CC BY
34
DOI 10.32417/1997-4868-2019-191-12-19-30 УДК 633.11«324»:581.144:581.131.1(470.63) Код ВАК 06.01.01
Р
S
Использование NDVI для определения содержания азота в растениях озимой пшеницы в условиях Ставропольского края
И. Г. Сторчак1, И. В. Чернова1®3, Ф. В. Ерошенко1, Т. В. Волошенкова1, Е. О. Шестакова1 1 Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр, Михайловск, Россия
аE-mail: [email protected]
Аннотация. Недостаток азота приводит к снижению урожая и качества зерна у растений озимой пшеницы. Поэтому необходимо контролировать азотное питание в течение всего периода роста и развития растений, что позволит оперативно оценить потребности в минеральных подкормках с целью получения высоких урожаев качественного зерна. Цель исследования - установить возможность использования нормализованного разностного вегетационного индекса (NDVI) для мониторинга растений озимой пшеницы на предмет содержания азота в условиях Ставропольского края. Методы. Работа выполнена в ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр» на производственных посевах озимой пшеницы. Отборы растительных образцов (сноповой материал) проводили по общепринятой методике. Повторность - четырехкратная. Определение химического состава органов растений проводили по методике В. Т. Куркаева с соавторами, а содержание хлорофилла - по Милаевой и Примак. Результаты. Так как качество зерна озимой пшеницы напрямую зависит от обеспеченности растений азотом, были изучены взаимосвязи между содержанием азота в растениях озимой пшеницы и значениями вегетационного индекса NDVI. Получены высокие коэффициенты корреляции между этими показателями. Так, в среднем по полям Rcorr в 2012 году был равен -0,89, а в 2013 и 2014 годах -0,82. Кроме того, ввиду зависимости содержания азота от количества хлорофилла удалось провести анализ корреляционной связи между этим показателям и NDVI полей, который показал устойчивую обратную связь с количеством хлорофилла в единице биомассы (мг/г) (в среднем оценивается величиной -0,79). Выявлена взаимосвязь между качеством зерна и данными дистанционного зондирования Земли. Наиболее явно она прослеживается в случае с максимальным и средним NDVI за период от возобновления весенней вегетации до пол- о ной спелости зерна озимой пшеницы. h
Ключевые слова: вегетационный индекс, динамика NDVI, озимая пшеница, содержание азота, содержание хлоро- k филла, качество зерна, коэффициенты корреляции, ДЗЗ. р
Р
Для цитирования: Сторчак И. Г., Чернова И. В., Ерошенко Ф. В., Волошенкова Т. В., Шестакова Е. О. Использование h NDVI для определения содержания азота в растениях озимой пшеницы в условиях Ставропольского края // Аграр- о ный вестник Урала. 2019. № 12 (191). С. 19-31. DOI: 10.32417/1997-4868-2019-191-12-19-30. о
Дата поступи статьи: 13 09 2019. V
Постановка проблемы (Introduction) снижению производства высококачественного зерна в g
Производство озимой пшеницы традиционно являет- Ставропольском крае (хотя валовый его сбор за послед- e
ся ведущей отраслью сельского хозяйства Ставрополь- ние годы увеличился), является медленный рост вноси- k
ского края и в значительной степени определяет развитие мых минеральных удобрений [6, с. 24]. Поэтому необхо- Р
других отраслей [1, с. 2121]. Получение высококачествен- димо контролировать азотное питание на протяжении Р
ного урожая зерна озимой пшеницы является актуальной всего периода роста и развития растений, что позволит Р
задачей сельхозтоваропроизводителей, которая сегодня своевременно принять необходимые корректировки для g
решается путем разработки быстрых и надежных мето- получения высоких урожаев качественного зерна. Зача- g
дов мониторинга посевов и контроля хода формирования стую способы определения содержания азота в растени- e
урожая и качества зерна. Для этого все чаще используют ях требуют лабораторных анализов, очень трудоемки и k
данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) [2, длительны по времени. a
с. 202; 3, с. 39]. Спутниковые снимки различного про- В литературе встречаются отдельные работы, свиде- E
странственного и временного разрешения [4, с. 162] по- тельствующие о том, что содержание азота в растениях °
зволяют получать информацию о состоянии посевов на оказывает влияние на данные дистанционного зондиро- Р
разных территориальных уровнях: отдельное поле, район вания Земли [7, с. 118]. К сожалению, таких исследований
или край. Недостаток азотного питания растений озимой крайне мало, а для условий Ставропольского края они не a
пшеницы приводит к снижению не только урожая, но и проводились вовсе. Так как Ставрополье является одним g
качества зерна [5, с. 106]. Одной из причин, ведущих к из лидеров в Российской Федерации по производству вы- р
ы
> OQ
I-!
