CC BY
117
УДК 633.11«324»:581.13+581.144
Площадь ассимиляционной поверхности и NDVI посевов озимой пшеницы
Ф.В. ЕРОШЕНКО, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник И.Г. СТОРЧАК, научный сотрудник Е.О. ШЕСТАКОВА, аспирант Ставропольский научно-исследовательский институт сельского хозяйства, ул. Никонова, 49, Михайловск, Ставропольский край, 356241, Россия E-mail: yer-sniish@mail.ru
Целью наших исследований было установить взаимосвязь между вегетационным индексом NDVI и одним из показателей фотосинтетической продуктивности - площадью ассимиляционной поверхности, что даст возможность по данным дистанционного зондирования Земли контролировать ход формирования урожая посевов озимой пшеницы. Работу выполняли в 2011-2014 гг. на полях производственных посевов Ставропольского НИИ сельского хозяйства, расположенных в зоне неустойчивого увлажнения. Учет урожая проводили биологическим методом. Площадь ассимиляционной поверхности определяли общепринятым весовым методом. Повторность опыта -четырехкратная. Взаимосвязь между продуктивностью озимой пшеницы и динамикой NDVI в отдельном посеве низкая или отсутствует. Растения изучаемой культуры в среднем формируют большую ассимилирующую площадь по паровому предшественнику, чем по гороху и сое. Существует зависимость между площадью фотосинтезирующей поверхности и вегетационным индексом NDVI посевов озимой пшеницы, которая оценивается коэффициентом корреляции равным 0,61-0,68. Поражение посевов болезнями, влияющими на пигментацию листьев, может привести к неправильному расчету индекса NDVI и исказить результаты. Отмечена тенденция к снижению коэффициентов корреляции между вегетационными индексами и площадью ассимиляционной поверхности озимой пшеницы с ростом и развитием растений. Это можно объяснить усилением влияния сортовых и технологических особенностей растений на физиологическое состояние посевов в онтогенезе. Полученные результаты могут быть использованы при разработке способов мониторинга физиологического состояния посевов в течение вегетации и оценке урожайности сельскохозяйственных культур по данным дистанционного зондирования Земли из космоса.
Ключевые слова: вегетационный индекс, NDVI, озимая пшеница, площадь ассимиляционной поверхности, продуктивность, урожай зерна.
Для цитирования: Ерошенко Ф.В., Сторчак И.Г., Шестакова Е.О. Площадь ассимиляционной поверхности и NDVI посевов озимой пшеницы// Земледелие. 2015. № 7. С. 37-39.
Для условий Ставропольского края данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) могут быть использованы при оценке продуктивности озимой пшеницы на уровне таких административных единиц как район, почвенно-климатическая зона и край в целом [1]. Подобные результаты получены на Украине [2] и в Казахстане [3]. Такие исследования проводят с использованием усредненных данных по значениям вегетационных индексов большого количества измерений для отдельных полей на выбранной территории (район, зона, край). При этом происходит нивелирование воздействия на рост и развитие растений сельскохозяйственных культур сортовых и технологических особенностей единичного посева, а также почвенных и погодных факторов. Известно, что условия выращивания оказывают влияние на фотосинтетические показатели растений [4-6], а, следовательно, и на их оптико-биологические свойства [7].
Нормализованный разностный вегетационный индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) рассчитывают по формуле:
NDV, = NIR-RED,
NIR + RED
где NIR и RED - коэффициенты отражения электромагнитных излучений в инфракрасной и красной областях спектра, которые определяют по космоснимкам соответствующей территории.
Ученые из Японии при изучении сезонных изменений некоторых физиологических показателей рощи японского бука и характеристик ее спектра поглощения установили, что содержание хлорофилла коррелирует с коэффициентом отражения в красной области, а индекс листовой поверхности (ИЛП) - в инфракрасной [8]. К сожалению, этот анализ проведен только для одного объекта (буковая роща) и без учета влияния условий выращивания на полученные результаты. С практической точки зрения, такие исследования важны
и необходимы, так как в перспективе они позволят осуществлять постоянный контроль физиологического состояния растений сельскохозяйственных культур и более детально раскрывать некоторые механизмы взаимосвязи данных дистанционного зондирования Земли с продукционным процессом. Это даст возможность использовать космоснимки в качестве одного из объективных и оперативных показателей при разработке рекомендаций по уходу за посевами, а также прогнозировать их урожайность.
Целью наших исследований был поиск взаимосвязи между вегетационным индексом NDVI и одним из показателей фотосинтетической продуктивности - площадью ассимиляционной поверхности, что даст возможность по данным дистанционного зондирования Земли контролировать ход формирования урожая посевов озимой пшеницы.
