doi: 10.15389/agrobiology.2020.1.53rus
УДК 633.11:632.51:631.54:632.08:535.3
Исследования проведены при финансовой поддержке РФФИ (грант № 18-016-00052) и гранта Минобрнауки России (соглашение № 05.607.21.0302).
О ВЛИЯНИИ ЗАСОРЕННОСТИ ПОСЕВОВ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ
НА ИХ СПЕКТРАЛЬНУЮ ОТРАЖАТЕЛЬНУЮ СПОСОБНОСТЬ
И.Ю. САВИН1, 2, Е.А. ШИШКОНАКОВА1, Е.Ю. ПРУДНИКОВА1, 2,
Г.В. ВИНДЕКЕР1, П.Г. ГРУБИНА1, Д.В. ШАРЫЧЕВ1, В.Н. ЩЕПОТЬЕВ1,
Ю.И. ВЕРНЮК1, 2, А.В. ЖОГОЛЕВ1
К малоизученным факторам, влияющим на спектральную отражательную способность посевов и, соответственно, успешность детектирования их состояния по данным дистанционного зондирования, относится засоренность посевов. На основе результатов полевых обследований проведен анализ влияния засоренности посевов озимой пшеницы в разные фазы вегетации на их спектральную отражательную способность (СОС) на примере нескольких полей в Тульской области с черноземами, серыми лесными и аллювиальными пахотными почвами. В полевых условиях несколько раз в течение сезона вегетации оценивалась засоренность посевов, определялась спектральная отражательная способность посевов, сорняков, листьев озимой пшеницы и почвы с использованием полевого спектрорадиометра FieldSpec® HandHeld 2™ («ASD, Inc.», США), а также проводилось фотографирование поверхности посевов. Дешифрование полученных фотографий показало, что проективное покрытие сорняков на поверхности посевов достаточно низкое в начале и середине сезона вегетации пшеницы, но значительно возрастает с момента начала ее пожелтения. При этом проективное покрытие сорной растительности на поле с черноземами оказалось минимальным в начале и середине сезона вегетации и максимальным — к ее окончанию. Проективное покрытие на полях с серыми лесными и аллювиальными пахотными почвами статистически не различалось, но на аллювиальных почвах оно значимо возрастало к концу вегетации пшеницы. С использованием модели спектрального смешивания оценивался вклад засоренности в интегральное отражение света посевами в видимой и ближней инфракрасной областях спектра электромагнитных волн. Установлено, что, несмотря на достаточно высокую засоренность посевов озимой пшеницы в весенне-летний период, проективное покрытие сегетальных видов на поверхности посевов невелико. Его площадь слабо зависит от почвенных условий, а больше определяется другими факторами (историей полей, севооборотами и т.п.). Влияние сорной растительности на спектральную отражательную способность посевов изменяется во времени. Оно минимально на пике сезона вегетации, составляя несколько процентов для всех длин волн видимого и ближнего ИК диапазона. В начале послезимнего периода вклад сорной растительности в СОС посевов может достигать 10-20 %, а в конце сезона сорная растительность предопределяет спектральный облик посевов на большинстве длин волн рассматриваемого диапазона. Наибольший вклад наблюдается во всех случаях в ближней ИК (λ = 710-730 нм) и в зеленой (λ = 520-560 нм) областях спектра, но также есть периоды локальных максимумов вклада в синей области спектра (λ = 400-420 нм). Представленные данные открывают возможность для разработки таких вегетационных индексов для дистанционного мониторинга посевов, которые позволят учитывать влияние засоренности лучше, чем при использовании традиционных индексов (например, NDVI — Normalized Difference Vegetation Index). Кроме того, могут быть предложены специальные вегетационные индексы для дистанционного детектирования засоренности посевов озимой пшеницы.
Ключевые слова: спектральная отражательная способность, Тульская область, засоренность посевов, озимая пшеница, дистанционный мониторинг посевов.
ABOUT EFFECT OF WEEDS ON SPECTRAL REFLECTANCE PROPERTIES OF WINTER WHEAT CANOPY
I.Yu. Savin1, 2, E.A. Shishkonakova1, E.Yu. Prudnikova1, 2, G.V. Vindeker1, P.G. Grubina1, D.V. Sharychev1, V.N. Schepotiev1, Yu.I. Verniuk1, 2, A.V. Zhogolev1
Among the poorly studied factors affecting the spectral reflectivity of crops and, consequently, the success of detection of their condition based on remote sensing data is crop weedness. On the basis of field survey data, the effect of weed infestation on winter wheat spectral reflectivity at different stages of vegetation was analyzed using the example of individual fields in the Tula region with chernozems, grey forest, and alluvial arable soils. Under field conditions, crop weedness, spectral reflectance of crops, weeds, winter wheat leaves and soil was determined using FieldSpec® HandHeld 2™ field spectro-radiometer (ASD, Inc., USA) was assessed several times during the growing season, and the crop surface was photographed. The decoding of the photos showed that the projective weed coverage on the crop surface is low enough at the beginning and middle of the wheat growing season, but increases significantly since the beginning of leaves yellowing. At the same time, the projective coverage of weeds in the field with chernozems was minimal at the beginning and middle of the growing season, and maximal - by the end of the growing season. Projective coverage of weeds on fields with grey forest and alluvial arable soils did not differ statistically, but on alluvial soils it increased significantly by the end of wheat vegetation. Using the spectral mixing model, the contribution of weeds infestation to the integral reflection of light by crops in the visible and near infrared bands of the electromagnetic waves was estimated. It has been found that despite the rather high weedness of winter wheat canopy in the spring-summer growing season, its projective coverage on the surface of the crop canopy is small. The magnitude of the projective cover of weeds on the surface of crop canopy weakly depends on soil conditions, and is more determined by other factors (history of fields use, crop rotation, etc.). The effect of weed vegetation on the spectral reflectivity of crops changes over time. It is minimal at the peak of the growing season, accounting for several percent for all wavelengths of the visible and near IR range. At the beginning of the post-winter vegetation period, the contribution of weed vegetation to the spectral reflectance of crops can reach 10–20 %, and at the end of the vegetation season, weed vegetation can predetermine the spectral appearance of crops at most wavelengths of the considered range. The greatest contribution is observed in all cases in the near IR (710-730 nm) and in the green (520-560 nm) spectral region, but at certain times there are local maxima of the contribution and in the blue spectral region of electromagnetic waves (400–420 nm). The data obtained open up the possibility for the development of new vegetation indices for remote monitoring of crops, which will be less affected by weedness than those traditionally used (for example, NDVI). Conversely, on the basis of the data obtained, special vegetation indices can be proposed for the remote detection of the weedness of winter wheat canopy.
Keywords: spectral reflectance, Tula region, crop weedness, winter wheat, remote sensing monitoring of crops.
1ФГБНУ Почвенный институт им. В.В. Докучаева, |
Поступила в редакцию |
