ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2008, том 419, № 3, с. 417-420
^ ОБЩАЯ
БИОЛОГИЯ
УДК 551.507:631.10
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ ПОСЕВОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР В ПЕРИОД ВЕГЕТАЦИИ НА ТЕРРИТОРИИ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ
© 2008 г. А. Ф. Сидько, И. Ю. Пугачева, А. П. Шевырногов
Представлено академиком И.И. Гительзоном 28.09.2007 г. Поступило 05.10.2007 г.
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее эффективным является изучение динамики спектральных отражательных свойств посевов сельскохозяйственных культур при одновременном сравнении ее с физиологическими параметрами, характеризующими состояние посевов. Данные характеристики, полученные в полевых условиях, могут быть использованы для анализа аэрокосмических снимков [1-4].
Несмотря на большое разнообразие форм и видов растений, посевов сельскохозяйственных культур, они обладают схожими спектрами яркости, отражения и поглощения. Это обусловлено в значительной мере поглощательной способностью фитопигментов хлорофилла, каротиноидов и других пигментов [7-13].
Значительные изменения, происходящие в спектрах отражения растительности в течение вегетационного периода, связаны тесным образом с процессом накопления и разрушения фитопигментов, так как последние в области фотосинтетиче-ски активной радиации X = 380-750 нм (ФАР) в наибольшей степени влияют на форму и динамику их спектральной яркости.
Современные геоинформационные системы сбора и обработки космических снимков растительных покровов суши используют спектральные портреты наземных измерений, не учитывающие их сезонные изменения и состояние растительности.
Несмотря на определенные успехи в области применения дистанционных методов при оценке состояния посевов сельскохозяйственных культур, следует заметить, что сдерживающим фактором в их развитии является отсутствие комплексного экспериментального материала, полученного в полевых условиях в течение всего вегетационно-
Институт биофизики
Сибирского отделения Российской Академии наук, Красноярск
го периода. Неполные данные не позволяют надежно определять связи между спектрами отражения и фенологическими и биометрическими параметрами растительных покровов. Сопоставимость результатов затруднена из-за применения различных методик регистрации, в частности, из-за использования в них различных спектральных диапазонов.
Эффективным решением проблемы оценки динамики спектральной яркости посевов различных видов культур и площадей их произрастания при дешифрировании космических снимков явилось практическое применение научной программы "Зеленая волна", ведущейся в Институте биофизики СО РАН. Эта программа предназначена для развития методов непрерывного анализа пространственной структуры, состояния и продуктивности биоценозов суши. Основой являются измерения распределения фитопигментов и биомассы в биосфере оптическими датчиками, располагаемыми на космических носителях и на земле [13, 14].
Настоящее сообщение посвящено изложению результатов наземных измерений динамики отражательной способности посевов сельскохозяйственных культур (СХ) в период их активной вегетации с целью получения и хранения эталонного банка первичных спектральных данных. Это позволяет отслеживать динамику происходящих процессов в растениях, а электронный формат представления результатов обеспечивает наглядность их представления, в том числе и на территории Красноярского края.
МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследование динамики спектральных коэффициентов яркости (СКЯ) посевов СХ культур проводилось в комплексе с морфофизиологиче-скими параметрами растений регулярно с сотрудниками агрономического факультета Красноярского сельскохозяйственного университета на опытных полях учебного хозяйства Миндерлин-ское [6-10].
lg Р0/Р 0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
% 63
25
10
400
500
600 700 X, nm
800
Рис. 1. Динамика СКЯ посева пшеницы сорта Скала: 1 - конец июля, 2 - начало июля, 3 - первая декада июня, 4 - первая половина августа, 5 - конец августа.
При изучении использовались посевы: пшеницы (Triticum acstivum L.) сорта: Скала, Равнина, Богарная, Саратовская-29, Иртышанка, ячменя (Hordeum disticxon L.) сорта Винер и овса (Owena sativa L.) сорта Мутант и Орел. Площади фото-метрируемых исследуемых опытных участков составляли 100, 200 и 600 м2, а производственных полей 100 и более 200 га. Всего в ходе эксперимента участвовало 10 различных полей.
Регистрацию спектров яркости посевов от всходов до момента созревания производили полевым двухлучевым спектрофотометром ПДСФ с 10 до 18 ч с одних и тех же точек и в одинаковом направлении визирования. Этим снижалось влияние на СКЯ условий освещения (высоты Солнца). Спектрофотометр, в зависимости от этапов и условий исследования, устанавливали на платформе автовышки на высотах 2-18 м, а угол зрения прибора меняли от 1° до 10°. Измерение спектров фотометрируемых участков проводили, как правило, в надир [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Ранее проведенные исследования показали, что изменения значений СКЯ посевов СХ культур в течение периода вегетации имеют высокую информативность. Особенно значимыми являют-
ся коэффициенты яркости в области красной полосы поглощения хлорофилла, что может служить ключом для дешифрирования аэрокосмических спектральных изображений. Изменение содержания хлорофилла в фитоэлементах четко проявляется в кривых СКЯ исследуемых культур в области красной полосы поглощения фитопигментов. Было установлено, что изменение содержания хлорофилла в фитоэлементах посевов в течение периода вегетации тесно связано с величиной хлорофилльного потенциала посевов S(t). Рассчитываемая величина хлорофилльного потенциала посевов по форме кривой СКЯ посевов злаковых культур может служить индикатором их физиологического состояния и потенциальной биологической продуктивности растений [6, 8-14].
