Возможность оценки степени развития растений озимой пшеницы в период "всходы - кущение" по данным дистанционного зондирования земли

Очень важное значение для формирования будущего урожая имеет контроль состояния посевов и степени развития растений в самый начальный период роста озимой пшеницы [1]. Это позволяет эффективно планировать уходные мероприятия (боронование, ремонт посевов, при необходимости их пересев и т. д.), вносить коррективы в рекомендации по ранневесенней азотной подкормке (дозы, сроки и очередность применения), а также оценивать потенциальные возможности посевов по формированию урожая и качества зерна [2–5].

Оценка состояния посевов и развития растений должна быть максимально объективной и оперативной. Такими свойствами характеризуются данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса [6; 7]. К сожалению, исследования по выявлению связи ДЗЗ с оценочными характеристиками роста и развития растений озимой пшеницы в литературе практически отсутствуют.

Обзор литературы

Из литературных источников известно, что в течение вегетации растения озимой пшеницы проходят следующие основные фазы роста и развития: всходы, кущение, выход в трубку, колошение, цветение и созревание [8; 9]. Фенологические наблюдения фиксируют лишь фазовые изменения в жизни растений, которые не раскрывают всю сложность процессов образования органов в онтогенезе [10; 11].

Органогенез – процесс формирования органов растения в их эмбриональном зачаточном состоянии (происходит дифференцирование клеток). Органы растений в процессе своего развития проходят несколько этапов органогенеза. Например, у озимой пшеницы, по Ф. М. Куперман, их 121. Важность контроля этапов органогенеза заключается в том, что появляется возможность воздействовать на растения посредством уходных мероприятий для создания благоприятных условий в периоды формирования определенных элементов структуры урожая (продуктивный стеблестой, озерненность колоса и колосков, масса 1 000 зерен и т. д.), а также на формирование качества зерна (содержание элементов минерального питания в органах растений, их реутилизация, аттракция и т. д.).

Существует соответствие между этапами органогенеза и фазами развития растений. Поэтому применение тех или иных технологических приемов выращивания в определенные фазы развития растений позволяет управлять ходом формирования урожая и качеством зерна озимой пшеницы [12; 13].

Необходимо разработать методы, позволяющие давать объективную оценку степени развития посевов не только отдельного поля, но и сельхозпредприятия в целом. Такие методы могут быть разработаны на основе данных ДЗЗ, которые в последнее время стали широко использовать в сельском хозяйстве [14–16].

Системы спутникового мониторинга активно применяются для контроля состояния растительности сельскохозяйственных посевов в течение вегетации. Главными преимуществами такого наблюдения являются оперативность (получение снимков возможно несколько раз в сутки), полимаштабность (информация как о небольших объектах (поле), так и о более крупных (край или область)), объективность (космоснимки показывают действительное состояние исследуемых объектов), экономичность (минимальные финансовые затраты) [17; 18]. Поэтому необходимо использовать специализированные сервисы пространственного разрешения, содержащие данные различного типа, и иметь многолетние архивы наблюдений. Одним из таких сервисов является «ВЕГА-Science», созданный в Институте космических исследований Российской академии наук [19].

Цель работы – установить связь данных ДЗЗ с состоянием растений озимой пшеницы в начальный период их роста и развития.

Материалы и методы

Объектом исследований были посевы озимой пшеницы. На опытном поле поделяночно высевали пшеницу следующих сортов: «Одиссея», «Олимп», «Нива Ставрополья», «Виктория 11», «Настя» и «Фируза 40». Предшественники: 1) пар; 2) озимая пшеница. Фоны минерального питания: контроль (без удобрений); 2) удобренный фон (NPK по 60 кг/га по д.в. при посеве и ранневесенняя азотная подкормка 30 кг/га по д.в.). Повторность трехкратная. Площадь одной делянки 25 м2. Кроме того, в 2013, 2014 и 2016 годах в ЗАО «СХП “Родинаˮ» (Шпаковский р-н, Ставропольский край) на производственных посевах озимой пшеницы (рис. 1) в рамках НИОКР по научному обеспечению производства зерна озимой пшеницы проводились исследования по оценке состояния растений в фазу кущения.

На рост и развитие большое влияние оказывают условия выращивания: почвенно-климатические и технологические. Вторые включают в себя: предшественника, сорт, фон минерального питания, сроки и нормы высева. Растения являются индикатором условий выращивания, поэтому, в зависимости от технологических приемов, наблюдается различная степень их роста и развития на определенных этапах органогенеза. Все это оказывает влияние на оптикобиологические свойства посевов и, как следствие, на данные дистанционного зондирования.

