CC BY
23
ПОЛЕВОДСТВО И ЛУГОВОДСТВО
СЫ: 10.24412/0044-3913-2023-2-24-31 УДК 528.715:631.559.2
Исследование продуктивности и прогнозирование урожайности яровой пшеницы с использованием технологий дистанционного зондирования земли
со
N О N СМ
ш
S ^
ф
и
ш ^
2
ш м
Н. М. НЕВЕНЧАННАЯ, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент (e-mail: yuv.aksenova@omgau.org) Ю. В. АКСЕНОВА, кандидат биологических наук, доцент Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина, ул. Институтская лощадь, 1, Омск, 644008, Российская Федерация
Исследования проводили с целью определения взаимосвязи между состоянием стеблестоя пшеницы яровой и показателями почвенного плодородия через вегетационный индекс (NDVI) в разные фазы вегетации для прогнозирования и корректировки размеров урожайности. Работу осуществляли в условиях Омской области в посевах яровой пшеницы: в лесостепной зоне -сорта Омская 36, в степной зоне - Дуэт и ОмГАУ 100. Высокая вариабельность почвенного плодородия в пределах каждого поля, связанная с наличием карбонатных и солонцеватых почвенных разностей, неоднородностью по содержанию гумуса (2,97...5,94 %), очень высокой обеспеченностью почв калием (425. 870 мг/ кг) на фоне недостатка азота (1,7.15,9 мг/кг) и фосфора (32.85 мг/кг), оказала значительное влияние на состояние посевов. По результатам сопоставления размеров фитомассы растений пшеницы в фазе всходов и кущения с показателями почвенного плодородия установлены зависимости в системе «содержание N-NO3 в почве - фитомасса растений - индекс NDVI». На их основе адаптирована шкала оценки густоты и состояния стеблестоя пшеницы яровой по величине индекса NDVI для лесостепной и степной зоны Омской области, которая позволяет корректировать азотное питание растений и прогнозировать урожайность. При величине индекса NDVI в фазе кущения 0,4...0,5 можно прогнозировать максимальную урожайность зерна, которая вероятна с учетом сложившихся метеоусловий. Для сортов Дуэт и ОмГАУ 100
урожайность спрогнозирована на уровне 17,5 и 17,4 ц/га, для сорта Омская 36 -15,8 ц/га, фактический сбор зерна был ниже на 0,5, 0,9 и 0,6 ц/га соответственно. Достоверность прогноза по данным БПЛА и дистанционного зондирования составила 92.96 %.
Ключевые слова: плодородие, прогнозирование урожайности, яровая пшеница, вегетационный индекс (NDVI), азотное питание, БПЛА.
Для цитирования: Невенчанная Н. М., Аксенова Ю. В. Исследование продуктивности и прогнозирование урожайности яровой пшеницы с использованием технологий дистанционного зондирования земли//Земледелие. 2023. №2. С. 24-31. бо1: 10.24412/0044-3913-2023-2-24-31.
Увеличение производства растениеводческой продукции и достижение максимального экономического эффекта при возделывании сельскохозяйственных культур возможно на основе объективной и оперативной информации о состоянии посевов, их засоренности, повреждении вредителями и болезнями, обеспеченности элементами питания и др. [1, 2]. Действительную картину состояния агроценозов, их изменения во времени и пространстве, позволяют получать современные технологии дистанционного зондирования земли. Для сельхозтоваропроизводителей более доступно дистанционное зондирование на малых высотах с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), которые позволяют быстро собрать и обработать большое количество информации, провести необходимые агротехнические мероприятия и наблюдения за качеством выполненных работ по изменению состояния посевов [3, 4].
Мониторинг роста и развития растений зерновых культур в режи-
ме реального времени эффективен для диагностики и оптимизации их питательного режима, в частности азотного питания, и прогнозирования урожайности [5, 6, 7]. В течение всего периода вегетации растения особо требовательны к азоту, содержание которого в почве постоянно изменяется. Его недостаток в критические фазы развития (всходы, кущение, выход в трубку и др.), приводит к задержке роста, снижению размеров и качества урожая. Результаты исследований, проведенных в России и за рубежом, свидетельствуют, что крупномасштабная съемка посевов с БПЛА позволяет выявить взаимосвязь между обеспеченностью культур азотом и величиной вегетационного индекса (NDVI), спрогнозировать урожайность, своевременно провести подкормки и повлиять на ее величину [6, 8, 9].
Цель исследований - выявить взаимосвязь развития фитомассы пшеницы яровой с показателями почвенного плодородия по результатам оперативного дистанционного мониторинга состояния культуры в разные фазы вегетации для прогнозирования и корректировки урожайности.
Работу выполняли в 2021 г. в посевах яровой пшеницы, расположенных в лесостепной(Таврический район) и степной (Нововаршавский район) зонах Омской области.
В Нововаршавском районе обследовано 2 поля площадью 193 и 200 га, занятых посевами яровой пшеницы сорта Дуэт (поле 1) и ОмГАУ 100 (поле 2). Посев проводили с 15 по 25 мая, поле 1 было засеяно на 7 дней позже, чем поле 2. При посеве вносили аммофос в дозе 60 кг д. в./ га на поле №1 и 110 кг д. в./га - на поле 2. Засоренность сорной растительностью посевов сорта Дует в фазе кущения достигала 68...84 % и 22...75 % - сорта ОмГАУ 100. В Таврическом районе исследования проведены на 400 га посевов пшеницы сорта Омская 36. При посеве (15...18 мая) вносили удобрения в виде аммофоса в дозе 50 кг д. в./га. Засоренность посевов составляла 14...40 %.
В период вегетации закладывали почвенные разрезы на глубину 165.170 см и прикопки до 50 см для диагностики почв и отбора проб на плотность сложения, полевую влаж-
ность. В Нововаршавском районе в почвенном покрове пашни преобладал чернозем обыкновенный типичный маломощный малогумус-ный средне- и тяжелосуглинистый. Выделены участки с карбонатными и солонцеватыми разностями, по мощности гумусового слоя и содержанию гумуса - укороченной мощности и слабогумусированные (по классификации и диагностике почв 1977 г). В Таврическом районе обследованная пашня представлена лугово-черноземной типичной сред-немощной малогумусной тяжелосуглинистой почвой, выделены карбонатная и солонцеватая разности, по видовым признакам - маломощные и слабогумусированные виды.
