Modis //
Исследование Земли из космоса. 2006. № 3. С. 68-75.
3. ПовхВ.И. Космический мониторинг сельскохозяйственных угодий Ростовской области // Исследование Земли из космоса. 2006. № 3. С. 89-96.
4. Савостьянов В. К. Решая задачи эффективного и экологически безопасного ведения сельскохозяйственного производства в аридной зоне
Алтае-Саянского экорегиона. Абакан: Март, 2007. 36-37 с.
5. Лысанова Г.И. Ландшафтный анализ агроприродного потенциала геосистем / Под ред. Ю.М. Семенова. Иркутск: Изд-во Ин-та географии
СО РАН, 2001. 187 с.
6. Chen D. Vegetation water content estimation for corn and soybeans using spectral indices derived from MODIS near- and short-wave infrared bands //
Remote Sensing of Environment. 2005. Vol. 98. P. 225-236.
7. Пугачева И.Ю. Мониторинг состояния посевов сельскохозяйственных культур по динамике вегетационного индекса // Решетневские чтения:
Материалы XI Междунар. науч. конф., посв. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева / Под ред. И.В. Ковалева. Красноярск: Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т, 2007. С. 94.
8. Родин Л.Е. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах. Л.: Наука, 1968. 143 с.
9. Словарь-справочник по агрофитоценологии и луговедению / А.М. Гродзинский, Ю.А. Злобин, В.М. Миркин, Л.Г. Наумова; Под ред.
А.М. Гродзинского, Ю.Р. Шеляг-Сосонко. Киев: Наукова думка, 1991. 136 с.
10. Вавилов П.П. Практикум по растениеводству. М.: Колос, 1983. 352 с.
11. Зоркина Т.М. Фитоценология: Учеб.-метод. пособие для студентов. Абакан: Изд-во Хакас. гос. ун-та, 2003. 48 с.
Статья представлена научной редакцией «Биология» 20 февраля 2009 г.
С первой декады июля общая сырая фитомасса увеличивалась с 56,5 до 256,7 ц/га ко второй декаде июля, к сентябрю отмечалось снижение до 82,8 ц/га (рис. 11).
Э масса генеративных органов □ масса сорных растений — общая фитомасса
1 вегетативная масса □ ветошь и мортмасса
Рис. 11. Динамика сырой фитомассы посева гречихи (контур 7)
Посев гречихи (контур 7) в середине июня представлен всходами и имел N□'=0,39, в конце июля N□'1 достигал максимального значения 0,77 и к сентябрю снижался до 0,57 (рис. 12). Быстрый прирост гречихи в начале июля наблюдали и в динамике вегетационного индекса.
Рис. 12. Динамика КЭУ1 агроценоза гречихи (контур 7)
Пропашные культуры отличаются от прочих более поздними сроками посадки и значительно большей надземной фитомассой, а также различием в аспектах.
В результате анализа полученных данных были сделаны следующие выводы:
14.06
□2.07
13.08
□7.09
