Розробка теоретичних основ та методів дистанційного моніторингу стану посівів озимої пшениці за допомогою спектрометрії з високим спектральним розділенням

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут фізіології рослин і генетики

УДК 581.133.12:528.88.042.3+577.342:535.361.2

Розробка теоретичних основ та методів дистанційного моніторингу стану посівів озимої пшениці за допомогою спектрометрії з високим спектральним розділенням

03.00.12 - фізіологія рослин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук

Шадчина Тамара Михайлівна

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізіології рослин і генетики НАН України

Офіційні опоненти:доктор біологічних наук, старший науковий співробітник Ткачук Катерина Семенівна Інститут фізіології рослин і генетики НАН України, зав. відділом

доктор біологічних наук, професор Терек Ольга Іштванівна Львівський держуніверситет ім. Івана Франка, зав. каф. фізіології рослин

доктор геолого-мінералогічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Лялько Вадим Іванович директор Центру Аерокосмічних досліджень Землі Інституту геології НАН України

Провідна установа - Інститут ботаніки ім. М.Г.Холодного НАН України хлорофіл азот зерновий пшениця

Захист відбудеться “30” вересня 1999 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.212.01 при Інституті фізіології рослин і генетики НАН України за адресою: 252022, Київ-22, вул. Васильківська 31/17

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту фізіології рослин і генетики НАН України, Київ, вул. Васильківська 31/17

Автореферат розісланий “27” серпня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Труханов В.А.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Актуальність. На порозі нового тисячоліття стає все більш очевиднішим, що успіхи бурхливого науково-технічного прогресу, збільшуючи можливості людини щодо опанування ним простору і часу, несуть небезпеку такого руйнівного тиску на біосферу, що під загрозою виявляється саме існування життя на Землі. Необхідною умовою його продовження є вирішення продовольчої проблеми, при якому б забезпечувалось відтворення біоресурсів та екологічних умов навколишнього середовища. При вирішенні цих питань важлива роль повинна належати контролю за станом розвитку процесів як в масштабах всієї біосфери, так і окремих її екосистем. Зокрема, при впровадженні інтенсивних технологій вирощування зернових одержання об'єктивної інформації про стан посівів дозволить здійснювати науково-обгрунтоване управління продукційним процесом з урахуванням реальних потреб рослин, забезпечуючи екологічну чистоту вирощуваної продукції та навколишнього середовища. А тому розробка методів експрес-діагностики стану рослин в процесі їх вегетації названа одним із ключових питань фізіології рослин в роботах по одержанню програмованих урожаїв (Ничипорович, 1988).

Великі перспективи для швидкого одержання об'єктивної інформації про стан посівів сільськогосподарських культур, зокрема, забезпеченість рослин азотним живленням, на великих площах мають методи дистанційної діагностики. Особливо актуальними вони стають в теперешніх умовах ризикованого землеробства, дозволяючи приймати обгрунтовані рішення щодо корекції заходів по догляду за посівами, раціонального використання агротехнічних ресурсів та завчасного формування ринкових цін на сільськогосподарську продукцію.

Стан проблеми. Залежність вмісту хлорофілу від забезпечення рослин азотним живленням дозволяє діагностувати азотний статус рослин за допомогою спектральних характеристик листків у видимій області. Однак відсутність встановлених закономірностей фізіології взаємозв'язку між вмістом хлорофілу та азоту в листках рослин в онтогенезі не дозволяли перейти до кількісної оцінки азотного статусу рослин.

Крім того, інструментальні можливості, які існували на кінець 80-х років, обмежували використання інформативних спектральних властивостей рослин для дистанційного вимірювання хлорофілу. Застосування методів, які базувалися на вимірюванні амплітудних характеристик світлових потоків, відбитих від рослинного покриву, виявили цілий ряд недоліків, зокрема низьку їх точність, особливо при зниженні проективного покриття грунту рослинністю. А тому доцільним став пошук принципово нових підходів з використанням інформативних можливостей спектрального розподілу інтенсивності світлового сигналу, що надходить від системи грунт-рослинність. Цьому сприяла також поява перших макетів спектрометрів з високою спектральною роздільною здатністю для дистанційних досліджень (Беляев и др., 1978; Goetz et al., 1982; Vane et al., 1984). Перші результати, одержані за їх допомогою, засвідчили великі можливості спектроскопії з високим спектральним розділенням для одержання якісно нової інформації (Collins, 1978; Miller et al., 1985).