Отбор почвенных и растительных проб проводили по длине маршрутного хода (через 200 м) на каждом поле в 9 ключевых участках, отличающихся по густоте стеблестоя, в фазе всходов и кущения для выявления взаимосвязи фитомассы растений пшеницы с показателями почвенного плодородия. После этого брали почвенные образцы из слоя 0...20 и
20...40 см для определения свойств почв, которые могли быть причиной угнетенного состояния растений. Одновременно с наземным обследованием в фазе всходов и кущения осуществляли аэрофотосъемку с беспилотного летательного аппарата (БПЛА): первый облет - для построения ортофотоплана, второй - с мультиспектральной камерой для построения картограммы на основе вегетационного индекса (NDVI).
Почвенное плодородие оценивали по следующим показателям: плотность сложения (методом Н.А. Качинского); структурный и агрегатный состав (методом Саввинова); полевая влажность (ГОСТ 51802015) и запасы влаги в метровом слое почвы; рН водной суспензии (потенциометрический метод); обменные катионы кальция, магния (титриметрический метод) и натрия (метод пламенной фотометрии); органическое вещество (методом И.В. Тюрина в модификации В.Н. Симакова); подвижное органическое вещество (извлечение 0,1 N
феноловым методом по Грандваль-Ляжу), подвижный фосфор и калий по Чирикову (ГОСТ 26204-91), в карбонатных почвах - по Мачигину (ГОСТ 26205-91).
Величину фитомассы растений определяли гравиметрическим методом.
После обработки и обобщения информации, полученной при наземном и воздушном обследовании полей и данных лабораторных исследований проб почв и растений, был разработан программный продукт - вегетационный калькулятор. Он адаптируется к программному комплексу QGIS и позволяет в автоматическом режиме обрабатывать данные, полученные с космических и беспилотных летательных аппаратов с использованием различных вегетационных индексов (MSAVI или SAVI, NDVI, NDRE, NDWI, GNDVI! А1^1). Предложенная технология позволяет наблюдать за состоянием растений яровой пшеницы и выявлять участки посевов, нуждающиеся в регулировании режима питания, своевременно проводить некор-
N80^; нитратный азот (дисульфо
1. Показатели плодородия почв Нововаршавского района и их взаимосвязь с величиной фитомассы растений пшеницы
яровой
Ключевой участок Фитомас-са, г фаза всходов/ Гумус, % рНН2О Обменные катионы, ммоль/100 г почвы Содержание элементов питания в почве по фазам развития растений, мг/кг почвы
Ca2+ Mg2+ Na+ N NO3 P2O5 K2O
кущения всходы I кущение всходы | кущение всходы I кущение
1 3,0* 107,0 2,97 2,43 7,1 8,1 не опр.** поле 1 сорт Дуэт не опр. не опр. 8,9 4,3 4,9 4,0 75 32 139 104 450 213 475 238
2 6,5 4,26 6,4 20,0 5,0 0,9 6,0 6,3 72 106 463 500
147,0 4,10 6,7 22,5 6,3 1,14 6,8 6,2 52 85 225 238
3 8,5 4,91 5,7 17,5 8,3 0,6 7,5 5,9 78 114 563 613
226,0 4,37 5,6 16,3 5,0 0,6 7,3 6,3 56 59 263 363
4 3,5 3,29 6,6 13,8 8,1 0,6 7,5 7,7 79 106 500 500
204,0 2,86 6,3 12,5 10,0 1,2 5,4 6,7 46 59 250 213
5 3,5 167,0 3,67 3,18 7,1 8,1 не опр. не опр. не опр. 4,9 3,6 4,6 3,9 62 43 73 46 725 625 775 660
6 7,5 5,78 6,7 24,4 5,6 0,6 5,5 5,3 33 73 638 675
134,0 5,67 6,9 21,9 6,3 0,6 5,1 4,6 45 51 713 613
7 11,5 180,0 3,29 2,97 7,9 8,0 не опр. не опр. не опр. 3,9 4,2 2,2 3,5 41 32 73 51 663 585 688 611
8 10,5 5,62 6,2 26,3 4,4 0,6 5,5 5,2 63 76 863 725
177,0 4,97 6,5 21,9 4,4 0,6 4,0 4,3 38 51 438 363
9 11,0 141,0 5,67 5,62 7,9 8,2 не опр. не опр. не опр. 8,4 4,3 1,9 1,5 71 31 109 82 525 775 538 690
поле 2 сорт ОмГАУ 100
1 12,5 4,32 6,4 16,3 7,6 3,6 13,8 10,2 67 149 840 775
95,5 4,10 6,8 17,5 8,0 3,6 6,2 5,2 93 101 413 400
2 21,5 145,0 5,56 4,86 6,0 6,1 22,0 21,0 4,8 5,3 1,0 1,0 11,2 6,9 6,0 3,6 38 82 138 101 760 338 750 413
3 22,0 5,94 5,8 22,5 5,0 0,6 16,8 10,8 49 103 870 863
220,5 5,56 6,1 21,3 4,3 0,6 7,1 5,4 69 114 300 325
4 20,5 226,0 4,16 3,24 8,1 8,3 не опр. не опр. не опр. 13,3 4,7 6.5 4.6 46 32 161 103 860 413 850 409
5 23,0 5,13 7,6 не опр. не опр. не опр. 15,9 6,0 28 161 760 750
232,0 4,43 8,1 5,7 4,6 53 101 470 413
6 28,0 152 3,78 3,51 6.4 6.5 22,5 16,3 5,0 7,5 0,9 0,6 15,2 4,7 5.5 3.6 40 51 138 103 810 350 750 400
7 9,0 3,83 6,0 17,5 5,0 0,6 11,9 3,9 53 138 840 600
141,0 3,46 6,7 17,5 4,6 0,6 2,8 2,2 61 78 200 225
8 14,0 175,5 3,67 3,51 7,4 8,1 не опр. не опр. не опр. 11,9 4,4 4,6 2,2 46 62 115 98 790 450 775 480
9 15,0 4,70 6,3 23,8 5,6 0,6 14,3 3,9 69 115 840 850
116,0 4,48 6,4 21,3 5,0 0,6 ,2 4, 1,7 69 112 263 350
*в числителе приведены данные для слоя почвы 0...20 см, в знаменателе - 20. ..40 см; 2
**в карбонатных почвах катионы не определяли. ы
невые подкормки, прогнозировать урожайность культуры и корректировать ее величину. Прогноз урожайности пшеницы яровой проводили по количеству продуктивных колосьев и индексу NDVI в каждой точке опробования, полученные значения сопоставляли с фактическим урожаем. Достоверность прогноза и корреляционную взаимосвязь между фитомассой пшеницы яровой и вегетационным индексом определяли по Доспехову (Доспехов Б.А. Методика полевого опыта: с основами статистической обработки результатов исследований. М.: Книга по Требованию, 2013. 349 с.).