О
г+
п>
0 tr ¡3
1
сю h-
п>
сл
сл СГ г>
о <м
и о и
ей
н
о <ц
о
и
ей
и о и и
<ц
о «
о РП
РЗ
Н
О И
и
<и
■а
о ^
и
РЗ
О
ей И
О
и
<и РЗ
м &
(Г ^
о н
е.;
Рис. 1. Размещение посевов озимой пшеницы: а) 2012 год, Ь) 2013 год, с) 2014 год
>
CTQ
i-i O
rift)
0 tr ¡3
1
CTQ i—1*
rt)
Vi
Fig. 1. Placement of winter wheat crops: a) 2012, b) 2013, c) 2014
s
S
!н
о к о к
и
<и н О Л
1н
<
сококачественного зерна пшеницы, разработка методов объективного контроля условий азотного питания посевов для этого региона приобретает особую актуальность. Поэтому целью нашей работы было установление возможности использования нормализованного разностного вегетационного индекса (NDVI) для контроля содержания азота в растениях озимой пшеницы в условиях Ставропольского края.
Методология и методы исследования (Methods)
Работа выполнялась с 2012 по 2018 годы в ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр» на производственных посевах озимой пшеницы
(рис. 1) [8]. В работе анализировали данные, полученные в фазы весеннего кущения, трубкования, колошения, налива зерна. Отборы растительных образцов (сноповой материал) проводили по общепринятой методике. По-вторность - четырехкратная.
Почвы полей Северо-Кавказского ФНАЦ представлены черноземом обыкновенным, среднемощным, малогу-мусным, тяжелосуглинистым. Реакция почвенных образцов пахотного слоя почвы слабощелочная и нейтральная. Содержание гумуса в слое 0-20 см почвы за весь период наблюдения у всех полей было низкое и находилось в переделах 3,17-3,77 %.
Количество продовольственного зерна, Н
Г~1 ueiftwrlJ " ВМЦ ЦП ih.ih.uic Si
Качества зерне •' '> 3 класса, 9£
J ШЛ 1Г
Рис. 2. Распределение по территории Ставропольского края качества зерна и характеристик динамики КВУ1 озимой пшеницы
в 2012-2018 гг.
NDVI AVERAGE
Oi-ИЛ ■■ O.iJ-O.JS
Fig. 2. Distribution of grain quality and characteristics of NDVI dynamics of winter wheat on the territory of Stavropol region in the years
2012-2018
В среднем по полям содержание подвижного фосфора в пахотном слое было в пределах 23-27 мг/кг, азота -находилось в пределах 0,22-0,23 %. У представленных полей содержание обменного калия варьировалось от 140 мг/кг до 470 мг/кг.
Климатические условия 2011-2012 гг. Осенью 2011 г. погодные условия в крае складывались не совсем благоприятно для посева и получения всходов озимой пшеницы. Третья декада сентября отличалась повышенными температурами и недобором осадков. Дожди, способствующие всходам, прошли в 1 и 2 декадах октября. Длительность осенней вегетации в третьей декаде октября была меньше обычной (50-60 дней), причиной этому послужили низкие температуры. Кроме того, наблюдалось позднее возникновение весенней вегетации (переход через +5 °С отмечен в третьей декаде марта). Сложившиеся погодные условия не позволили растениям озимой пшеницы в достаточной мере раскуститься и сформировать оптимальный стеблестой. В апреле и мае отмечался недобор осадков (57 % и 21 % соответственно) на фоне высоких температур (апрель - превышение среднемноголетнего значения на 4,3 °С, май - на 3,7 °С). В результате таких экстремальных условий наблюдалось ускорение (на 10 дней) сроков наступления фенофаз. В июне, при формировании и наливе зерна, условия вегетации ухудшились (температура превышала среднемно-голетнее значение на 2,6 °С), что значительно отразилось на конечном урожае.
2012-2013 гг. Относительно неблагоприятно для сева и появления всходов растений озимой пшеницы сложились агроклиматические условия осени 2012 г. Температурные режимы сентября и октября были превышены в среднем на 2,2 °С и 4,6 °С соответственно на фоне половинной нормы осадков в сентябре и при засушливом октябре (недобор осадков составил 85 %). В первой декаде декабря наблюдался благоприятный водный режим (220 % от нормы), кроме того, высокие температуры на протяжении всего декабря (+6,3 °С, что на +2,6 °С выше нормы) положительно сказывались на развитии посевов озимой пшеницы.
Температурный режим зимних месяцев в крае был превышен на 1,5 °С многолетних значений, наблюдался недобор осадков (43 %). На 14 дней раньше обычного срока отмечалось возобновление весенней вегетации. В марте выпало две нормы осадков, на 2,2 °С температура воздуха превышала среднемноголетние значения. В апреле отмечался недостаточный уровень осадков, температурный режим оставался повышенным. Первая и вторая декады мая характеризовались повышенными температурами (на 4,4 °С выше среднемноголетних значений в первой декаде, на 2,0 °С - во второй). При этом количество осадков второй декады составило около 162 % от среднемноголетних значений. Условия первой декады июня были благоприятными для налива зерна озимой пшеницы. В дальнейшем наблюдалась повышенная температура воздуха (на 2,4 °С выше среднемноголетнего значения во второй декаде и на 1,7 °С - в третьей), недобор осадков в третьей декаде июня составил половину нормы.
