doi: 10.15389/agrobiology.2022.1.98rus
УДК 633.11:581.1:631.5
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 19-29-05184).
КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ ВЕГЕТАЦИОННЫМИ ИНДЕКСАМИ, УРОЖАЕМ ЗЕРНА И ОПТИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ЛИСТЬЕВ ПШЕНИЦЫ ПРИ РАЗНОМ СОДЕРЖАНИИ В ПОЧВЕ АЗОТА И ГУСТОТЕ ПОСЕВА
В.П. ЯКУШЕВ, Е.В. КАНАШ, Д.В. РУСАКОВ, В.В. ЯКУШЕВ,
С.Ю. БЛОХИНА ✉, А.Ф. ПЕТРУШИН, Ю.И. БЛОХИН,
О.А. МИТРОФАНОВА, Е.П. МИТРОФАНОВ
Усовершенствование методов дистанционного мониторинга посевов в системах точного земледелия и разработка алгоритмов дешифрования космических и аэрофотоснимков требуют сопоставления полученных данных с результатами наземного обследования. В настоящей работе впервые получены данные о спектральных характеристиках диффузного отражения листьев яровой пшеницы, их связи с продуктивностью растений, колориметрическими характеристиками и вегетационными индексами отражения растительного покрова, сформированного этой культурой в зависимости от применяемых технологий управления посевами. Цель работы — на примере яровой пшеницы (Triticum aestivum L.) оценить зависимость оптических характеристик и продуктивности посевов от нормы высева семян и дозы внесенных перед посевом азотных удобрений, а также определить наличие корреляционных связей между дистанционно измеренными оптическими характеристиками растительного покрова и спектральными характеристиками диффузного отражения листьев при регистрации контактным сенсором. Объектом исследования служили посевы яровой пшеницы сорта Дарья. Растения выращивали на поле Меньковского филиала ФГБНУ Агрофизического научно-исследовательского института (АФИ) (Ленинградская обл., Гатчинский р-н) в 2019-2020 годах. Всего было заложено 6 тестовых площадок площадью по 100 м2. Дозы азота варьировали от 0 (удобрения не вносили) до 200 кг/га с шагом 40 кг/га, норма высева семян составляла 6,0 и 5,0 млн/га (500 и 600 шт/м2). Спектральные характеристики диффузного отражения листьев определяли in situ на стадиях выход в трубку и колошение с помощью оптоволоконной спектрорадиометрической системы («Ocean Insight», США), в диапазоне от 350 до 1000 нм с шагом 0,3 нм. После регистрации спектров отражения растения высушивали до постоянной массы и взвешивали индивидуально. Биомассу одного растения использовали для изучения корреляционных связей с оптическими характеристиками листьев. По спектрам отраженной радиации определяли меру рассеяния света листом R800 и рассчитывали индексы отражения, характеризующие активность фотосинтетического аппарата:содержание хлорофилла (ChlRI), фотохимическую активность фотосинтетического аппарата (PRI), содержание воды (WRI), антоцианов (ARI) и флавоноидов (FRI). Во время основных фаз развития яровой пшеницы (кущение, выход в трубку, колошение, цветение) проводили дистанционную фотосъемку посевов. Цифровые изображения в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра получали с высоты 75-120 м с помощью двух синхронизированных цифровых камер Canon G7X («Canon, Inc.», Япония), установленных на квадрокоптере Геоскан 401 (ГК «Геоскан», Россия). При обработке оптических характеристик были рассчитаны вегетационные индексы NDVI (нормализованный разностный вегетационный индекс) и ARVI (устойчивый к влиянию атмосферы вегетационный индекс). Для количественного описания колориметрических характеристик листьев и сформированного посевом растительного покрова использовали трехмерную модель цветового пространства CIELAB. В период вегетации весовым методом определяли биомассу, в конце вегетации — зерновую продуктивность растений. В этом случае отбор растений проводился на выделенных учетных делянках площадью 0,25 м2. Полученные результаты свидетельствуют, что на ранних этапах развития растений, пока сформированный ими покров остается разомкнутым, NDVI позволяет достаточно точно диагностировать степень обеспеченности растений азотом и выявить участки поля, на которых они хуже развиты. Однако по мере развития растений и формирования сомкнутого растительного покрова этот показатель не давал надежных результатов. Использование ADVI также не позволяло получить надежную и достоверную информацию о состоянии яровой пшеницы и выявить участки посева, требующие внесения дополнительных удобрений. Тесная линейная корреляционная связь между дозой внесенных азотных удобрений, нетто продуктивностью растений и измеренными контактно спектральными характеристиками листьев сохранялась до поздних стадий развития (колошение, цветение). Диагностика состояния посевов по колориметрическим характеристикам давала возможность обнаружить изменения растительного покрова, связанные не только со степенью развития и густотой стояния растений, но и с особенностями спектральных характеристик диффузного отражения их листьев. Сравнение данных, полученных дистанционно и с помощью контактного сенсора, позволяют сделать вывод, что индексы ChlRI, PRI, FRI и WRI могут быть успешно применены для выявления участков посева, в которых сложился дефицит азотного питания при формировании сомкнутого растительного покрова, когда обычно применяемые вегетационные индексы, например NDVI, не дают надежных результатов.