Нововаршавский район входит в III агроклиматический район - умеренно жаркий и недостаточно увлажненный. Количество атмосферных осадков, выпавших в мае, было ниже нормы в 4 раза и составило 7 мм, в июле - в 2 раза (27 мм) и только в июне соответствовало норме (40 мм). В мае, июле и сентябре наблюдали превышение среднемесячных температур воздуха над среднемноголетней. Наибольшие отклонения установлены в мае и сентябре, когда они были выше на +16,2 и +19,9 °С соответственно. Сумма атмосферных осадков за период вегетации составила 132 мм, сумма активных температур выше 10° -2489°, ГТК - 0,5. Таврический район входит во II агроклиматический район -теплый,умеренно увлажненный. Но период исследований характеризовался как засушливый. В мае и июле сумма выпавших атмосферных осадков была ниже нормы в 1,5...2,0 раза и составляла 13 и 33 мм соответственно. При этом среднемесячная температура воздуха в эти месяцы превышала среднемноголетнюю на 5,5° и 1,3° ( + 17,5 и +20,7 °С), а в августе и сентябре - на 2,7° и 2,5° соответственно. Сумма осадков за период вегетации составила 166 мм, сумма активных температур выше 10° - 2463°, ГТК - 0,7.
В Нововаршавском районе почвенный покров полей отличался высокой вариабельностью плодородия, причиной которой были карбонатные и солонцеватые разности чернозема обыкновенного. Явно выраженные признаки солонцеватости отмечены в точке 1 поля 2, в которой доля натрия достигала 12,4.13,1 % ° от суммы обменных катионов (табл. eg 1).Количествообменногокальцияв ^ почвах варьировало от повышенного о» до высокого и очень высокого, за-I нимая от 52,7.59,3 до 81,3.84,0 % от общей суммы катионов. Очень ® высокое содержание обменного
S магния (14,1.42,2 %) в составе о
Д почвенно-поглощающего комплекса
почв (ППК) обусловлено реликтовой особенностью черноземов степной зоны Омской области и связано с предшествующими стадиями их почвообразования. Количество обменного натрия на большей части ключевых участков варьировало в пределах 1,9.3,8 %, что не вызывало развития солонцового процесса. В целом насыщенность ППК обменным магнием и натрием связана с их высоким содержанием (30.40 % от суммы обменных катионов) в по-чвообразующих карбонатных и часто засоленных породах с хлоридно-сульфатным и сульфатно-хлоридным типом засоления.
Реакция среды в пахотном и подпахотном горизонтах почв варьировала в интервале, оптимальном для возделываемых в хозяйстве культур - от близкой к нейтральной до нейтральной (рН 5,7...7,1). В карбонатных почвенных разностях она находилась в щелочном интервале.
На каждом поле в 6-и точках опробования почвы по степени гу-мусированности соответствовали критерию «меньше минимального» (<3,0.4,0 %) и «слабогумусирован-ные» (4,0.5,0 %). В 3-х точках имели среднюю степень гумусированности (5,0.6,0 %). Низкое содержание гумуса связано с утратой трансформируемого органического вещества, которое может быть восстановлено, поскольку изменения находятся на допустимом уровне. Снижение гумуса до уровня ниже минимального связано с уменьшением его инертного компонента, восполнение которого крайне затруднено [10]. Содержание подвижного органического вещества (ПОВ) в почвах полей изменялось от высокого до низкого. В пахотном слое максимальное в исследовании количество ПОВ достигало 8383.7878 мг/кг, минималь-
ное - 2666.2988 мг/кг, в слое 20. 40 см - 8585.7727 и 1636.2091 мг/кг соответственно. При этом зависимости содержания ПОВ от общего количества гумуса не установлено. Например, в слое 0.20 см на поле 1 в точке опробования 3 общее содержание гумуса составляло 4,91 % и было на 0,71 % ниже, чем в точке 8, при этом количество ПОВ в точке 3 было выше в 1,9 раза и достигало 8383 мг/кг. На поле 2 в точках отбора 3 и 6 при общей гумусированности 5,94 и 3,78 % содержание ПОВ находилось на одинаковом уровне - 7878 мг/кг почвы. Высокое количество ПОВ в почвах обследованных полей могло быть связано с негативными изменениями их гумусного состояния под влиянием антропогенного воздействия, что привело к ослаблению прочности связи гумусовых кислот с минеральной частью почвы и повышению их подвижности [11].
Из элементов минерального питания в почвах было относительно стабильно содержание подвижных форм фосфора и калия, а количество соединений азота, доступных для растений, изменялось в течение всего вегетационного периода. На поле 1 почва на глубине 0.20 и 20.40 см характеризовалась очень низким (1,5...4,9 мг/кг) и низким (5,4...8,9 мг/кг) содержанием нитратного азота и в период всходов, и в фазе кущения. Количество подвижного фосфора в типичных почвенных разностях в фазе всходов в верхнем слое соответствовало среднему уровню, в слое 20.40 см - низкому и среднему. В карбонатных почвах величина этого показателя в слое 0.20 см находилась на очень высоком уровне, в слое 20.40 см на повышенном. Связанное с действием аммофоса увеличение содержания фосфора
Рис. 1. Плотность сложения почвы под посевами яровой пшеницы в степной зоне (Нововаршавский район): — поле 1, сорт Дуэт; ■ — поле 2, сорт ОмГАУ 100.
в почве во всех точках опробования наблюдали в фазе кущения: по слоям в карбонатных почвах оно достигало высокого (46...51 мг/кг) и очень высокого (73...139 мг/кг) уровня, в типичных почвенных разностях в слое 0.20 см возрастало до среднего и повышенного уровня, а на глубине 20.40 см соответствовало диапазону среднего уровня.