Погодные условия осеннего периода 2012–2013 сельскохозяйственного года были неблагоприятными для сева и появления всходов озимой пшеницы. Температура воздуха сентября была выше климатической нормы на 12,5 %, осадков при этом выпало всего 11 мм (норма 49 мм). Температурный режим октября был превышен на 4,6 °C при значительном недоборе осадков (85 %). Выпавшие осадки в первой декаде ноября и повышенные температуры всего месяца способствовали хорошему развитию посевов. Недобор осадков в зимний период составил 43 %, а температура воздуха была на 1,5 °C выше климатической нормы. Возобновление весенней вегетации началось в среднем на 15 дней раньше среднемноголетних

Том 31, № 1. 2021

значений. В марте температура воздуха была выше климатической нормы на 2,2 °C, осадков выпало 53 мм. В апреле при повышенном температурном режиме наблюдался недобор осадков. В мае температура воздуха была выше климатической нормы на 3,3 °C с дефицитом осадков 7,6 %. В июне температура воздуха была в пределах нормы, за месяц выпало 134 мм осадков.

Агроклиматические условия осени и зимы 2013–2014 сельскохозяйственного года сложились в целом благоприятно для роста и развития растений озимой пшеницы. Возобновление весенней вегетации началось на 14 дней раньше обычного срока. Температура воздуха в марте превышала значения климатической нормы на 2 °C, суммарное количество выпавших осадков за месяц составило 39 мм. Среднемесячная температура апреля была равна 9,3 °C, осадков выпало 61 мм. Температура воздуха в мае была выше среднемноголетних значений на 2 °С, осадков выпало 135 мм. Поэтому сложившиеся погодные условия не оказали отрицательного воздействия на формирование урожая озимой пшеницы. Достаточное количество выпавших осадков в весенний период компенсировало их нехватку в июне, тем более что температура воздуха была близка к климатической норме. Сложившиеся условия положительно отразились на формировании урожая зерна.

Теплообеспеченность растений озимой пшеницы в 2015 году в период сева и осенней вегетации была выше климатической нормы на 1,9–3,5 °С. Температура воздуха в феврале и марте 2016 года превышала среднемноголетнюю на 5,8 и 2,5 °С. В августе, сентябре и октябре 2015 года отмечалась засуха. Выпавшие осадки в ноябре превышали климатическую норму на 12 мм, в декабре – на 53 мм, в январе – на 22 мм, что привело к улучшению влагообеспеченности посевов.

Р и с. 1. Поля, занятые под посевы озимой пшеницы в ЗАО «СХП “Родинаˮ» F i g. 1. Fields for winter wheat plantings in the Rodina Аgricultural Company

KTSJ

Поэтому климатические условия весеннего периода в 2016 году были в целом благоприятными для роста и развития растений озимой пшеницы.

Вегетационный индекс Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) на опытных делянках определяли с помощью ручного прибора GreenSeeker (Trimble, США). Измерения проводили каждые 2-3 дня (не менее четырех замеров на каждой повторности). Одновременно с этим определяли высоту побегов и кустистость растений. По полученным данным была построена зависимость, где y ‒ NDVI, x ‒ высота растений.

Данные ДЗЗ (NDVI, NIR и RED) в период осенне-весеннего кущения посевов ЗАО «СХП “Родинаˮ» получали с помощью сервиса «ВЕГА» ФГБУН «ИКИ РАН». В этот период на посевах отбирали образцы и определяли высоту растений и их кустистость по методике государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур (1989).

Результаты исследования

Спутниковый сервис «ВЕГА» позволяет использовать информацию, полученную с общедоступных данных дистанционного зондирования [20]. Значения нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI сельскохозяйственных культур получены по данным спутника «Терра» (MODIS) [21].

Динамика вегетационного индекса NDVI посевов озимой пшеницы в Ставропольском крае представляет собой кривую с двумя максимумами (рис. 2). Наличие первого максимума, который наблюдается перед уходом в зиму, объясняется нарастанием биомассы в период осеннего кущения. Далее, в зимний период растения под действием отрицательных температур частично теряют листовой аппарат, что ведет к снижению NDVI. C возобновлением весенней вегетации отмечается рост биомассы и, как следствие, веге-

Том 31, № 1. 2021

тационного индекса NDVI, который продолжается вплоть до начала фазы колошения. Далее, наблюдается уменьшение значения NDVI, главным образом за счет уменьшения количества хлорофилла в растениях.

На рисунке 2 представлены усредненные значения вегетационного индекса NDVI озимых культур в Ставропольском крае. Их мы применили для озимой пшеницы. Правильность такого подхода объясняется тем, что более 90 % посевных площадей в крае занимают посевы озимой пшеницы, около 10 % – ячменя, который по биологическим особенностям схож с пшеницей (рис. 3).