Работу проводили в 2011-2014 гг. на полях производственных посевов озимой пшеницы Ставропольского НИИ сельского хозяйства, расположенного в зоне неустойчивого увлажнения.
Метеоусловия 2011-2012 гг характеризовались ранним прекращением осенней и поздним возобновлением весенней вегетации при повышенном температурном режиме и недоборе осадков в весенне-летний период. Особенностями 2012-2013 гг были сильная засуха в сентябре и октябре, последствия которой в значительной степени нивелировали благоприятные условия ноября и декабря, раннее возобновление весенней вегетации и своевременное выпадение осадков в репродуктивный период. В 2013-2014 сельскохозяйственном году отмечены благоприятные условия температурного и водного режимов во все периоды роста и развития озимой пшеницы.
Каждое поле оцифровывали (Мар1^о и ArcGis) и с использованием координат на сервисе «ВЕГА» Института Космических Исследований РАН (http://vega.smislab.ru/) получали данные динамики их NDVI.
Растительные образцы для оценки фотосинтезирующей площади отбирали в течение вегетации на каждом поле в четырехкратной повторности с площадки 0,25 м2. Размеры ассими- е ляционной поверхности определяли | общепринятым весовым методом. д
Учет урожая проводили биологи- е ческим методом: с каждого поля в че- | тырехкратной повторности отбирали № снопы с площадки 0,25 м2, которые 7 затем разбирали, взвешивали и рас- м считывали урожай общей биомассы 1 и зерна. 5
1Л
о
N
ф ^
ш ч
ш ^
ш со
Рис. 1. Коэффициенты корреляции между урожаем зерна посевов озимой пшеницы и характеристиками динамики ■ — максимальный МЛУ1за период возобновление
весенней вегетации — полная спелость; — средний МЛУ1за период возобновление весенней вегетации — полная спелость; — максимальный МЛУ1за период возобновление весенней вегетации — полная спелость; — суммарный NDVIзa период возобновление весенней вегетации — колошение.
Динамика вегетационного индекса NDVI посевов озимой пшеницы имеет два максимума: перед уходом в зиму и в фазе колошения. Мы проанализировали коэффициенты корреляции между урожаем зерна озимой пшеницы с некоторыми характеристиками изменений NDVI в онтогенезе (рис. 1).
Полученные результаты свидетельствуют о том, что существующая тесная взаимосвязь между продуктивностью озимой пшеницы и динамикой NDVI для таких административных единиц как район, почвенно-климатическая зона и край в целом [1], для отдельных полей если и проявляется, то нестабильно, а зачастую она низка или вовсе отсутствует. В связи с этим, возникает необходимость рассмотрения механизмов взаимосвязи вегетационного индекса, как объективной характеристики оптических свойств посева, с его урожаем.
В формировании урожая озимой пшеницы важную роль играет размер фотосинтетического аппарата. Мы проанализировали динамику изменения площади ассимиляционной поверхности посевов озимой пшеницы в онтогенезе (см. табл.). Исследования показали, что величина этого показателя достигает наибольшего значения в фазе колошения. В наших опытах в 2013 и 2014 гг. растения формировали, в среднем, большую фотосинтезирующую площадь по паровому предшественнику, чем по гороху и сое.
Самый высокий коэффициент корреляции между вегетационным индексом и размерами фотосинте-зирующей поверхности посевов в
условиях 2013 г. был равен 0,95 (поле № 4), а наименьший отмечен на поле № 6 - 0,21. В среднем по всем полям величина этого показателя составила 0,68.
Следует отметить, что коэффициент корреляции между NDVI и площадью ассимиляционной поверхности в 2013 г. был меньше 0,5 только у двух полей (№ 6 и 8). Если для поля № 8 R = 0,48, то для поля № 6 - всего
согг ' ' ^
0,21. Такой низкий коэффициент корреляции для поля № 8 можно объ-
яснить тем, что его посев в 2013 г. был сильнее остальных поражен вирусом желтой карликовости ячменя, что привело к изменению пигментации растений. А так как NDVI - это математическое выражение, отражающее определенное соотношение коэффициентов поглощения в красной и ближней инфракрасной областях спектра электромагнитных волн, то на полученные величины вегетационного индекса этого поля оказало влияние пожелтение растений из-за действия вируса.
Коэффициент корреляции между NDVI и общей площадью ассимиляционной поверхности вусловиях 2014 г. изменялся в пределах 0,27-0,73. Минимальное его значение отмечено на пятом поле, а максимальное - на втором и третьем.