Почвы поля 2 были лучше обеспечены нитратным азотом, в сравнении с полем 1. В фазе всходов его содержание в пахотном слое соответствовало среднему и высокому уровню, в фазе кущения - уменьшалось до низкого и среднего. В подпахотном слое величина этого показателя находилась на очень низком и низком уровне. В типичных почвенных разностях в отношении фосфора наблюдали увеличение в слое 0.20 см с низкого (38...49 мг/кг) и среднего (53...69 мг/кг) уровня в время всходов до повышенного (103...149 мг/кг) в фазе кущения, а в слое 20.40 см - со среднего до повышенного. В карбонатных почвах
в период всходов его содержание изменялось по слоям от среднего и повышенного уровня до очень высокого, а в фазе кущения установилось на очень высоком уровне (98. . . 1 61 мг/кг). Количество обменного калия в почвах полей было очень высоким и высоким, что характерно для почв тяжелосуглинистого и глинистого гранулометрического состава Омской области.
В целом содержание азота в почвах полей было низким и очень низким даже на фоне внесенных при посеве удобрений, что связано с невысокой долей этого минерального элемента в составе аммофоса (12,0 %), его потреблением растениями, почвенной биотой, а также использованием в процессах миграции и денитрификации.
Благоприятные условия для роста и развития культурных растений зависят не только от питательного режима, но и от плотности сложения почв, оптимальный диапазон которой находится в пределах от 1,10 до 1,25 г/см3. Отклонение в любую
сторону приводит к снижению урожайности. В наших исследованиях оптимальную плотность сложения почвы отмечали в слое 0...10 см (1,16 и 1,25 г/см3). Слой 10...20 см был сильно уплотнен (на 0,13... 0,18 г/см3 выше оптимальной), что связано с образованием «плужной подошвы» (рис. 1).
С глубиной плотность почвенной массы постепенно возрастала и с 50...70 до 110 см соответствовала критерию «сильно уплотненной» (1,56...1,71 г/см3). Высокая плотность подпахотных горизонтов связана с тяжелым гранулометрическим составом, наличием карбонатных образований и гипса, которые залегали на глубине 30...40 см от поверхности.
На плотность сложения оказывает влияние и структурное состояние почв. Оптимальное количество глыбистой фракции (> 10 мм) для почв черноземного ряда тяжелого гранулометрического состава составляет 20...30 %, агрономически ценных фракции (10.0,25 мм) - 70...80 %.
2. Агрегатный состав в гумусовом слое почв (Нововаршавский район)
Ключевой участок Фитомасса, Фракция агрегатов (мм), %
г (фаза всхо- глыбистая агрономически ценная пыль
дов/кущения) (10) 7 1 5 3 1 2 1 0,5 0,25 (< 0,25)
Поле 1 сорт Дуэт
1 3,0* 23,7 6,8 5,9 8,1 6,3 10,6 12,0 13,2 13,3
107,0 18,8 7,5 6,8 8,2 11,8 16,2 13,2 10,5 7,1
2 6,5 31,0 10,7 10,3 12,1 7,0 8,4 7,5 7,0 6,2
147,0 18,4 10,7 10,2 13,4 9,1 12,5 10,2 9,3 6,2
3 8,5 17,4 8,5 7,2 10,0 7,9 10,5 12,4 12,7 13,5
226,0 33,2 10,4 8,3 10,7 7,3 9,2 8,8 6,8 5,3
4 3,5 17,7 2,9 3,2 6,3 6,6 12,1 18,7 17,8 14,7
204,0 13,6 6,7 6,6 13,1 11,7 16,0 13,3 11,2 7,8
5 3,5 15,3 6,5 5,0 7,7 6,3 10,2 13,0 16,9 19,3
167,0 15,3 10,2 9,1 10,6 8,3 12,1 12,5 11,9 9,9
6 7,5 10,9 8,6 13,1 16,0 9,7 11,2 10,6 10,4 9,5
134,0 10,8 9,7 12,7 17,3 11,2 12,5 10,1 8,7 6,9
7 11,5 13,3 7,1 7,1 9,9 7,0 12,4 12,0 14,3 16,9
180,0 11,6 7,0 6,1 7,4 6,2 11,4 14,6 20,6 15,1
8 10,5 18,1 6,8 9,1 10,3 7,6 11,5 11,8 12,1 12,8
177,0 28,7 8,4 7,3 11,3 8,5 12,7 9,3 8,0 5,7
9 11,0 16,9 9,1 7,6 8,5 6,3 9,9 11,4 12,9 17,4
141,0 15,6 6,7 8,2 12,7 9,0 13,3 11,0 11,2 12,3
Поле 2. сорт ОмГАУ 100
1 12,5 40,0 5,7 4,8 7,0 5,0 9,0 7,0 8,7 12,8
95,5 26,8 11,5 12,0 12,6 8,7 10,5 6,5 5,6 5,8
2 21,5 22,1 7,5 7,9 9,5 6,4 10,7 9,6 12,0 14,4
145,0 25,2 11,9 12,1 14,3 8,8 10,4 7,1 5,6 4,6
3 22,0 12,7 7,9 9,8 12,9 8,5 12,4 12,7 12,0 11,1
220,5 32,4 11,0 10,8 11,9 7,9 10,4 6,6 4,4 4,5
4 20,5 17,8 7,0 5,6 7,5 5,2 7,2 10,4 15,1 24,2
226,0 20,5 8,6 8,5 11,1 8,3 12,5 9,6 10,1 10,8
5 23,0 16,3 9,2 9,0 11,4 6,5 8,2 10,1 12,6 16,7
232,0 16,8 10,8 12,0 14,5 9,3 11,6 8,9 8,6 7,6
6 28,0 24,4 6,1 5,5 6,9 4,9 7,6 11,5 15,6 17,5
152 25,9 7,8 7,7 10,6 6,8 10,1 10,1 11,2 9,9
7 9,0 18,6 6,4 4,6 6,0 4,5 8,8 13,1 17,0 21,0
141,0 17,5 9,3 10,2 12,0 9,3 12,0 11,5 10,1 8,1
8 14,0 17,7 6,6 6,6 9,5 7,1 10,7 11,1 13,7 17,0
175,5 22,0 11,0 8,3 10,5 7,2 10,2 9,1 10,2 11,6
9 15,0 10,5 5,6 5,1 5,9 4,0 10,1 11,2 24,3 23,4
116,0 15,4 9,7 10,2 13,9 9,1 12,6 10,8 10,4 7,8
*в числителе приведены данные для слоя почвы 0.20 см, в знаменателе - 20.40 см.