Была изучена связь значений NDVI со степенью развития растений озимой пшеницы в начальный период ее роста и развития. Для этого с помощью ручного сканера в осенний период определяли NDVI посевов опытных делянок и сравнивали их с биометрическими показателями. Исследования показали, что в начальный период роста растений озимой пшеницы (шильца), когда их высота увеличивается от 0 до 5 см, наблюдается рост NDVI, который обусловлен выходом из почвы побегов, их утолщением и появлением первых листьев (рис. 4).

Далее рост вегетационного индекса замедляется. При этом развитие растений соответствует фазе 2-3 листьев, а их высота варьируется в довольно широких пределах 5–10 см. Такое поведение динамики NDVI объясняется тем, что в этот период основные изменения в растениях связаны с увеличением высоты побега, в то же время проективное покрытие почвы посевом почти не изменяется. С началом осеннего кущения (10–12 см) наблюдается резкий рост вегетационного индекса, который обусловлен увеличением площади покрытия почвы за счет появления новых побегов.

NDVI

0,2

Р и с. 2. Динамика вегетационного индекса NDVI озимых в Ставропольском крае, 2001–2020 гг.

F i g. 2. Dynamics of the NDVI vegetation index for winter crops in the Stavropol Krai, 2001–2020 years

93,96604156

Пшеница / Ячмень / Barley Рапс / Rapeseed Тритикале / Рожь / Rye

Wheat                                                   Triticale

Р и с. 3. Структура посевных площадей озимых культур в Ставропольском крае, 2019 г.

F i g. 3. The structure of the areas under winter crops in the Stavropol Krai, 2019 year

Высота растений, см / Plant height cm

Р и с. 4. Зависимость NDVI посева от степени его развития в осенний и ранневесенний периоды

F i g. 4. Dependence of NDVI of sowing on the degree of its development in the autumn and early spring periods

Полученная функция зависимости NDVI посевов озимой пшеницы от высоты растений и соответствующей фазы их развития представляет собой полином третьей степени и характеризуется довольно высокой точностью (коэффициент корреляции равен 0,98, коэффициент аппроксимации – 0,91).

Таким образом, результаты наших исследований позволяют сделать вывод о том, что вегетационный индекс NDVI может быть использован при разработке способа оценки физиологического состояния посевов озимой пшеницы в начальный период роста и развития.

Чтобы проверить возможность использования данных дистанционного зондирования для оценки состояния растений в производственных усло- виях, были проанализированы результаты исследований, полученные при изучении полей в осенне-весенний период в ЗАО «СХП “Родинаˮ» Шпаковского района, расположенного в зоне неустойчивого увлажнения Ставропольского края. Они были проведены в рамках выполнения хоздоговорных работ по научному обеспечению производства зерна озимой пшеницы (2013, 2014 и 2016 годов). Нами была выполнена оцифровка всех полей с озимой пшеницей в каждый год исследований. С помощью сервиса «ВЕГА» ФГБУН «ИКИ РАН» были получены данные ДЗЗ соответствующих полей и в даты, близкие к датам проведения отборов растительных образцов (NDVI, RED и NIR).

Анализ полученных данных показал достаточно высокий уровень сопряжения между вегетационным индексом NDVI и высотой растений озимой пшеницы (рис. 5).

Так, в 2013 году был получен коэффициент корреляции, значимый для p = 0,05 (0,60), в 2014 – для p = 0,05 (0,66), а в 2016 - для p = 0,01 (0,80). Более высокий коэффициент корреляции 0,85 между значениями NDVI и высотой растений в начальный период роста и развития был получен при анализе усредненных данных за 3 года.

Несколько разный характер зависимости NDVI от высоты растений по годам объясняется влиянием погодных условий, складывающихся как перед посевами озимой пшеницы, так и в период начального роста и развития.

Полученные нами зависимости схожи с теми, которые были вычислены для опытных делянок с использованием ручного сканера GreenSeeker. Следовательно, вегетационный индекс NDVI может быть использован для оценки высоты растений озимой пшеницы в период «всходы – кущение».