Результаты изучения связи вегетационного индекса с размерами фотосинтетической поверхности посева на разных этапах роста и развития озимой пшеницы показали (рис. 2), что при возобновлении весенней вегетации коэффициент корреляции между NDVI и площадью ассимиляционной поверхности в среднем за годы исследований составляет 0,59. Дальнейшее развитие посевов озимой пшеницы сопровождалось снижением величины этого показателя: в фазе трубкования он был равен 0,42, колошения и в налив зерна - 0,33 и 0,35 соответственно.
В 2014 г. коэффициенты корреляции между площадью ассимиляци-
Площадь ассимиляционной поверхности посевов озимой пшеницы (м2/м2) и коэффициенты корреляции с NDVI
№ поля Сорт озимой пшеницы, предшественник Фазы развития
весеннее кущение трубкова-ние колошение налив зерна Я согг
2013 г.
1 Полевик, горох 2,37 3,39 4,39 3,51 0,84
2 Казачий атаман, горох 0,95 1,41 2,16 1,60 0,92
3 Багира, пар 5,93 6,06 8,23 7,33 0,80
4 Одесская 200, соя 1,66 2,71 3,48 2,47 0,95
5 Одесская 200, пар 4,39 4,57 6,97 5,08 0,79
6 Зустрич, пар 5,86 6,17 7,78 4,93 0,21
7 Писанка, соя 1,92 1,98 2,32 2,06 0,53
8 Скарбница, пар 6,73 5,66 5,49 3,66 0,42
Среднее 3,72 4,00 5,10 3,83 0,68
ясогг 0,43 0,22 0,08 0,25
2014 г.
1 Писанка, озимый рапс 1,41 3,28 6,80 5,73 0,66
2 Скарбница, пар 1,37 2,48 8,29 6,39 0,73
3 Одесская 200, горох 1,42 3,73 6,72 6,71 0,73
4 Одесская 200, горох 1,50 3,50 7,51 7,23 0,56
5 Одесская 200, горох 1,42 2,69 6,43 6,22 0,27
6 Одесская 200, горох 1,44 4,09 8,80 8,80 0,30
7 Одесская 200, многолетние травы 1,40 1,99 6,31 4,64 0,43
8 Пилипенко, горох 0,80 1,39 3,37 3,20 0,39
9 Скарбница, пар 1,43 3,15 7,78 7,41 0,63
10 Скарбница, пар 0,77 1,24 5,48 4,88 0,48
Среднее 1,30 2,76 6,75 6,12 0,54
Я согг 0,75 0,61 0,58 0,44
Среднее за годы исследований
Я согг 0,59 0,42 0,33 0,35 0,61
Я - коэффициент корреляции
8. Seasonal patterns of canopy structure, biochemistry and spectral reflectance in a broad-leaved deciduous Fagus crenata canopy / E. Kodani, Y Awaya, K. Tanaka, N. Matsumura // Forest Ecology and Management. 2002. Vol.167. Is. 1-3. C. 233-249.
Area of assimilative surface and NDVI of winter wheat crops
F.V. Eroshenko, I.G. Storchak, E.O. Shestakova
Stavropol Research Institute of Agriculture, ul. Nikonova, 49, Mikhajlovsk, Stavropolsky Krai, 356241, Russian Federation
1K7S
H'.llillir TpvdriOMHHE ftUHUKnite НлГ|<э1?рпД
Рис. 2. Коэффициенты корреляции между площадью ассимиляционной поверхности посевов и их NDVI по фазам развития растений озимой пшеницы: — 2013 г.;
— 2014 г.; —среднее; —— — линейная (2013 г.); — — — линейная (2014 г.); ----- — линейная (среднее).
онной поверхности посевов озимой пшеницы и их NDVI, рассчитанные в различные фазы развития растений, были больше, чем в 2013 г При возобновлении весенней вегетации разница составляла 41,9%, в фазе трубкования - 64,1%, колошения -86,3%, налива зерна - 42,0%.
Следует отметить, что как в 2013, так и в 2014 г тенденция к снижению коэффициентов корреляции между вегетационными индексами и площадью ассимиляционной поверхности посевов озимой пшеницы с ростом и развитием растений проявлялась довольно отчетливо, что наглядно демонстрируют построенные линии трендов.
Полученные данные, на наш взгляд, объясняются тем, что на ранних этапах органогенеза озимой пшеницы сортовые и технологические особенности практически не влияют на физиологическое состояние посевов, а, следовательно, на их оптико-биологические свойства. По мере роста и развития растений такая специфика начинает проявляться сильнее - это высота посева, его густота и биомасса, ориентация листьев, разновидность колоса (lutescens, erythrospermum) и другие, включая диаметр стебля и толщину кутикулярного слоя листьев.