Ключевой участок Фитомас-са, г (фаза всходов/ кущения) Гумус, % рНН2О Обменные катионы, ммоль/100 г почвы Содержание элементов питания в почве по фазам развития растений, мг/кг
Са2+ Мд2+ Na+ N РА к2°
всходы | кущение всходы | кущение всходы | кущение
1 24,5* 4,86 6,1 21,3 5,0 1,5 4,9 2,6 37 161 663 563
108,5 4,37 6,3 22,5 5,0 1,2 4,2 1,5 43 144 475 375
2 22,0 4,64 6,1 22,0 6,9 1,2 5,0 5,3 45 140 575 550
125,5 4,59 6,2 21,5 7,7 1,2 4,7 3,4 38 102 425 350
3 32,0 3,72 7,2 не опр.** не опр. не опр. 3,6 4,8 4! 159 650 663
163,0 3,56 8,1 2,8 5,3 41 99 470 450
4 22,5 5,13 6,5 23,3 7,0 1,2 3,3 5,4 43 157 650 650
142,0 4,97 6,6 20,8 8,1 1,2 2,2 3,2 43 101 550 475
5 32,5 4,97 6,5 21,3 7,5 1,2 4,2 5,3 59 88 650 513
202,5 4,70 6,6 22,5 7,5 1,2 2,5 3,4 35 102 688 650
6 28,0 4,43 6,4 21,8 6,5 1,2 2,5 4,6 51 132 625 550
202,5 4,26 6,6 21,0 7,3 1,2 3,2 2,8 47 99 400 375
7 27,5 5,02 6,4 21,3 6,9 1,2 2,9 3,2 85 157 525 650
210,5 5,24 6,8 21,3 8,2 1,2 2,1 1,9 39 140 350 438
8 24,5 5,99 7,2 22,5 8,1 1,2 5,6 5,3 58 159 425 550
138,0 4,05 7,3 21,8 8,2 1,2 3,6 3,4 35 102 250 313
9 22,0 5,23 6,3 22,3 6,2 1,2 1,7 2,7 53 140 588 638
126,0 4,54 6,5 21,3 7,5 1,2 2,8 5,4 31 77 363 475
* в числителе приведены данные для слоя почвы 0...20 см, в знаменателе - 20...40 см; **в карбонатных почвах катионы не определяли.
На поле 1 в слое 0...20 см доли глыбистой (10,9...33,0 %) и агрономически ценной фракции (62,9...69,8 %) находились на уровне, близком к оптимальному. Количество пыли в составе агрегатов было высоким (12,1...17,8 %). Слой 20...40 см лучше оструктурен из-за повышенного содержания агрономически ценных агрегатов и пониженной доли пыли (табл. 2). В целом структурное состояние почв в гумусовом слое оценивали как хорошее.
Структурное состояние почв на поле 2 в слое 0...20 см изменялось от удовлетворительного до хорошего. В составе агрегатов отмечено повышенное количество пыли (11,1...24,2 %) на фоне оптимального и близкого к нему содержания глыбистой (12,7...22,1 %) и агрономически ценной фракций (58,0...66,9 %).
Преобладание глыбистой фракции и пыли над количеством агрономически ценных агрегатов установлено в солонцеватой почвенной разности (точка 1), что свидетельствует о ее неблагоприятном структурном состоянии. Во всех точках опробования в слое 20...40 см отмечено увеличение глыбистой фракции (17,5...32,4 %) и снижение пыли (4,5...11,6 %) на фоне оптимального содержания агрономически ценных агрегатов (63,1...76,7 %), что определяло его хорошее структурное состояние.
В основные фазы развития растений лимитирующим фактором в районах с засушливым климатом и не стабильным увлажнением, к которым относится и обследованная территория, выступает влага и ее запасы в почве. В начале периода вегетации существенное влияние
на прорастание семян, всходы и кущение растений оказывают запасы влаги на глубине 0...20 см. Далее растения начинают потреблять влагу из метрового слоя почвы, а в засушливые периоды используют ее с глубины 2 м.
В период всходов запасы продуктивной влаги в слое 0.20 см на поле 1 составляли 7,7 мм, на поле 2 -10,4 мм и были неудовлетворительными, что связано с недостаточным атмосферным увлажнением с мая по июль и быстрым испарением влаги из почвы в условиях полуаридного климата. В метровом слое почвы полей 1 и 2 запасы влаги были очень хорошими (по Вадюниной, Корчагиной) и достигали 168,3 и 170 мм соответственно.
Почвенный покров под посевами пшеницы сорта Омская 36 на
4. Агрегатный состав в гумусовом слое почв под посевами пшеницы сорта Омская 36 (Таврический район)
Ключевой участок Фитомасса, г (фаза всходов/кущения) Фракция агрегатов, % (мм)
глыбистая (10) агрономически ценная пыль (< 0,25)
7 5 1 3 2 1 0,5 0,25
1 24,5* 40,0 6,8 5,3 5,5 3,6 5,8 7,5 10,0 15,4
108,5 19,8 9,7 9,7 12,1 7,9 11,1 8,8 9,4 11,5
2 22,0 29,1 7,5 5,6 6,0 4,5 6,9 9,2 14,4 16,8
125,5 34,9 9,2 7,2 9,7 6,6 8,5 7,5 8,1 8,4
3 32,0 17,1 10,3 8,0 9,2 6,0 8,7 9,5 12,4 18,8
163,0 19,7 10,5 8,3 10,6 7,1 10,2 9,6 10,5 13,6
4 22,5 12,8 8,3 8,1 9,2 8,0 10,8 13,8 14,8 14,2
142,0 13,2 8,6 10,4 15,7 10,7 13,7 11,5 9,0 7,2
5 32,5 40,7 5,7 5,0 5,3 5,0 6,9 12,3 12,8 6,4
202,5 44,1 7,7 6,4 9,5 5,0 7,9 7,1 9,9 2,4
6 28,0 22,2 11,1 7,4 9,6 6,9 10,9 11,4 11,0 9,6
202,5 37,0 13,3 10,0 12,6 8,1 10,0 4,9 2,7 1,5
7 27,5 25,3 11,6 9,4 11,0 7,2 10,1 8,9 9,1 7,2
210,5 15,9 8,2 9,1 12,4 9,4 13,9 15,5 9,5 6,1
8 24,5 16,8 6,6 5,4 7,8 6,4 12,9 13,9 16,5 13,7
138,0 19,5 9,0 8,9 11,2 8,5 13,2 11,2 10,7 7,8
9 22,0 12,3 4,1 3,7 4,9 5,1 13,0 17,5 21,1 18,3
126,0 29,5 9,6 8,1 10,5 7,9 11,9 9,0 8,0 5,4
Ф
СО *в числителе приведены данные для слоя почвы 0.20 см, в знаменателе - 20.40 см. 28
территории Таврического района представлен почвами со слабой (4,0...5,0 %) и средней (5,0...6,0 %) степенью гумусированности. Карбонатная почвенная разность по содержанию гумуса соответствовала классу «меньше минимального» (<3,0...4,0 %) [10]. Количество ПОВ в пахотном слое находилось на среднем уровне и изменялось от 2860 до 3432 мг/кг почвы, в слое 20.40 см снижалось до 1230.2552 мг/кг и соответствовало среднему и низкому уровню. Очень низкое содержание ПОВ наблюдали в карбонатной почве (891.953 мг/кг).