2013-2014 гг. Благоприятные условия для роста и развития растений озимой пшеницы сложились в сентябре и октябре 2013 г. В эти месяцы наблюдалось обильное выпадение осадков. На 15 дней раньше среднемноголетных сроков наступило возобновление весенней вегетации. В начале весны средняя температура превышала норму на 2,7 °С, количество осадков в марте составило 129 % от среднемноголетнего значения. В апреле наблюдался недобор осадков (19 %) на фоне пониженной температуре воздуха (на 0,5 °С). Ситуация изменилась в мае, когда температура воздуха превышала норму на 2,8 °С, но обильные осадки (168 %) не позволили оказать отрицательного влияния на ход формирования урожая озимой пшеницы. Благоприятные погодные условия мая компенсировали недобор осадков в июне (46 %). Кроме того, была близка к норме (21,3 °С) и среднемесячная температура воздуха. Таким образом, погодные условия благоприятно влияли на формирование урожая озимой пшеницы в 2014 году.
В целом в 2011-2012 сельскохозяйственном году наблюдалось раннее прекращение осенней и позднее возобновление весенней вегетации на фоне повышенного температурного режима и значительного недобора осадков в весенне-летний период. В начале 2012-2013 сельскохозяйственного года (сентябрь, октябрь) отмечалась сильная засуха, которая в значительной степени компенсировалась благоприятными условиями ноября и декабря, кроме того, отмечалось раннее возобновление весенней вегетации и своевременное выпадение осадков в репродуктивный период. Наиболее благоприятным как по температурному режиму, так и по количеству осадков был 2013-2014 сельскохозяйственный год, положительное влияние наблюдалось во все периоды роста и развития озимой пшеницы.
Нормализованный разностный вегетационный индекс получали с помощью сервиса «Вега» ИКИ РАН [9, с. 581]. Определение химического состава органов растений озимой пшеницы проводили по методике В. Т. Кур-каева с соавторами, а содержание хлорофилла - по Мила-евой и Примак. Также для анализа использовали данные Статуправления Ставропольского края.
Статистические данные по качеству зерна озимой пшеницы предоставлены Ставропольским филиалом ФГБУ «Федеральный центр оценки безопасности и качества зерна и продуктов его переработки» [10].
Математическую и статистическую обработку полученных данных проводили на персональном компьютере с помощью пакета программ Microsoft Office 2010.
Результаты (Results)
Нами были построены карты распределения качества зерна озимой пшеницы и различных показателей, характеризующих динамику NDVI озимой пшеницы по каждому району Ставропольского края (рис. 2).
На рисунке представлены показатели ДЗЗ, наиболее тесно связанные с качеством зерна. Полного совпадения ни с одной из характеристик нами не выявлено. Однако для таких показателей, как максимальный и средний NDVI за период от начала весенней вегетации до полной спелости, связь прослеживается. Так, максимальные их значения отмечены на территории Изобильного город-
> CTQ
I-!
О
г+
п>
0 tr ¡3
1
CTQ h-
п>
СЛ
s s
Ih
О R О X
и
<u н О
л
1н
<
ского округа (ГО) и Новоалександровского ГО, а также Шпаковского муниципального района (МР), Кочубеев-ского и Предгорного МР, а минимальные - Ипатовского и Нефтекумского ГО, Апанасенковского, Арзгирского и Левокумского МР.
Анализ данных качественных показателей зерна показал, что наибольшее количество зерна 2-го и 3-го классов в Ставропольском крае в 2012-2018 гг. получают в таких муниципальных районах, как Александровский, Кочубе-евский, Новоселицкий, Степновский, Курский, а также в Благодарненском, Минераловодском, Георгиевском и Советском ГО. Наименьшее - в Красногвардейском МР,
Петровском ГО, Левокумском МР, Арзгирском МР, Гра-чевском МР и Шпаковском МР. Максимальное количество продовольственного зерна было выращено на территории Кочубеевского, Александровского и Новоселицкого районов. Минимальные значения этого показателя отмечены в Петровском ГО, Буденновском, Апанасенковском, Предгорном, Туркменском и Арзгирском муниципальных районах. В целом по Ставропольскому краю ухудшение качества производимого зерна озимой пшеницы происходит с запада на восток, так как в этом направлении изменяются почвенно-климатические зоны, следовательно, и условия выращивания.
5,0 п
2012 г.
4,0 -
а
ч
ч =
о &
о
Ч
3,0
2,0 -
а
и ч о U
1,0 -
y = -10,97x + 8,61 ♦ R2 = 0,96
0,0
0,30 0,50 0,70 NDVI посевов
5,0
2014 г.