Проведенные исследования показали, что между площадью фо-тосинтезирующей поверхности и вегетационным индексом NDVI посевов озимой пшеницы существует взаимосвязь, которая оценивается коэффициентом корреляции равным 0,61-0,68. Так как размеры ассимиляционного аппарата служат важнейшей характеристикой, с использованием которой рассчитывают основные показатели фотосинтетической продуктивности, полученные результаты могут быть использованы при
разработке способов мониторинга физиологического состояния посевов в течение вегетации и оценки урожайности сельскохозяйственных культур по данным дистанционного зондирования Земли из космоса.
Литература.
1. Сторчак И.Г, Ерошенко Ф.В. Использование NDVI для оценки продуктивности озимой пшеницы в Ставропольском крае // Земледелие. 2014. № 7. С. 12-15.
2. Регрессионные модели оценки урожайности сельскохозяйственных культур по данным MODIS / Н.Н. Куссуль, А.Н. Кравченко, С.В. Скакун, Т.И. Адаменко, А.Ю. Шелестов, А.В. Колотий, Ю.А. Грипич // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. № 1. С. 95-107.
3. Муратова Н.Р., Терехов А.Г. Опыт пятилетнего оперативного мониторинга сельскохозяйственных угодий Северного Казахстана с помощью спутниковых данных // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2007. Т. 4. № 2. С. 277-283.
4. Effect of light on the gene expression and hormonal status of winter and spring wheat plants during cold hardening / I. Majlath, G. Szalai, J. Tandori, T. Janda, V. Soos, E. Sebestyen, E. Balazs, R. Vankova, P.I. Dobrev, I. Tari // Physiologia Plantarum. 2012. Vol. 145. Is. 2. P. 296-314.
5. Effect of lowering the root/shoot ratio by pruning roots on water use efficiency and grain yield of winter wheat / S.-C. Ma, F.-M. Li, B.-C. Xu, Z.-B. Huang // Field Crops Research. 2010. Vol. 115. Is. 2. P. 158-164.
6. Crops water use efficiencies in temperate climate: comparison of stand, ecosystem and agronomical approaches / T. Tallec, P. Beziat, N. Jarosz, V. Rivalland, E. Ceschia // Agricultural and Forest Meteorology. 2013. Vol. 168. P. 69-81.
7. Ерошенко Ф.В. Оптические свойства растений и оценка их физиологи-ческого состояния // Бюллетень Ставропольского научно-исследовательского института сельского хозяйства. 2014. № 6. С. 84-90.
Summary. The aim of our research was to determine the correlation between vegetation index NDVI and one of indicators of photosynthetic productivity - the area of assimilative surface. This will enable to control yield formation of winter wheat on the basis of the data of remote sensing of the Earth. The work was carried out in 2011-2014 in the fields of industrial crops of Stavropol Research Institute of Agriculture, located in the zone of unstable moistening. Yield was counted by the biological method. The area of assimilative surface was determined by the common weight method. The replication of the experiments was four-fold. The correlation between winter wheat productivity and dynamics of NDVI changes was weak or miss. The plants of the studied culture on the average form larger assimilating surface after fallow, than after pea or soybean. There is dependence between the area of photosynthetic surface and vegetation index NDVI of winter wheat crops, which is evaluated by correlation index equal to 0.61-0.68. The injury of crops by diseases, which influence the pigmentation of leaves, can cause incorrect calculation of NDVI and misrepresent the results. There is a tendency toward reduction of correlation coefficients between vegetation indices and area of assimilative surface of winter wheat during the growth and development of plants. This can be explained by strengthening of influence of variety and technology features on physiological state of crops during the ontogenesis. Obtained results can be used at development of methods of monitoring of physiological state of crops during vegetation and estimation of crop productivity on the basis of data of the remote sensing of the Earth from space.
Keywords: vegetation index, NDVI, winter wheat, area of assimilative surface, productivity, grain yield W Author Details: F. V. Eroshenko, D. Sc. g (Biol.), leading research fellow (e-mail: s yer-sniish@mail.ru); I.G. Storchak, research g fellow; E.O. Shestakova, post-graduate § student. s Forcitation:EroshenkoF.V., StorchakI.G., № Shestakova E.O. Area of assimilative surface 7 and NDVI of winter wheat crops. Zemledelie. M
2015. No. 7. pp. 37-39 (in Russ.). O
■ 5