Состав обменных катионов по слоям характеризовался очень высоким содержанием кальция (69,1.78,4 %) и магния (17,4.26,9 %). На долю обменного натрия приходилось от 3,8 до 4,2 %. Слабая солонцеватость отмечена в слое почвы 0.20 см на ключевом участке 1, где на долю этого минерального элемента приходилось 5,4 % от суммы катионов. Повышенную долю магния и натрия в составе ППК гумусового слоя почв можно объяснить не только региональными особенностями почвообразования, но и их поступлением из грунтовых вод, расположенных на участках с лугово-черноземными почвами ближе к поверхности (3... 6 м), чем с черноземами обыкновенными (> 6 м).
Реакция среды(рН)в почветипичной разности соответствовала нейтральной и близкой к нейтральной, при наличии карбонатов переходила в щелочной интервал (табл. 3).
В фазе всходов и кущения наблюдали очень низкое и низкое (1,5...5,4 мг/кг) содержание нитратного азота в почвах. Количество подвижного фосфора в период всходов в слое 0.20 см было на низком и среднем уровне, в слое 20.40 см - на низком. После начала действия аммофоса, в фазе кущения, величина этого показателя возрастала до среднего, повышенного и высокого уровня. Во всех точках опробования установлено высокое и очень высокое содержание подвижного калия.
Плотность сложения в профиле почвы (данные представлены по разрезу, заложенному на пашне) характеризовалась следующими величинами (г/см3): 0...10 см - 1,35; 10...20 см - 1,58; 20...30 см - 1,38; 30...40 см - 1,40; 40...50 см - 1,44; 50...70 см - 1,51; 70...90 см - 1,56; 90...110 см - 1,50. В пахотном слое величина этого показателя превышала оптимальные значения на 0,33.0,48 г/см3. Сильное уплотнение на глубине 10...20 см связано с образованием «плужной подошвы» и высоким содержанием обменно-
го магния и натрия в ППК. С 50 до 110 см плотность соответствовала типичной для подпахотных горизонтов (по Качинскому).
Структурное состояние гумусового слоя почв в пределах поля варьировало от удовлетворительного до хорошего. В составе агрегатов на долю агрономически ценных фракций приходилось от 52,9...69,5 до 73,0...79,6 %. Количество глыбистой фракции изменялось от оптимального (12,3...29,1) до критического (34,9...44,1 %) уровня. Верхний 0...20 см слой был распылен, так как содержание пыли в общем составе фракций достигало 9,6...18,8 %, а на глубине 20...40 см ее доля снижалась в среднем в 1,5...2,0 раза (табл. 4).
В период всходов запасы продуктивной влаги на глубине 0. 20 см были неудовлетворительными (12,4 мм), в слое 0.100 см - очень хорошими (184,5 мм).
«Пестрота» почвенного покрова в пределах каждого поля, связанная с неоднородностью по содержанию гумуса, наличием карбонатных и солонцеватых почвенных разностей, дефицитом азота и фосфора на фоне избытка калия, оказала влияние на рост и развитие растений пшеницы. Общими неблаго-
приятными почвенными факторами на обследованных территориях выступали физическая деградация гумусового слоя в слабой степени развития, недостаточная обеспеченность растений азотом и фосфором. Запасы продуктивной влаги в почвах в период прорастания семян и всходов были недостаточными, поэтому развитие растений и состояние стеблестоя зависело от атмосферного увлажнения.
При сопоставлении размеров фи-томассы растений пшеницы в фазе всходов и кущения с показателями почвенного плодородия в каждой точке опробования был установлен ряд зависимостей в системе «содержание N-N03 в почве - величина фитомассы растений - величина индекса NDVI». В первую очередь на состояние стеблестоя оказало влияние содержание азота в почве и солонцеватость. Фитомасса растений на солонцеватых почвенных разностях в фазе кущения была ниже на 20,5...136,5 г, чем на типичных и карбонатных почвах. Нарастание надземной массы растений отражалось на величине индекса NDVI, который возрастал пропорционально величине фитомассы.
На территории Нововаршавского района корреляционная зависи-
Рис. 2. Взаимосвязь между величиной индекса ШБУ1 и нарастанием фитомассы пшеницы ю
(Нововаршавский район): а) сорт Дуэт (поле 1); б) сорт ОмГАУ 100 (поле 2): — ю
фитомасса растений в фазе всходов; — фитомасса растений в фазе кущения; ю
—а--индекс ШБУ1 в фазе всходов; —«--индекс ШБУ1 в фазе кущения.
Рис. 3. Взаимосвязь между величиной индекса ШБУГ и нарастанием фитомассы пшеницы сорта Омская 36 (Таврический район): — фитомасса растений в фазе всходов; — фитомасса растений в фазе кущения; —д--индекс ШБУГ в фазе всходов;
—*--индекс ШБУГ в фазе кущения.
