Оценка состояния посевов озимой пшеницы и ярового ячменя по среднему значению NDVI, на основе космоснимков

Вве^ение. Управление растениеводством, связанное с прогнозированием уро^айности сельскохозяйственных культур, последствиями воздействия окру^ающей среды, химическим составом почвы, вла^ностью и т.д., мо^ет быть основано на спектральной сигнатуре растительных посевов, т.е. коэффициенте отра^ения/излучения в зависимости от длины волны. В мировой практике сельского хозяйства широко используются вегетационные индексы NDVI, помогающие провести качественный анализ состояния растительности на основании дистанционного зондирования [1].

Вегетационные индексы являются ва^ной характеристикой для изучения состояния посевов, указывающие на структурные, биохимические и физиологические изменения. Большая часть структурно связанных растительных индексов создается на основе отра^ательной способности, полученной в красной и бли^ней инфракрасной областях. К структурным свойствам относятся биомасса зеленого листа, индекс площади листьев и фотосинтетически поглощенные активные излучения. Биохимические свойства включают пигменты (хлорофилл, антоциан и каротиноиды), а так^е воду, азотсодер^ащие соединения, лигнин, целлюлозу и др. К третьей категории состояния растительного покрова относится физиологическое состояние растений, связанное с изменениями, происходящими под влиянием различного рода стрессов. Например, изменение содер^ания хлорофилла, ксантофилла, вла^ности и пр. [2, 3].

Индексы растительности используются для анализа посевов, содер^ания питательных элементов в почве, управления пестицидами, оценки уро^айности, моделирования и т.д. [4, 5]. Индексы растительности являются полезной информацией, особенно это касается выявления стрессов для своевременного принятия соответствующих мер для управления растениеводством. В России использование зондирования для прогнозирования уро^айности и управления растениеводством еще недостаточно широко внедрено.

Целью иссле^ований является изучение возмо^ности использования аэрофотосъемок растительного покрова в условиях Орловской области.

В задачи исследований входило:

• -    установить взаимосвязь ме^ду продуктивностью посевов озимой пшеницы и ярового ячменя и их вегетационным индексом NDVI;

• -    выявить возмо^ность использования данных дистанционного зондирования с помощью летательного аппарата для оценки продуктивности озимой пшеницы и ярового ячменя под влиянием нового биопрепарата.

Услови^, материалы и мето^ы . Работа проводилась в условиях Научнообразовательного производственного центра (НОПЦ) «Интеграция» ФГБОУ ВО Орловский Г^У. Площадь опытной делянки составляла 10 га на 1 культуру. Изучалось влияние нового биологического препарата с защитно-стимулирующим свойством с рабочим названием «Нигор» [6] на уро^айные данные озимой пшеницы «Московская 40» и ярового ячменя «Скарлет». ^грохимическая характеристика почвы: P 2 O 5 – 99 мг/кг [7], К 2 О – 102 мг/кг, pH – 5 [8]; гумус по методу Тюрина в модификации ЦИН^О [9] – 4,54. Предшественник – ячмень. Почва сера лесная, среднесуглинистая.

Проводилась предпосевная обработка ярового ячменя «Скарлет» с помощью перемешивания инсектицидного протравителя системного действия «Имидор Про» 0,75 л/т и «Биостим Старт» 1 л/т в протравителе КС-10 и двукратное опрыскивание в фазу кущения (27.05.2020) совместно с гербицидом «Фенизан», ВР 0,15 л/га (расход рабочей ^идкости: при наземной обработке – 200 л/га) и в фазу трубкования (15.06.2020) совместно с фунгицидом «Титул Дуо» 0,25 л/га. (расход рабочей ^идкости: при наземной обработке – 200 л/га), с помощью опрыскивателя AMAZONEN D492-05.Уборка ячменя проводилась 1 сентября 2020 г.

На озимой пшенице «Московская 40» проводилось двукратное опрыскивание в фазу кущения (24.05.2020) совместно с гербицидом «Фенизан», ВР 0,15 л/га (расход рабочей ^идкости: при наземной обработке – 200 л/га) и в фазу трубкования (10.06.2020) совместно с фунгицидом «Титул Дуо» 0,25 л/га. (расход рабочей ^идкости: при наземной обработке – 200 л/га), с помощью опрыскивателя AMAZONEN D492-05.

^грохимическая характеристика почвы под озимой пшеницей: P 2 O 5 – 104 мг/кг [7], К 2 О –135 мг/кг, pH – 5,5 [8]; гумус по методу Тюрина в модификации ЦИН^О [9] – 4,09. Предшественник – соя. Почва сера лесная, среднесуглинистая. Уборка озимой пшеницы проведена 23 августа 2020 г.

На протя^ении вегетационного периода культур проводились фенологические наблюдения и в конце вегетации подсчитана уро^айность пшеницы и ячменя.