а
Ч
ч =
■&
о а о
ч
X
е
4,0
3,0
2,0
а е
п о
U
1,0
0,0
= -36,24x + 26,90
R2 = 0,79 -1-1-1
0,50 0,60 0,70 0,80
NDVI посевов
Рис. 3. Регрессионные модели зависимости КВУ1 посевов от количества хлорофилла в органах растений озимой пшеницы
0,30 0,50 0,70 NDVI of crops
0,50 0,60 0,70 0,80 NDVI of crops
0,0
0,50 0,60 0,70 0,80 NDVI of crops
Fig. 3. Regression models of the dependence of NDVI crops on the amount of chlorophyll in the organs of winter wheat plants
о4 «
Н О
м «
О«
X
«
М &
V Ч О
и
| кущение ■ трубкование ■ колошение налив зерна
4
о4 3,5
« 3
Н О 2,5
м 2
«
О« 1,5
X 1
<Я
£ 0,5
& ш 0
ч
о
и
4,5
Ч® 4
П 3,5
Л О
н 3
О 2 5
М 2,5
« 2 V
¡8 1,5
X ,
« 1
М 0,5
а п
« 0
ч о
и
Поле 1 Поле 2 Поле 3 Поле 4 Поле 5 Поле 6 Поле 7 Поле 8
2013 год
I кущение ■ трубкование ■ колошение I налив зерна
4,4
Поле 1 Поле 2 Поле 3 Поле 4 Поле 5 Поле 6 Поле 7 Поле 8 Поле 9 Поле 10
2014 год
■ кущение ■ трубкование ■ колошение ■ налив зерна
Рис. 4. Динамика относительного содержания азота в растениях озимой пшеницы
Так как качество зерна напрямую зависит от обеспеченности посевов азотом, то есть основание предположить наличие связи между данными дистанционного зондирования Земли с содержанием этого элемента минерального питания в растениях озимой пшеницы.
Исследования по определению содержания азота в растениях на основе данных ДЗЗ связаны с использованием оптических характеристик посевов. Так, отражение в красной области спектра зависит от содержания хлорофилла в растениях озимой пшеницы. В свою очередь,
>
СТО 1-! О
г+
П>
0 ЕГ ¡3
1 0
сто
I—
п>
сл
динамика содержания хлорофилла параллельна динамике концентрации азота в растениях.
Мы проанализировали несколько показателей, связанных с хлорофиллом, характеризующих фотосинтетический аппарата растений: на единицу площади ассимиляционной поверхности - мг/дм2, относительное содержание зеленых пигментов в единице биомассы - мг/г, а также валовое их количество на 1 квадратном метре посева - г/м2. Провели анализ корреляционной связи между хлорофилловыми показателями посевов озимой пшеницы
Аграрный вестник Урала № 12 (191), 2019 г.
s
S
1н
о К о к
и
<и н о Л
1н
<
4«
S
S ф
о
IS £
£
5 4 3 2 1 4 о
3,95
4,01
3-67-
4,16
-37-
Field 1
tillering
tw §
tw
s ©
I £
4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
Field 4 Field 5 year 2012
trumpeting ■ heading
3,89
Field 6
Field 7
grain filling
Field 1
tillering
trumpeting
Field 5 year 2013
■ heading
grain filling
4« «
« § £ £
37-
3,98
4,4
401 4.05
3,99
95
Ж,
92
3,47
1,91
0
99 fl
086-Ш9
Field 1
Field 2
Field 3
Field 4 Field 5
year 2014
■ tillering ■ trumpeting sheading M grain filling
Fig. 4. Dynamics of relative nitrogen content in winter wheat plants
и NDVI для набора полей при разных технологических (сорт, предшественник, удобрения) и погодных (2012, 2013 и 2014 гг.) условиях выращивания. Установили, что корреляционная взаимосвязь достаточно неоднозначна как по годам, так и по объектам, показателям.
Из рассмотренных показателей, связанных с хлорофиллом, наиболее устойчивая связь NDVI прослеживается с содержанием хлорофилла в единице биомассы растений. Эту величину часто используют для определения размеров фотосинтетического аппарата вместе с валовым количеством зеленых пигментов на квадратном метре посева.
В результате анализа полученных данных удалось установить, что коэффициент корреляции между NDVI и относительным содержанием хлорофилла в мг/г составляет величину -0,79 в среднем по всем изученным полям
за годы исследований, что указывает на существенную зависимость данных ДЗЗ с количеством фотосинтетических пигментов в органах растений озимой пшеницы.
В результате были построены регрессионные модели, отражающие зависимость NDVI посевов озимой пшеницы от содержания хлорофилла в различных органах растений озимой пшеницы, они наглядно демонстрируют влияние внешних факторов на взаимосвязь между этими оптико-биологическими характеристиками (рис. 3).
Таким образом, наиболее тесная и стабильная взаимосвязь между хлорофилловыми показателями растений озимой пшеницы и вегетационным индексом посевов наблюдается в случае с относительным содержанием зеленых пигментов в единице биомассы, коэффициент корреляции составляет величину -0,79.