мость между индексом NDVI и зеленой массой растений была высокой - в среднем 0,82. Меньшая в 2.4 раз фитомасса растений пшеницы сорта Дуэт в фазе всходов, по сравнению с посевами пшеницы сорта ОмГАУ 100 (поле 2), привела к тому, что величина индекса NDVI на поле 1 была в 2,5.4,0 раза меньше, чем на поле 2 (рис. 2). Это связано со сдвигом срока сева пшеницы сорта Дуэт и с недостаточной влагообеспечен-ностью в период его проведения. К фазе кущения густота стеблестоя и состояние растений в посевах по полям практически выровнялись, фитомасса их увеличилась, а индекс NDVI в среднем достиг величины 0,32 для сорта Дуэт и 0,30 для сорта ОмГАУ 100.
На территории Таврического района корреляционная зависимость между показателями посевов сорта Омская 36 и индексом NDVI по фазам развития была равна 0,50.0,55. Величина индекса значительно не изменялась и в среднем
в фазе всходов достигала 0,15, а в фазе кущения - 0,23 (рис. 3). Замедленное развитие и нарастание надземной массы растений на этом поле было связано с очень низкой обеспеченностью азотом и недостатком влаги.
На основе выявленной зависимости была адаптирована шкала оценки густоты и состояния стеблестоя (фитомассы растений) пшеницы яровой через величину индекса NDVI для лесостепной и степной зоны Омской области:
< 0,1 - вегетация отсутствует;
0,1.0,2 - растительный покров отсутствует (например, чистый пар или обработанное поле перед посевом);
0,2.0,3 - стеблестой сильно изреженный, что соответствует периоду начала всходов или наличию сорной растительности на поле (масса надземной части растений 100.200 г/м2);
0,3.0,4 - стеблестой изреженный, что соответствует фазе всходов
35
30
25
а
§ 20 р
у
5 15
а м е
у10
11111111
4 5 6 7 Ключевой участок
0,15 0,1 0,05 0
Рис. 4. Прогнозируемая урожайность яровой пшеницы в фазе кущения по индексу ШБУГ:
Ф
— сорт Дуэт;
— сорт ОмГАУ 100;
— сорт Омская 36;
— индекс
£ МБУГ для сорта Дуэт; —А--индекс ^БУГдля сорта ОмГАУ 100; —♦--индекс МБУГ
П для сорта Омская 36.
5
0
(масса надземной части растений 200.300 г/м2);
0,4.0,5 - стеблестой умеренной густоты с нормальным состоянием растений, фаза кущения (масса надземной части растений 300. 400 г/м2);
0,5.0,6 - стеблестой умеренной густоты с нормальным состоянием растений, период развития от выхода в трубку до флагового листа (масса надземной части растений 400.500 г/м2);
0,6.0,7 - густой стеблестой с нормальным состоянием растений, период развития флаговый лист -открытие листовой пазухи (масса надземной части растений 500. 600 г/м2);
0,7.0,8 - густой стеблестой с нормальным состоянием растений, фаза колошения (масса надземной части растений более 600 г/м2).
Проведение дистанционного мониторинга состояния посевов по величине индекса NDVI позволяет выявлять на полях участки с угнетенными, изреженными растениями, корректировать их режим питания и оперативно принимать меры, влияющие на урожайности культуры.
Исследованиями ученых установлено, что наиболее точный прогноз урожайности зерновых культур по индексу NDVI можно сделать в момент прохождения его пика (0,80.0,88), что соответствует началу фазы колошения [12]. К фазе цветения величина индекса NDVI перестает расти, а по мере созревания культуры начинает снижаться. Так, в фазе кущения индекс в точках опробования на разных сортах пшеницы изменялся от 0,17 до 0,45 (см. рис. 2, 3). При пиковом значении индекса 0,41...0,45 отмечена максимальная в исследовании величина вегетативной массы, которую смогли сформировать растения в сложившихся метеорологических условиях. Это позволило спрогнозировать получение максимально и минимально возможного урожая зерна (рис. 4). На обследованных полях в большинстве точек опробования величина индекса не достигла пика вследствие недостаточного развития вегетативной массы, на основании чего можно прогнозировать недобор урожая. Причиной задержки развития растений стал дефицит азотного питания и атмосферного увлажнения, в частности в июле, а также неудовлетворительные запасы продуктивной влаги в слое 0.20 см. Активизировать рост и развитие растений и скорректировать урожайность можно путем внекорневых подкормок азотными удо-
брениями в фазе кущения, чтобы к фазе колошения сформировалась оптимальная густота стеблестоя, и величина индекса NDVI соответствовала 0,7 и выше.
Средняя урожайность пшеницы для сорта Дуэт и ОмГАУ 100, возделываемых в степной зоне, рассчитанная по количеству продуктивных колосьев в каждой точке опробования, составила 20,7 и 19,5 ц/га соответственно. Фактически полученный урожай был ниже на 3,7 и 3,0 ц/га, что связано с потерями зерна при проведении уборочных работ техникой и самоосыпания культуры. Фактический урожай зерна пшеницы сорта Омская 36, возделываемого в лесостепной зоне, составил 15,2 ц/га при расчетной величине 13,0 ц/га. По результатам анализа данных БПЛА и дистанционного зондирования (ДЗЗ) урожайность сортов Дуэт и ОмГАУ 100 была спрогнозирована на уровне 17,5 и 17,4 ц/га соответственно, сорта Омская 36 - 15,8 ц/га.
В целом, биологическая урожайность по данным БПЛА и ДЗЗ на изучаемых полях соответствовала фактически полученному урожаю, достоверность прогноза по вегетационному индексу NDVI составила 92.96 %.
Таким образом, высокая вариабельность показателей почвенного плодородия в пределах каждого поля оказывала влияние на рост и развитие растений. Наиболее тесная корреляционная зависимость установлена между состоянием стеблестоя и содержанием в почвах элементов минерального питания, в первую очередь, с обеспеченностью растений азотом (г = 0,50...0,82). На основе выявленной взаимосвязи создано программное обеспечение и адаптирована шкала оценки качества стеблестоя в посевах яровой пшеницы для лесостепной и степной зоны. Мониторинг в режиме реального времени по величине индекса NDVI дает возможность выявлять участки посевов с угнетенным и разреженным стеблестоем. Шкала оценки позволяет уже в фазе кущения прогнозировать урожайность, которая может быть сформирована при соответствующем индексе NDVI. При достижении его пика (0,4...0,5) можно прогнозировать максимальную урожайность зерна, в зависимости от сорта культуры (от 22,9 до 32 ц/га) и сложившихся метеоусловий. Анализ состояния посевов на поле в целом и выявление участков с отклонением индекса от пиковых величин свидетельствует об отставании растений в росте и развитии. Достоверность прогноза урожайности по данным БПЛА и ДЗЗ находилась на уровне 92.96 %. Так, для сортов Дуэт и ОмГАУ 100 ее
прогнозировали на уровне 17,5 и 17,4 ц/га, сорта Омская 36 - 15,8 ц/га. Фактическая урожайность зерна была соответственно на 0,5, 0,9 и 0,6 ц/га ниже.