Дана робота є результатом розробки теоретичних основ та методів дистанційного моніторингу стану посівів озимої пшениці на основі спектрометрії з високим спектральним розділенням. Ці методи, з одного боку, опираються на використання різних параметрів світлових хвиль, а з другого, на специфічність фізіологічних особливостей рослинного організму в різні періоди його розвитку та в залежності від умов вирощування, що дозволяє перейти на якісно новий рівень дистанційної діагностики стану посівів сільськогосподарських культур.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота над темою дисертації здійснювалась в рамках виконання планів Інституту фізіології рослин, держбюджетних тем та проектів ДКНТ: 1986 -1990 р.р. ДБ “Розробити типову систему дистанційного контролю (ТСДК) за станом основних сільськогосподарських культур для різних грунтово-кліматичних зон республіки на прикладі технології виробництва озимої пшениці”. (№ держреєстрації 01.89.0019060). 1991-1995 р.р. ДБ “Розробка дистанційних методів вимірювання параметрів стану посівів сільськогосподарських культур, необхідних для створення їх моніторингу” (№ держреєстрації 0199 U000025). 1993-1995 р.р. Проект ДКНТ: “Розробка системи агроекологічного моніторингу посівів зернових для створення екологічно чистих технологій вирощування зерна” (№ держреєстрації 02.01.05/063-93). 1996-2000 р.р. ДБ “Розробка науково-методичних основ створення системи моніторингу посівів зернових за даними спектрометрії у видимому діапазоні” (№ держреєстрації 0199 U000026).

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень стала розробка теоретичних основ та методів дистанційної діагностики забезпеченості рослин азотним живленням та прогнозування урожаю за допомогою спектрометрії з високим спектральним розділенням у видимому діапазоні.

Для досягнення поставленої мети були визначені такі основні завдання:

1. Встановити кількісні взаємозв'язки між вмістом хлорофілу та азоту в листках рослин і дослідити залежність їх від фази розвитку рослин, сортових особливостей, дії абіотичних та біотичних факторів.

2. Вивчити інформативні можливості спектрів відбиття та люмінесценції спектрів з високим спектральним розділенням у видимій області .

3. Розробити алгоритми оцінки вмісту хлорофілу, загального азоту в листках рослин та проективного покриття посівів на основі дистанційної спектрометрії.

4. Оцінити ефективність листкової діагностики для прогнозування зернової продуктивності .

5. Здійснити інструментальну реалізацію розроблених методів оцінки вмісту хлорофілу та азоту в листках рослин та провести їх виробничі випробування.

Наукова новизна одержаних результатів.

- Закладено наукові засади оцінки азотного статусу рослин через вимірювання хлорофілу шляхом встановлення кількісних взаємозв'язків між вмістом хлорофілу та азоту в листках рослин озимої пшениці в різні фази вегетації в залежності від сортових особливостей та умов вирощування.

- Науково обгрунтувано інформативність кількісних характеристик форми спектральних кривих відбиття листків з високим спектральним розділенням для діагностики азотного статусу рослин.

- Вперше визначено ансамблі форм хлорофілу а, які формують два центри стоку світлової енергії з інтегральним максимумом люмінесценції при 735нм, що поглиблює уявлення про особливості енергозабезпечення фотосинтетичного апарату рослин.

- Віднайдено чутливі до вмісту хлорофілу та загального азоту оригінальні відносні спектральні параметри відбиття та люмінесценції рослин озимої пшениці, ефективні для дистанційного визначення.

- Одержала подальший розвиток ідея прогнозування урожаю на основі листкової діагностики дистанційними методами.

- Обгрунтовано можливість ефективної оцінки величини проективного покриття грунту рослинністю із різним вмістом хлорофілу в рослинному покриві шляхом комбінованого вимірювання амплітудних та частотних характеристик спектрів відбиття.

- Визначено способи ефективного відновлення форми спектральних кривих відбиття, виміряних дистанційно за допомогою однопроменевих спектрометрів з високою спектральною роздільною здатністю.