Также была проанализирована связь высоты растений с NIR и RED (коэффициентами спектральной яркости в инфракрасной и в красной областях спектра электромагнитных волн). Так как RED напрямую связан с максимумом поглощения хлорофилла, а у растений нет прямой зависимости их высоты от количества зеленых пигментов, то ожидаемо не получена взаимосвязь между степенью развития и спектральной яркостью в красной области посевов (рис. 6).

g

2013 год / 2013 year

Высота растений, см / Plant height, cm

Высота растений, см / Plant height, cm

Высота растений, см / Plant height, cm

Р и с. 5. Зависимость NDVI посевов от высоты растений озимой пшеницы. ЗАО «СХП “Родинаˮ» F i g. 5. Dependence of NDVI of crops on the height of winter wheat plants. Rodina Аgricultural Company

2013 год / 2013 year

0,1

R corr = -0,54

30    32    34    36

22     24     26     28

2014 год / 2014 year

Высота растений, см / Plant height, cm

Высота растений, см / Plant height, cm

2016 год / 2016 year

Высота растений, см / Plant height, cm

2013–2016 годы / 2013–2016 years

Высота растений, см / Plant height, cm

Р и с. 6. Зависимость RED посевов от высоты растений озимой пшеницы. ЗАО «СХП “Родинаˮ»

F i g. 6. Dependence of RED of crops on the height of winter wheat plants. Rodina Аgricultural Company

Степень развития посевов, особенно в начальный период роста озимой пшеницы, напрямую связана с биомассой и, как следствие, с площадью ассимиляционной поверхности и с высотой растений. Поэтому чем лучше развит посев, тем большую отражающую площадь растений он имеет. Как следствие, при использовании в наших анализах данных NIR были получены наилучшие результаты по взаимосвязи высоты растений озимой пшеницы с данными ДЗЗ (рис. 7).

Нами также был рассчитан коэффициент корреляции между высотой растений и их кустистостью. Полученные результаты свидетельствуют о высокой степени сопряжения между характе-

ристиками развития растений озимой пшеницы – коэффициент корреляции составляет 0,72 (табл. 1).

Обсуждение и заключение

Анализ полученных данных показал достаточно высокий уровень сопряжения между вегетационным индексом NDVI и высотой растений озимой пшеницы: в 2013 г. коэффициент корреляции был равен 0,60 (значимый для p = 0,05), в 2014 г. – 0,66 (значимый для p = 0,05), а в 2016 г. – 0,80 (значимый для p = 0,01). Наиболее тесная связь между этими показателями в начальный период роста и развития растений получена при анализе объединенных данных за 2013–2016 гг., когда коэффициент корреляции составил 0,85.

0,4

Й z

0,2

0,3

24     26     28     30     32     34     36

Высота растений, см / Plant height, cm

0,3

1 0,2

0,1

Высота растений, см / Plant height, cm

Высота растений, см / Plant height, cm

Р и с. 7. Зависимость NIR посевов от высоты растений озимой пшеницы. ЗАО «СХП “Родинаˮ»

F i g. 7. Dependence of NIR of crops on the height of winter wheat plants. Rodina Аgricultural Company

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Связь высоты растений озимой пшеницы с коэффициентом кущения в период « всходы – кущение »

При анализе связи высоты растений и коэффициентов спектральной яркости в красной области спектра электромагнитных волн (RED) коэффициенты корре-

Technologies and means of agricultural mechanization

ляции составили значения -0,54 в 2013 г., –0,18 в 2014 г. и 0,69 в 2016 г., по объединенным данным за период 2013 ‒ 2016 гг. – минус 0,40. Это объясняется тем, что RED

Relationship between the height of winter wheat plants and the tillering coefficient during the seeding and tillering stages

Коэффициент кущения / Tillering coefficient 1,0–1,5 1,5–2,0 2,0–2,5 2,5–3,0 3,0–3,5 3,5–4,0 4,0–5,0 Высота растения, см / Plant height, cm 5–10 10–13 13–16 16–20 20–25 25–30 >30 Коэффициент корреляции / Correlation coefficient 0,72 напрямую связан с максимумом поглощения хлорофилла, а у растений нет прямой зависимости их высоты от количества зеленых пигментов.

Проанализировав коэффициенты корреляции между спектральной яркостью в инфракрасной области спектра электромагнитных волн (NIR) и высотой растений озимой пшеницы, мы получили наилучшие результаты: коэффициент корреляции равнялся 0,65 в 2013 г., 0,72 в 2014 г., 0,69 в 2016 г. По данным за все годы исследований коэффициент корреляции составил 0,92.

При расчете коэффициента корреляции между высотой растений и кусти-

Том 31, № 1. 2021

стостью нами были получены результаты, которые свидетельствуют о высокой степени сопряжения между этими характеристиками степени развития растений озимой пшеницы, коэффициент корреляции составляет 0,72.

Таким образом, наши исследования показали, что для оценки состояния и степени развития посевов озимой пшеницы в период «всходы – кущение», в том числе в производственных условиях, могут быть использованы данные ДЗЗ. Для повышения точности такой оценки лучше применять значения спектральной яркости в инфракрасной области спектра.

Technologies and means of agricultural mechanization 33

Поступила 11.08.2020; одобрена после рецензирования 10.09.2020; принята к публикации 24.09.2020

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Technologies and means of agricultural mechanization 35