Литература.
1. Cuaran J., Leon J. Crop monitoring using unmanned aerial vehicles: a review // Agricultural Reviews. 2021. Vol. 42. No. 2. P. 121-132. doi 10.18805/ag.R-180.
2. Фесенко М.А., Шпанев А.М. Влияние средств химизации на оптические свойства агроценоза ярового ячменя с подсевом многолетних трав // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2021. Т. 16. №2 (62). С. 55-59.
3. A review of unmanned aerial vehicle low-altitude remote sensing (UAV-LARS) use in agricultural monitoring in China / H. Zhang, L. Wang, T. Tian, et al. // Remote Sensing. 2021. Vol. 13. No. 6. Р. 1221. doi: 10.3390/ rs13061221.
4. Перспективы использования оптических и радарных изображений для контроля за соблюдением севооборотов в Хабаровском крае / А.С. Степанов, К.Н. Дубровин, А.Л. Верхотуров и др. // Достижения науки и техники АПК. 2021. Т. 35. №12. С. 23-28.
5. Использование вегетативного индекса NDVI для прогноза урожайности зерновых культур / С.А. Родимцев, Н.Е. Павловская, С.В. Вершинин и др. // Вестник НГАУ. 2022. №4 (65). С. 56-67.
6. Wheat growth monitoring and yield estimation based on multi-rotor unmanned aerial vehicle / Z. Fu, J. Jiang, Y. Gao, et al. // Remote Sensing. 2020. Vol. 12. No. 3. Р 508. doi: 0.3390/rs12030508.
7. Corn grain yield estimation from vegetation indices, canopy cover, plant density, and a neural network using multispectral and RGB images acquired with unmanned aerial vehicles / H. García-Martínez, H. Flores-Magdaleno, R. Ascencio-Hernández, et al. // Agriculture. 2020. Vol. 10. No. 7. Р. 277. doi: 10.3390/agriculture10070277.
8. Эффективность дифференцированного применения азотных удобрений в качестве корневых подкормок на основе NDVI / О.А. Щуклина, Р.А. Афанасьев, Н.Н. Лангаева и др. // Достижения науки и техники АПК. 2021. Т. 35. №8. С. 20-24.
9. Метод прогнозирования урожайности по космическим наблюдениям за динамикой развития вегетации / В. Г Бондур, К. Ю. Гороховский, В. Ю. Игнатьев и др. // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2013. №6. С. 61-68.
10. Когут Б. М. Оценка содержания гумуса в пахотных почвах России // Почвоведение. 2012. №9. С. 944-952.
11. Мамонтов В. Г., Родионова Л. П., Бруевич О. М. Уровни содержания лабильных гумусовых веществ в пахотных почвах // Известия ТСХА. 2009. №4. С. 121-123.
12. Использование вегетативного индекса NDVI для прогноза урожайности зерновых культур / С. А. Родимцев, Н. Е. Павловская, С. В. Вершинин и др. // Вестник НГАУ. 2022. №4 (65). 56-67. doi: 10.31677/2072-6724-2022-65-4-56-67.
Productivity research and yield forecasting of spring wheat using earth remote sensing technologies
N.M. Nevenchannaya, Yu. V. Aksenova
Omsk State Agrarian University, Institutskaya pl., 1, Omsk, 644008, Russian Federation
Abstract. Research aimed to determine the relationship between the state of the stem of spring wheat and indicators of soil fertility through the vegetation index (NDVI) in different phases of the growing season to predict and adjust the size of the yield. The work was carried out under the conditions of the Omsk region on spring wheat crops: in the forest-steppe zone - varieties Omskaya 36, in the steppe zone - Duet and OmGAU 100. High variability of soil fertility within each field, associated with the presence of carbonate and alkaline soil varieties, heterogeneity in humus content (2.97-5.94%), very high availability of soils with potassium (425870 mg/kg) against the background of a lack of nitrogen (1.7-15.9 mg/kg) and phosphorus (32-85 mg/kg), had a significant impact on the state of crops. Based on the results of comparing the size of the phytomass of wheat plants in the germination and tillering phases with indicators of soil fertility, dependences were established in the system "N-NO3 content in the soil - plant phytomass - NDVI index". On their basis, a scale for assessing the density and condition of the spring wheat stalk by the value of the NDVI index for the forest-steppe and steppe zones of the Omsk region was adapted, which allows to adjust the nitrogen nutrition of plants and predict yields. With the value of the NDVI index in the tillering phase of 0.4-0.5, it is possible to predict the maximum grain yield, which is possible, considering the prevailing weather conditions. For varieties Duet and OmGAU 100, the yield was predicted at the level of 17.5 and 17.4 c/ha, for variety Omskaya 36 - 15.8 c/ ha, the actual grain harvest was lower by 0.5, 0.9 and 0.6 c/ha, respectively. The reliability of the forecast based on UAV and remote sensing data was 92-96%. To reduce its error, it is necessary to consider the varietal characteristics of the crop, the infestation of crops and the moisture supply of plants in the main phases of development.
Keywords: fertility; yield forecasting; spring wheat; vegetation index (NDVI); nitrogen nutrition; UAV.
Author details: N. M. Nevenchannaya, e Cand. Sc. (Agr.), assoc. prof. (e-mail: yuv. S aksenova@omgau.org); Yu. V. Aksenova, ° Cand. Sc. (Biol.), assoc. prof. 0
For citation: Nevenchannaya NM, u Aksenova YuV [Productivity research Q and yield forecasting of spring wheat us- z ing earth remote sensing technologies]. 2 Zemledelie. 2023;(2):24-31. Russian. doi: M 10.24412/0044-3913-2023-2-24-31. °
■ 3