Рис. 5. Коэффициенты корреляции NDVI с содержанием азота в растениях озимой пшеницы
4«
.у
№ О У
а
.о «
3
-0,72 --0,77 -0,82 -0,87 -0,92 J
1 1 1 1
-0.82 -0.82
-0.84
-0.89
2012 average 2013 average 2014 average Year average
Fig. 5. Correlation coefficients of NDVI with nitrogen content in winter wheat plants
Нами было изучено изменение содержания азота в растениях в течение вегетации (рис. 3). В 2012 году в фазу кущения опытные образцы имели достаточно высокие показатели относительного содержания азота в растениях. Среди них выделяется поле 6 (4,16 %), которое вплоть до периода налива зерна имело высокий показатель (1,45 %) по сравнению с другими образцами. Наиболее низкое содержание азота в фазу кущения наблюдалось на 4-м поле -3,58 %, но к периоду налива зерна разрыв в показателях сократился и составил 1,12 %, что превышало среднее значение по всем полям (1,06 %). В целом в 2012 г. доля азота в растениях озимой пшеницы значительно превышала показатели 2013, 2014 гг., особенно в периоды колошения и налива зерна.
Результаты растительной диагностики в фазу кущения в 2013 году отразили значительное отставание показателя содержания азота в растениях на всех опытных полях по сравнению с 2012 и 2014 гг. (3,08 % от 3,84 % и 3,86 % соответственно). На поле 7 отличалось самым низким показателем - 2,67 %. В последующие фазы погодные условия способствовали стиранию различий между годами. Так, в период налива зерна средняя доля содержания азота по опытным полям в 2013 г. составила 0,88 %, что выше показателя 2014 г. на 0,06 %.
> 0Q
I-!
О
г+
п>
0 tr ¡3
1
OQ h-
п>
СЛ
Анализ относительного содержания азота в растениях озимой пшеницы в 2014 году показал значительную его неустойчивость. Существенные изменения этого показателя были связаны с резким его сокращением при переходе с фазы кущения к фазе трубкования, что, по-видимому, связано с недобором осадков. Так, на 4-м опытном поле относительное содержание азота сократилось с 4,4 % до 1,53 %. В среднем по полям этот показатель составил 1,71 %, что значительно меньше, чем в 2012 и 2013 гг. (2,41 % и 2,42 % соответственно). К фазе налива зерна разрыв значений по годам сократился и составил 0,82 %.
Нами проведен анализ взаимосвязи между содержанием азота в растениях озимой пшеницы и значениями вегетационного индекса NDVI. Были получены довольно высокие коэффициенты корреляции между этими показателями. Так, в среднем по полям Rcorr. в 2012 году был равен -0,89, а в 2013 и 2014 годах - 0,82 (рис. 4).
Обсуждение и выводы (Discussion and Conclusion) 1. Для условий Ставропольского края существует взаимосвязь между качеством зерна озимой пшеницы и данными дистанционного зондирования Земли. Наиболее тесной она отмечается в случае с максимальным и средним NDVI за период от возобновления весенней вегетации до полной спелости.
2. Динамика содержание азота в растениях напрямую 3. Существует обратная связь между вегетационным
связана с содержанием хлорофилла. В случае определе- индексом NDVI и содержанием азота в растениях ози-
ния содержания хлорофилла в растениях озимой пшени- мой пшеницы, которая в среднем по годам оценивается
цы данные ДЗЗ наилучшим образом коррелируют с от- коэффициентом корреляции равным -0,84. Полученные
g носительным содержанием зеленых пигментов в единице результаты свидетельствуют о том, что нормализованный
^ биомассы, коэффициент корреляции составляет величину разностный вегетационный индекс (NDVI) вполне допу-
О -0,79. стимо использовать для оперативного дистанционного
О контроля содержания азота в растениях озимой пшеницы. £ И
^ Библиографический список
^ 1. Eroshenko F. V., Simatin T. V., Godunova E. I., Dridiger V K., Storchak I. G. Using physiologically active substances into
fn the technology for winter wheat cultivation in the zone of unstable moistening of the Stavropol region // Research Journal of
<
Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2018. Т. 9. No. 5. Pp. 2121-2128. DOI: 10.25930/gwmr-ad54.
2. Волкова E. С. Использование ГИС-технологий в сельском хозяйстве Ставропольского края // Проблемы рационального природопользования и пути их решения: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 45-летию ФГБОУ ВО «ДГТУ». Mахачкала, 2018. С. 202-204.
3. Фомин Д. С., Чащин А. Н. Вегетационный индекс NDVI в оценке зерновых культур опытных полей Пермского НИИСХ // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 4 (72). С. 39-42.
4. Eлкина E. С., Барталев С. А., Толпин В. А., Лупян E. А. Возможности сервиса спутникового мониторинга ВEГА // Современные подходы к изучению экологических проблем в физической и социально-экономической географии: сборник материалов X Mеждународной молодежной школы-конференции Института географии PАH. Mосква, 2017. С. 162-163.
5. Федулов Ю. П., Подушин Ю. В., Mязина А. Н., Чухиль А. А., Сафонова Т. Г. Связь нормализованного индекса вегетации (NDVI) с урожайностью посевов озимой пшеницы // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: сборник статей по материалам 71-й научно-практической конференции преподавателей по итогам HKP за 2015 год. Краснодар, 2016. С. 106-107.