Динамические значения вегетационного индекса NDVI получали при анализе спутниковых снимков опытных участков, начиная с фазы начала цветения культур. На основе этих данных были подготовлены соответствующие карты, визуализация данных, доступ к которым был реализован на базе веб-ГИС-платформы GeoMixer. Обработка цифровой информации обеспечивалась программой обработки данных дистанционного зондирования Земли ScanEx Image Processor v.5.0. Границы опытных участков определялись векторными контурами (полигонами) (рис. 1), зало^енными в цифровой среде комплексной системы управления (КСУ) сельскохозяйственной организацией Agro Network Technologies (ANT). Данное ПО является базой цифровой платформы опытного хозяйства университета.

Результаты и обсу^^ение . В результате обследований поля с озимой пшеницей 17.06.2020 г с помощью обработки космоснимков в программе ScanEx, получены данные, указывающие на неоднородность состояния посевов пшеницы, обработанных и необработанных биологическим препаратом растений (рис. 2). Более бледная окраска, соответствующая контролю, указывает на меньшее содер^ание хлорофилла в растениях пшеницы, а более яркое окрашивание участка с обработанными препаратом посевов – на более высокое содер^ание зеленых пигментов в опытных растениях. Подобные различия в содер^ании хлорофиллов связаны с повышением фотосинтетической продуктивности озимой пшеницы под влиянием средств защиты растений.

Рисунок 1 – Скриншот вкладки «Поля» КСУ ANT НОПЦ «Интеграция» ФГБОУ ВО Орловский Г^У

Известно, что, используя NDVI для мониторинга всхо^ести культурных растений на полях, мо^но заключить о благополучности зимовки озимых сортов культурных растений [10]. Так, например, если в начале сезона NDVI ни^е 0,15 – велика вероятность того, что на участке все растения погибли. Обычно такие показатели соответствуют вспаханной почве без вегетации. Значение NDVI от 0,15 до 0,2 – так^е низкий показатель. Это мо^ет означать, что растения вошли в зимовку на ранней фенологической фазе, до кущения. NDVI 0,2-0,3 – относительно хороший показатель, указывающий на возмо^ность того, что растения успели войти в фазу кущения и возобновляют вегетацию. С некоторыми допущениями, хорошим показателем являются значения NDVI от 0,3 до 0,5. Показатель NDVI, превышающие значение 0,5 – аномальный показатель после зимовки.

Рисунок 2 – Поле с высеянной озимой пшеницей в фазу начала цветения

Как видно из рисунка 3, в нашем опыте в марте-апреле показатель NDVI довольно низкий и составляет всего 0,05-0,2. Это мо^ет говорить о том, что растения вошли в зимовку на ранней фенологической фазе, до кущения. К маю вегетационный индекс составлял чуть больше 0,25, что является условно неплохим показателем и указывает на то, что растения успели войти в фазу кущения и возобновления вегетации.

В середине сезона по индексу NDVI мо^но оценить, как развиваются растения на поле. В опытном варианте вегетационный индекс близок к 0,70, что указывает на хорошее развитие озимой пшеницы.

В конце сезона индекс NDVI мо^ет слу^ить для определения полей, готовых к уборке уро^ая: чем ни^е значения индекса, тем бли^е к созреванию данный участок поля. Оптимальное значение индекса в таком случае – 0,3-0,35. В нашем опыте индекс NDVI к сентябрю близок к 0,3, что указывает на готовность к уборке уро^ая.

Рисунок 3 – Поле с озимой пшеницей с цветовой шкалой и показателем NDVI

На контрольном участке, хорошо наблюдаемом по более бледному окрашиванию, индекс NDVI в середине сезона составил всего 0,4-0,45, что прогнозирует более низкую уро^айность по сравнению с обработанным нашим препаратом участком. Вегетационный индекс на опытном варианте в середине сезона 0,5-0,85 у^е не восполнил потери, связанные с ранним уходом растений на зимовку. В текущем 2020 году в РФ средняя уро^айность составила 30,6 ц/га, а по Орловской области 45 ц/га [11]. Таким образом, в Орловской области потенциал уро^айности озимой пшеницы очень высокий и при благоприятном вегетационном индексе, связанным с уходом растений на зимовку, мо^ет составить более 45 ц/га.

Сравнение индекса NDVI с конечным уро^аем показывает справедливость такого утвер^дения, подкрепленного полученными данными. На озимой пшенице «Московская 40» на контроле получен уро^ай зерна 38,8 ц/га, а на опыте – 41,5 ц/га. Уро^ай с опытных растений превосходит контрольные за счет более крупных колосьев и массы 1000 зерен (рис. 4).

1                                             2

Рисунок 4 – Колосья озимой пшеницы: с контрольных (1) и обработанных оригинальным биопрепаратом растений (2)

Выполненные обработка и анализ спутниковых снимков поля ярового ячменя показали (рис. 5), что контрольный участок имеет очень бледную окраску, свидетельствующую о низком содер^ании зеленых пигментов в растениях, что мо^ет сказаться на сни^ении уро^айности ячменя. Обработанный препаратом участок по сравнению с контрольным, имеет несколько более интенсивную окраску, связанную с накоплением зеленых пигментов, увеличивающих фотосинтетический потенциал.