- Розроблено апаратуру для практичної реалізації методів дистанційного вимірювання вмісту хлорофілу та азоту, що не має аналогів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені методи дистанційного визначення вмісту хлорофілу та азоту в листках та апаратура для їх інструментальної реалізації пройшли випробування в виробничих умовах і рекомендуються для практичного використання в сільському господарстві в системі моніторингу стану посівів озимої пшениці з метою науково-обгрунтованого планування внесення азотних добрив, тестування стресів рослин, прогнозування урожаю та раціонального використання агротехніки, а також в екології для тестування шляхом біоіндикації екологічно-неблагополучних ситуацій.

Особистий внесок здобувача. Здобувач є безпосереднім виконавцем всієї експериментальної роботи. Ним особисто розроблені робочі гіпотези, сплановані досліди, проаналізовані, інтерпретовані і узагальнені результати експериментів, які стосуються розробки наукових основ діагностики азотного живлення рослин та прогнозування урожаю, опосередкованих через хлорофіл. Розробка методів та апаратури для визначення вмісту хлорофілу та азоту в листках рослин за даними вимірювання їх спектральних характеристик здійснювалась у тісному співробітництві із д.б.н.Кочубей С.М. В цілому особистий внесок здобувача складає 70% всієї роботи.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації були представлені на наукових нарадах, конференціях, з'їздах та конгресах: всесоюзній науковій конференції “Адаптивные реакции при формировании активности фотосинтетического аппарата” (Пущино-на -Оці, 1980; всесоюзній нараді “Люминесцентные методы исследования в сельском хозяйстве и перерабатывающей промышленности” (Мінськ, 1985); всесоюзній координаційній науково-методичній нараді “Оперативная диагностика питания с/х культур в интенсивных системах земледелия” (Москва, 1987); V-ому українському бiохiмічному з'їзді (Iвано-Франкiвськ, вересень,1987); всесоюзній нараді “Повышение эффективности удобрений на основе почвенно-растительной диагностики (Москва, 1987); всесоюзній науковій конференції” Факторы среды и организация первичного процесса фотосинтеза (Чернігів,1989); всесоюзній науково-практичній конференції “Применение методов дистанционной диагностики в сельском хозяйстве (Чернігів, 1989); всесоюзній науковій конференції “Продукционный процесс, его моделирование и полевой контроль” (Саратов, 1990); міжнародній конференції “Оптическое, cпектрометрическое и радиометрическое оборудование для экологического мониторинга”, (Мінськ, 1991); 2-ому з'їзді Укр.товариства фiзiологiв рослин (Київ, 1993); 2-ому Українському з'їзді біофізичного товариства (Харків, червень 1998); 11-му конгресі федерації європейських товариств фізіологів рослин (Варна, Болгария, 1998); XII-му міжнародному конгресі по фотосинтезу (Будапешт, Венгрія, 1998).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 43 наукові праці. Із них: 1 монографія, 25 статей у провідних наукових виданнях, 12 тез, 5 патентів та авторських свідоцтв.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, огляду літератури, в якому здійснений аналіз сучасного стану досліджень з розробки науково-методичних основ дистанційної діагностики стану рослин за даними активного та пасивного зондування у видимому діапазоні, опису об'єктів та методів досліджень, чотирьох експериментальних розділів, висновків, списку цитованої літератури та двох додатків. Останні включають: розробку способів корекції спектральних кривих відбиття при дистанційному вимірюванні їх однопроменевими спектрометрами з високим спектральним розділенням та матеріали з розробки приладів для дистанційного вимірювання вмісту хлорофілу та азоту в листках. Робота викладена на 396 сторінках машинописного тексту, в тому числі 43 таблицях та 73 рисунках. Список цитованної літератури нараховує 392 найменування.

Об'єкти та методи досліджень.

Основним об'єктом досліджень була озима пшениця (Triticum aestivum), яка є головною зерновою культурою на земній кулі в цілому, та на Україні зокрема. Всього використано більше трьох десятків сортів вітчизняної та зарубіжної селекції.