6. Ториков В. E., Осипов А. А. Влияние условий выращивания и минеральных удобрений на урожайность и качество зерна озимой пшеницы // Аграрный вестник Урала, 2015. № 6 (136). С. 24-28.
7. Eрошенко Ф. В. Оценка качества зерна озимой пшеницы в Ставропольском крае по данным дистанционного зондирования Земли // Бюллетень Ставропольского научно-исследовательского института сельского хозяйства. 2017. № 9. С. 118-128.
8. Доспехов Б. А. Mетодика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований): учебник для высших сельскохозяйственных учебных заведений. Стереотип. изд., перепеч. с 5-го изд., доп. и перераб., 1985. M.: Альянс, 2014. 351 с.
9. Толпин В. А., Лупян E. А., Барталев С. А., Плотников Д. E., Mатвеев А. M. Возможности анализа состояния сельскохозяйственной растительности с использованием спутникового сервиса «ВEГА» // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. № 7 (306). С. 581-586.
10. О качестве зерна, произведенного в Pоссийской Федерации [Электронный ресурс]. URL: http://www.fczerna.ru/ News.aspx?id=6445 (дата обращения: 10.04.2019).
11. Eрошенко Ф. В., Барталев С. А., Кулинцев В.В., Сторчак И.Г., Шестакова E^., Симатин Т.В. Возможности региональной оценки качества зерна озимой пшеницы на основе спутниковых данных дистанционного зондирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 7. С. 153-165. DOI: 10.21046/20707401-2017-14-7-153-165.
12. Лупян E. А., Барталев С. А., Крашенинникова Ю. С., Плотников Д. E., Толпин В. А., Уваров И. А. Анализ развития озимых культур в южных регионах Eвропейской части Pоссии весной 2018 года на основе данных дистанционного мониторинга // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 1. С. 266-271. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-1-266-271.
13. Лупян E. А., Барталев С. А., Крашенинникова Ю. С. Наблюдение аномально раннего развития сельскохозяйственных культур в южных регионах Pоссии весной 2016 года на основе данных дистанционного мониторинга // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 2. С. 240-243. DOI: 10.21046/2070-74012016-13-2-240-243.
14. ГОСТ P 54478-2011. Зерно. Mетоды определения количества и качества клейковины в пшенице [Электронный ресурс]. URL: https://internet-law.ru/gosts/gost/51588 (дата обращения: 22.04.2019).
15. Pashkova G. I., Kuzminykh A. N., Gryazina F. I., Evdokimova M. A., Novoselov S. I., Ivanova A. V. The activity of glu-tamine synthetase enzyme, content of ammonia and phytometrcal indexes of spring wheat planting depending on different tie periods and doses of nitrogen fertilizers // Biology and Medicine. 2016. T. 8. No. 7. P. 352.
Об авторах:
Ирина Геннадьевна Сторчак1, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник отдела физиологии растений, ORCID 000-0001-8741-6882, AuthorID 760778; +7 918 747-02-56, [email protected]
Ирина Владимировна Чернова1, кандидат географических наук, старший научный сотрудник лаборатории оценки экологического состояния агроценозов, ORCID 0000-0001-7438-6880, AuthorlD 744093; +7 918 885-79-37, chernova_skfu@mail. ru
Федор Владимирович Ерошенко1, доктор биологических наук, заведующий отделом физиологии растений, ORCID 0000-0003-0238-3861, AuthorlD 319650; +7 962 454-14-96, [email protected]
Татьяна Владимировна Волошенкова1, кандидат сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник лаборатории оценки экологического состояния агроценозов, ORCID 0000-0001-9323-3708, AuthorlD 69271; +7 909 385-80-55, [email protected]
Елена Олеговна Шестакова1, научный сотрудник лаборатории ГИС-технологий, ORCID 0000-0001-5764-0576, AuthorlD 917940; +7 988 858-18-85, [email protected] 1 Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр, Михайловск, Россия
The use of NDVI to determine the nitrogen content in winter wheat plants in the Stavropol region
I. G. Storchak1, I. V. Chernova1E3, F. V. Eroshenko1, T. V. Voloshenkova1, E. O. Shestakova1 1 North Caucasian Federal Scientific Agrarian Center, Mikhailovsk, Russia
631E-mail: [email protected]
Abstract. Lack of nitrogen leads to a decrease in yield and grain quality in winter wheat plants. Therefore, it is necessary to monitor nitrogen nutrition throughout the period of growth and development of plants, which will quickly assess the need for fertilizing to obtain high yields of quality grain. Therefore, the aim of the study was to establish the possibility of using the normalized difference vegetation index (NDVI) to control the nitrogen content in winter wheat plants in the Stavropol territory. Methods. The work was performed in federal state budgetary scientific institution "North-Caucasian Federal Agricultural Research Centre" at the production of winter crops. Selection of plant samples (sheaf material) was carried out according to the generally accepted method. Repeated - 4x. Determination of the chemical composition of plant organs was carried out by the method of V. T. Kurkaev with co-authors, and the content of chlorophyll - Milaeva and Primak. Results. Since the quality of winter wheat grain directly depends on the nitrogen supply of plants, the relationships between the nitrogen content in winter wheat plants and the values of the vegetation index NDVI were studied. High correlation coefficients between these indicators are obtained. Thus, the average of Rcorr fields.in 2012 it was equal to -0.89, and in 2013 and 2014 -0.82. In addition, due to the dependence of nitrogen content on the amount of chlorophyll, it was possible to analyze the correlation between these indicators and NDVI fields, which showed that a stable relationship (inverse) is observed in the case of the amount of chlorophyll per unit biomass (mg/g), which is estimated on average at -0.79. The interrelation between grain quality and earth remote sensing data is revealed. It is most clearly seen in the case of the maximum and average NDVI for the period from the resumption of spring vegetation to full ripeness of winter wheat. Scientific novelty. For the first time in the conditions of unstable humidification of the Stavropol territory, a high inverse correlation between the vegetation index NDVI and the nitrogen content in winter wheat plants was determined, which on average is estimated by the correlation coefficient equal to -0.84.