Рисунок 5 – Обработанные спутниковые снимки участков с посевами ярового ячменя

В начале вегетации в марте-апреле индекс NDVI на опытном участке ярового ячменя сильно колебался и составлял в среднем около 0,35, а к середине вегетации – 0,75. Конец вегетации характеризуется индексом NDVI, равным 0,25, что указывает на готовность к уборке уро^ая (рис. 6). Однако, на контрольном участке показатели вегетационного индекса в середине сезона были значительно ни^е и составили по цветовой шкале около 0,35-0,4. Это очень низкие значения вегетативного индекса, свидетельствующие о неблагоприятных условиях развития (например, недостача влаги или питательных элементов).

Рисунок 6 – Динамика изменения показателя NDVI для ярового ячменя

В результате проведенных исследований установлено, что у ярового ячменя уро^айность на контроле составила 19,7 ц/га, а на опыте – 21,5 ц/га, при средней уро^айности по России около 50 ц/га. Таким образом, оценка состояния посевов озимой пшеницы и ярового ячменя по среднему значению NDVI, на основе космоснимков указывает на недостаток на участке элементов питания или влаги, что предстоит установить в дальнейших исследованиях.

Рисунок 7 демонстрирует, что растения ярового ячменя с опытного участка были мощнее контрольных и превосходили их по всем морфометрическим характеристикам.

1           2

Рисунок 7 – Снопы ярового ячменя перед уборкой: 1 – контроль; 2 – обработанные биопрепаратом

Таким образом, на основании проведенных исследований, мо^но сделать следующие выво^ы:

• 1.    Оценка состояния посевов сельскохозяйственных культур по среднему значению NDVI на основе космоснимков позволяет на протя^ении всего периода контролировать развитие растений и прогнозировать уро^айность.

• 2.    Вегетационный индекс NDVI озимой пшеницы в весеннее время составляющий 0,05-0,2 указывает на то, что растения вошли в зимовку на ранней фенологической фазе, до кущения, что мо^ет снизить потенциальную уро^айность.

• 3.    Высокие значения индекса NDVI, равные 0,75-0,8, указывают на то, что уро^айность озимой пшеницы мо^ет составить более 40 ц/га.

• 4.    Величины индекса NDVI у ярового ячменя на контрольном участке очень низкие и составляют в середине сезона около 0,5, что прогнозирует уро^айность в два раза ни^е оптимальной. Обработка растений биопрепаратом увеличила уро^айность на 9,1%, но не смогла компенсировать недостаток элементов питания.

БͶБЛͶОГРAФͶЯ

• 1.    Pooja V.J., Ratnadeep R.D., Priyanka U.R. Vegetation Indices for Crop Management // A Review IJRAR. January 2019. V. 6. Р. 413-415.

• 2.    Pooja V.J., Ratnadeep R.D. Hyperspectral Remote Sensing for Agriculture // A Review IJCA. 2017. V. 172. N. 7. Р. 30-34.

• 3.    Jinru X., Baofeng S. Significant Remote Sensing Vegetation Indices // A Review of Developments and Applications, Hindawi Journal of Sensors. 2017. V. 1. Р.1-17.

• 4.    Payero J.O., Neale C.M.U., Wright J.L. Сomparison of eleven vegetation indices for estimating plant height of alfalfa and grass // Applied Engineering in Agriculture, American Society of Agricultural Engineers. 2004. V. 20 (3). Р. 385-393.

• 5.    Thenkabail P.S., Smith R.B., Pauw E.D. Hyperspectral vegetation indices and their relationships with agricultural crop characteristics // Remote Sensing Environment. 2000. V. 71. Р. 158-182.

• 6.    Пат. 2463759 РФ, МПК ⁵¹ A01C 1/06, 1/08. Средство для предпосевной обработки семян гороха / Павловская Н.Е., Горькова И.В., Гагарина И.Н., Бородин Д.Б., Борзенкова Г.^.; патентообладатель Федеральное государственное образовательное учре^дение высшего профессионального образования «Орловский государственный аграрный университет». № 2011117691/13; заявл. 03.05.2011; опубл. 20.10.2012.

• 7.    ГОСТ 26205-91 Почвы. Определение подви^ных соединений фосфора и калия по методу Мачигина в модификации ЦИН^О. М.: Комитет стандартизации и метрологии СССР, 1992. 8 с.

• 8.    ГОСТ 26483-85 Почвы. Приготовление солевой вытя^ки и определение ее рН по методу ЦИН^О. М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1985. 4 с.

• 9.    ГОСТ 26213-91 Почвы. Методы определения органического вещества. М.: Комитет стандартизации и метрологии СССР, 1992. 8 с.

• 10.    Что такое индекс NDVI и как он делает ^изнь фермера проще // URL: https://blog.onesoil.ai/ru/what-is-ndvi (дата обращения: 20.10.2020).

• 11.    Ход уборочной кампании 2020 в РФ по областям // URL: http://zerno.ru/node/10943 (дата обращения: 20.10.2020).