Ключевые слова: пшеница яровая, индексы отражения, спектральные характеристики, дистанционный мониторинг, дефицит азота, точное земледелие.
V.P. Yakushev, E.V. Kanash, D.V. Rusakov, V.V. Yakushev, S.Yu. Blokhina ✉, A.F. Petrushin, Yu.I. Blokhin, O.A. Mitrofanova, E.P. Mitrofanov
Improvement of crop remote sensing application in precision agriculture systems and development of algorithms for satellite and aerial imagery interpretation necessitate comparing remote sensing and ground-based survey data. This paper is the first to report data on spectral characteristics of the leaf diffuse reflection in spring wheat, their relationship with plant productivity, colorimetric characteristics and reflection indices of the crop vegetation cover, depending on the crop management technologies. The first research objective was to assess the dependence of crop canopy optical characteristics and productivity on seeding density and the rates of pre-treatment with nitrogen fertilizer. The second objective was to reveal correlations between the canopy remote sensing data and the leaf diffuse reflection parameters registered by a contact sensor (on the example of spring wheat Triticum aestivum L. cv. Daria). The plants were grown on the test plots (Menkovo experimental station of Agrophysical Research Institute, Leningrad Province, Gatchina District) in 2020-2021 years. In total, six test plots with an area of 100 m2 were assigned. Nitrogen rates ranged from 0 (no fertilizers applied) to 200 kg/ha with increments of 40 kg/ha, and seeding rates of 500 and 600 seeds per m2. The diffuse light reflection of leaves was registered in situ on stages BBCH 30-31 “booting” and BBCH 53-55 “earing” by a fiber-optical spectroradiometric system (Ocean Insight, USA) in the range from 350 to 1000 nm with a step size of 0.3 nm. After the reflectance spectra recording, the plants were dried to constant weight and each plant was weighed to assess correlations with the optical parameters of leaves. The light diffusion index R800 was determined from the spectra of reflected radiation. The reflectance indices calculated were the following: ChlRI (chlorophyll index), PRI (photochemical index), FRI (flavonoids index), WRI (water content index), ARI (anthocyanins content index) and FRI (flavonoids content index). These indices estimate the intensity of the photosynthetic apparatus function and the efficiency of light use in photosynthesis. The crop canopy remote sensing was performed at BBCH 25-27 (“tillering”), BBCH 30-31 (“booting”), BBCH 53-55 (“earing”), and BBCH 61-65 (“blossoming”) stages using two synchronized digital cameras Canon G7X (Canon Inc., Japan) mounted on a Geoscan 401 quadcopter (Geoscan, Russia). From a height of 75-120 m, the digital images were obtain in the visible and near infrared spectral ranges. The vegetation indices NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) and ARVI (Atmospherically Resistant Vegetation Index) were calculated based on the optical characteristics. For quantitative interpretation of the colorimetric characteristics of leaves and the crop canopy, we used a three-dimensional model of the CIELAB color space. Plants were weighted during the growing season, and, after harvesting, the grain productivity was estimated for the plants sampled from 0.25 m2 reference plots. The obtained results indicate that at the early stages of plant development when the vegetation cover remains open, NDVI characterizes the degree of nitrogen supply rather exactly and identifies areas with underdeveloped plants. However, with the development of plants and the formation of a closed vegetation cover this index fails to provide reliable results. ADVI also fails to provide reliable information about the state of spring wheat plants and identifies areas that require additional fertilize application. A close linear correlation between the rate of applied nitrogen fertilizer, the net productivity of plants and spectral characteristics of leaves measured in situ occures until the late stages of development (BBCH 53-55 “earing”, BBCH 61-65 “blossoming”). Crop monitoring based on colorimetric characteristics made it possible to detect changes in the crop canopy associated not only with the plant development and crop density, but also with the spectral characteristics of the diffuse reflection of plant leaves. A comparison of the remote and contact sensing data allows us to conclude that the ChlRI, PRI, FRI and WRI indices can successfully identify areas in which nitrogen deficiency has developed during the closed canopy formation, when the commonly used indices, for example, NDVI, fail to be reliable.
Keywords: spring wheat, reflection indices, spectral characteristics, remote monitoring, nitrogen deficiency, precision agriculture.
ФГБНУ Агрофизический научно-исследовательский |
Поступила в редакцию |