Keywords: vegetation index, NDVI dynamics, winter wheat, nitrogen content, chlorophyll content, grain quality, correlation coefficients, remote sensing.
For citation: Storchak I. G., Chernova I. V., Eroshenko F. V., Voloshenkova T. V, Shestakova E. O. Ispol'zovaniye NDVI dlya opredeleniya soderzhaniya azota v rasteniyakh ozimoy pshenitsy v usloviyakh Stavropol'skogo kraya [The use of NDVI to determine the nitrogen content in winter wheat plants in the Stavropol region] // Agrarian Bulletin of the Urals. 2019. Pp. 19-30. DOI: 10.32417/1997-4868-2019-191-12-19-30. (In Russian.)
Paper submitted: 13.09.2019.
References
1. Eroshenko F. V., Simatin T. V., Godunova E. I., Dridiger V K., Storchak I. G. Using physiologically active substances into the technology for winter wheat cultivation in the zone of unstable moistening of the Stavropol region // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2018. T. 9. No. 5. Pp. 2121-2128. DOI: 10.25930/gwmr-ad54.
2. Volkova E. S. Ispol'zovaniye GIS-tekhnologiy v sel'skom khozyaystve Stavropol'skogo kraya [Use of GIS technologies in agriculture of Stavropol territory] // Problemy ratsional'nogo prirodopol'zovaniya i puti ikh resheniya: sbornik materialov Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, posvyashchennoy 45-letiyu FGBOU VO "DGTU". Makhachkala, 2018. Pp. 202-204. (In Russian.)
3. Fomin D. S., Chashchin A. N. Vegetatsionnyy indeks NDVI v otsenke zernovykh kul'tur opytnykh poley Permskogo NI-ISKH [Vegetation index NDVI in the assessment of grain crops of experimental fields of Perm Scientific Research Institute of Agriculture] // Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2018. No. 4 (72). Pp. 39-42. (In Russian.)
4. Elkina E. S., Bartalev S. A., Tolpin V. A., Lupyan E. A. Vozmozhnosti servisa sputnikovogo monitoringa VEGA [VEGA satellite monitoring service capabilities] // Sovremennyye podkhody k izucheniyu ekologicheskikh problem v fizicheskoy i sotsial'no-ekonomicheskoy geografii: sbornik materialov X Mezhdunarodnoy molodëzhnoy shkoly-konferentsii Instituta geo-grafii RAN. Moscow, 2017. Pp. 162-163. (In Russian.) g 5. Fedulov Yu. P., Podushin Yu. V., Myazina A. N., Chukhil' A. A., Safonova T. G. Svyaz' normalizovannogo indeksa vegetatsii ^ (NDVI) s urozhaynost'yu posevov ozimoy pshenitsy [The relationship between the normalized vegetation index (NDVI) and the О yield of winter wheat crops] // Nauchnoye obespecheniye agropromyshlennogo kompleksa: sbornik statey po materialam 71-y O nauchno-prakticheskoy konferentsii prepodavateley po itogam NIR za 2015 god. Krasnodar, 2016. Pp. 106-107 (In Russian.) p 6. Torikov V E., Osipov A. A. Vliyaniye usloviy vyrashchivaniya i mineral'nykh udobreniy na urozhaynost' i kachestvo ^ zerna ozimoy pshenitsy [The influence of growing conditions and mineral fertilizers on the yield and quality of grain of winter ^ wheat] // Agrarian Bulletin of the Urals. 2015. No. 6 (136). Pp. 24-28. (In Russian.)
fn 7. Eroshenko F. V. Otsenka kachestva zerna ozimoy pshenitsy v Stavropol'skom kraye po dannym distantsionnogo zondirovani-
<
ya Zemli [Grain quality assessment of winter wheat in the Stavropol Territory according to Earth remote sensing data] // Byul-leten' Stavropol'skogo nauchno-issledovatel'skogo instituta sel'skogo khozyaystva. 2017. No. 9. Pp. 118-128. (In Russian.)