На рис. 1 представлены кривые СКЯ посева пшеницы сорта Скала, полученные на протяжении всего вегетационного периода.
Анализ спектров коэффициентов яркости (г) посевов, полученных в ходе экспериментов, показал, что в области длин волн 550-740 нм они имеют наибольшие изменения за весь период вегетации по сравнению с другими участками спектра и существенно зависят от содержания хлорофилла а в исследуемых растениях (область красной полосы поглощения хлорофилла a Àmax = 680 нм). Это, прежде всего, обусловлено интенсивными процессами накопления и разрушения хлорофилла в растениях, что может служить показателем оценки происходящих в них изменений (рис. 1).
Одновременно было установлено, что значения СКЯ растений зависят от физиологического состояния наземной фитомассы (листовой индекс, сухой и сырой вес растений с единицы площади поверхности и др.), коэффициента проективного покрытия почвы и ее увлажненности. Таким образом, изучение спектров отражения растений на предварительном этапе исследований в полевых условиях позволило получить общую картину изменений отражательной способности посева в течение всего периода вегетации, а также спланировать эксперименты, проводимые в полевых натурных условиях.
В результате обработки полученных в полевых условиях значений СКЯ посевов был сформирован банк данных. Зарегистрированные спектры яркости были оцифрованы и занесены в специально разработанную базу данных "Информационная база данных спектров яркости сельскохозяйственных культур" в среде Microsoft Access, которая позволила упорядочить хранение данных, облегчить их ввод, поиск и обработку. База данных содержит сведения о дате регистрации посевов, спектральном разрешении, значениях СКЯ.
Динамика спектральной яркости посевов типичных культур (пшеница, ячмень и овес) за весь вегетационный период представлена на рис. 2, 3 и 4.
r
6
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ ПОСЕВОВ
419
Рис. 2. Динамика СКЯ посевов пшеницы сорта Равнина.
Рис. 3. Динамика СКЯ посевов ячменя сорта Винер.
Анализ результатов показал, что динамика СКЯ различных посевов имеет схожую форму. На всех трех представленных рисунках можно отметить следующую характерную особенность, а именно - в период с середины июля и до конца августа наблюдается характерный провал в длинноволновой области спектра X = 760-820 нм. Эти изменения в СКЯ можно объяснить климатическими условиями, когда в районе исследований наблюдалась засуха в течение 30 дней, приведшая к угнетению посевов. Отсутствие влаги в растениях приводят к структурным изменениям фито-
элементов растений, что существенно сказывается на их отражательной способности, особенно в ближней инфракрасной области спектра. Данная тенденция наблюдалась одновременно на всех 10 исследуемых полях. Следовательно, представленная сезонная динамика спектральной яркости посевов может служить для диагностики их физиологического состояния.
Таким образом, показано, что динамика спектральной яркости посевов позволяет судить о физиологических изменениях в фитоэлементах иссле-
Рис. 4. Динамика СКЯ посевов овса сорта Мутант.
дуемых культур и отражает изменения климатических условий в районах проводимых исследований.
Работа выполнена при поддержке грантами ККФН-РФФИ (07-05-96807), РФФИ (06-0590872).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кондратьев К.Я, Федченко П.П. Спектральная отражательная способность и распознавание растительности. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 216 с.
2. Кочубей С.М., Кобец НИ., Шадчина Т.М. Спектральные свойства растений как основа методов дистанционной диагностики. Киев: Наук. думка, 1990. 135 с.
3. Кочубей С.М., Шадчина Т.М, Кобец НИ., Дмитриева ВВ. // Физиология и биохимия культ. растений. 1988. Т. 20. № 6. С. 530-534.
4. Рачкулик В Н., Ситникова М.В. Отражательные свойства и состояние растительных покровов. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 267 с.
5. Сидько А.Ф. В кн.: Очерки экологической биофизики. Новосибирск: Наука, 2003. С. 356-370.
6. Сидько А.Ф., Моисеева Н.П., Соколов В.И. // Ис-след. Земли из космоса. 1982. № 6. С. 58-62.
7. Сидько А.Ф., Филимонов В С., Сидько Ф.Я, Рубцов И.Д. // ЖПС. 1976. Т. 29. В. 5. С. 943-948.
8. Сидько А.Ф, Шевырногов П.П. // ДАН. 1997. Т. 354. № 1. С. 120-122.
9. Сидько А.Ф, Шевырногов А.П. // Исслед. Земли из космоса. 1998. № 3. С. 96-105.
10. Сидько А.Ф. /
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.