8. Dospekhov B. A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoy obrabotki rezul'tatov issledovaniy): uchebnik dlya vysshikh sel'skokhozyaystvennykh uchebnykh zavedeniy [Field experiment methodology (with the basics of statistical processing of research results): textbook for higher agricultural educational institutions]. Stereotyped edition, reprinted from the 5th edition, supplemented and revised. 1985. Moscow: Al'yans, 2014. 351 p. (In Russian.)
9. Tolpin V. A., Lupyan E. A., Bartalev S. A., Plotnikov D. E., Matveyev A. M. Vozmozhnosti analiza sostoyaniya sel'skokhozyaystvennoy rastitel'nosti s ispol'zovaniyem sputnikovogo servisa "VEGA" [Possibilities for analyzing the state of agricultural vegetation using the VEGA satellite service] // Atmospheric and Oceanic Optics. 2014. T. 27. No. 7 (306). Pp. 581-586. (In Russian.)
10. O kachestve zerna, proizvedennogo v Rossiyskoy Federatsii [About the quality of grain produced in the Russian Federation] [e-resource]. URL: http://www.fczerna.ru/News.aspx?id=6445 (appeal date: 10.04.2019). (In Russian.)
11. Eroshenko F. V., Bartalev S. A., Kulintsev V V., Storchak I. G., Shestakova E. O., Simatin T. V Vozmozhnosti regional'noy otsenki kachestva zerna ozimoy pshenitsy na osnove sputnikovykh dannykh distantsionnogo zondirovaniya [Possibilities of a regional assessment of winter wheat grain quality based on satellite remote sensing data] // Current problems in remote sensing of the Earth from space. 2017. T. 14. No. 7. Pp. 153-165. DOI: 10.21046/2070-7401-2017-14-7-153-165. (In Russian.)
12. Lupyan E. A., Bartalev S. A., Krasheninnikova Yu. S., Plotnikov D. E., Tolpin V A., Uvarov I. A. Analiz razvitiya ozimykh kul'tur v yuzhnykh regionakh Evropeyskoy chasti Rossii vesnoy 2018 goda na osnove dannykh distantsionnogo monitoring [Analysis of the development of winter crops in the southern regions of the European part of Russia in the spring of 2018 based on remote monitoring data] // Current problems in remote sensing of the Earth from space. 2019. T. 16. No. 1. Pp. 266-271. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-1-266-271. (In Russian.)
13. Lupyan E. A., Bartalev S. A., Krasheninnikova Yu. S. Nablyudeniye anomal'no rannego razvitiya sel'skokhozyaystvennykh kul'tur v yuzhnykh regionakh Rossii vesnoy 2016 goda na osnove dannykh distantsionnogo monitoringa [Observation of abnormally early crop development in the southern regions of Russia in the spring of 2016 based on remote monitoring data] // Current problems in remote sensing of the Earth from space. 2016. T. 13. No. 2. Pp. 240-243. DOI: 10.21046/2070-7401-201613-2-240-243 (In Russian.)
14. GOST R 54478-2011. Zerno. Metody opredeleniya kolichestva i kachestva kleykoviny v pshenitse [GOST R 54478-2011. Corn. Methods for determining the quantity and quality of gluten in wheat] [e-resource]. URL: https://internet-law.ru/gosts/ gost/51588 (appeal date: 22.04.2019). (In Russian.)
15. Pashkova G. I., Kuzminykh A. N., Giyazina F. I., Evdokimova M. A., Novoselov S. I., Ivanova A. V. The activity of glu-tamine synthetase enzyme, content of ammonia and phytometrcal indexes of spring wheat planting depending on different tie periods and doses of nitrogen fertilizers // Biology and Medicine. 2016. T. 8. No. 7. P. 352.
Authors' information:
Irina G. Storchak1, candidate of agricultural sciences, senior researcher at the department of plant physiology, ORCID 000-0001-8741-6882, AuthorID 760778; +7 918 747-02-56, [email protected]
Irina V. Chernova1, candidate of geographical sciences, senior researcher of the laboratory for assessing the ecological state of agrocenoses, ORCID 0000-0001-7438-6880, AuthorID 744093; +7 918 885-79-37, [email protected] Fedor V. Eroshenko1, doctor of biological sciences, head of the department of plant physiology, ORCID 0000-0003-0238-3861, AuthorID 319650; +7 962 454-14-96, [email protected]
Tatyana V. Voloshenkova1, candidate of agricultural sciences, chief researcher of the laboratory for assessing the ecological state of agrocenoses, ORCID 0000-0001-9323-3708, AuthorID 69271; +7 909 385-80-55, [email protected] Elena O. Shestakova1, researcher at the GIS-technology laboratory, ORCID: 0000-0001-5764-0576, AuthorID 917940;
+7 988 858-18-85, [email protected]
1 North Caucasian Federal Scientific Agrarian Center, Mikhailovsk, Russia