Лабораторні дослідження впливу забезпечення рослин азотним живленням, а також дії таких факторів як інтенсивність світла, температури та вологозабезпечення рослин на зв'язок між вмістом хлорофілу та азоту в листках, виконані на озимій пшениці сорту Лютесценс-7, яку вирощували в умовах кліматичної камери ВКШ-73 та вегетаційної площадки. Лабораторні та дистанційні вимірювання спектральних характеристик відбиття та люмінесценції листків, а також вмісту в них хлорофілу та загального азоту, проведені на озимій пшениці різних сортів з ділянок сортовипробування дослідного господарства ІФРГ НАН України “Глеваха”, полів НВО “Еліта” м.Сміла Черкаської області, виробничих посівів колгоспу “Шляхом Леніна” м.Узина Київської області та колективних господарств Волинської області (с.Новосілки та Ліщин), дослідного господарства Північно-Кавказського інституту агрохімії та грунтознавства (ст.Газирі Висілковського району Краснодарського краю).

Рослини озимої пшениці в умовах вегетаційного досліду вирощували в 9-тикілограмових посудинах на сірому чорноземі з осени (посів) і до повного дозрівання урожаю (серпень наступного року). За норму азотного живлення була прийнята доза добрив, рекомендована Журбицьким (1968) для вирощування зернових у вегетаційних дослідах з грунтовими культурами. При закладці досліду створювали різні рівні фонового азотного живлення: без внесення добрив в грунт - рівень 0N ; на 7,5 кг абсолютно сухого грунту додавали по 1,06 г азоту, фосфору і калію - рівень 1N або 2,12 г азоту та 1,06 г фосфору і калію - рівень 2N. У варіантах 0,5N та 0,75 N добрива внесені в кількості, що становили 0,75 та 0,5 від 1N. Азот, фосфор і калій внесені у вигляді солей NH4NO3, KH2PO4 та K2SO4. У варіантах з підживленням додаткове внесення добрив здійснено у фазу виходу в трубку з розрахунку по 1,06 г азоту, фосфору і калію (варіанти 0N+I; 1N+I та 2N+I) та в фазу колосіння-початку цвітіння по 0,53 г цих елементів в посудину, де росло по 20 пагонів (варіанти 0N+I+II, 1N+I+II та 2N+I+II). Вологість грунту -35%, 60 та 75% від його повної вологоємкості - забезпечена контрольованим по вазі поливом.

В умовах польового досліду високі рівні азотного живлення створені внесенням добрив під посів в кількості 120, 240 та 360 кг діючої речовини на гектар. У контрольний варіант добрива не вносились.

Модельні досліди з впливу різних рівнів азотного живлення на організацію пігментного апарату хлоропластів виконані на кукурудзі ( Zea mays) гібриду Колективний 244 МВ. Рослини вирощені в 16-ти кілограмових посудинах Вагнера в піщаній культурі із доданням поживної суміші Гельригеля. Вміст азоту в варіантах складав: 0,08 г на 1 кг піску (доза 1N) та 0,75; 0,5; 0,25; 0,1 від цієї дози для створення різних рівнів азотного дефіциту. Для забезпечення умов надлишку азотного живлення доза азоту збільшена в 3 та 5 разів від дози 1N . Поживні суміші були збалансовані відповідними кількостями елементів калію, фосфору та кальцію.

При вивченні можливості тестування надлишку азотного живлення крім кукурудзи та озимої пшениці в якості модельного об'єкту використані також чутливі до накопичення нітратів рослини огірка (Cucumis sativum). Рослини огірка вирощували в грунтовій культурі в посудинах ємкістю 8 кг в кліматичній камері (сорт Ніжинський) та вегетаційній площадці (сорт Родничок). Співвідношення грунт:пісок:торф складало 4:5:2 (фон). Мінеральний азот додавали в дозах 0,1; 0,2 та 0,5 г діючої речовини на 1 кг суміші (варіанти 1N, 2N та 5N відповідно).Умови вирощування в кліматичній камері: 12-годинний світловий період, інтенсивність штучного освітлення - близько 150 Вт/м2, температура повітря - 25С, його вологість - біля 70%. При затіненні інтенсивність не перевищувала 50 Вт/м2. Освітлення в теплиці було природнім, інтенсивність його складала біля 100-150 Вт/м2. Температура вдень дорівнювала 25-30оС, вночі-15-20оС, вологість повітря-до 90%. Температурні умови вирощування рослин на вегетаційній площадці визначалися погодніми умовами липня та серпня місяців. Інтенсивність освітлення досягала 500-550 Вт/м2. Полив у всіх випадках здійснено за потребою. Знижену інтенсивність освітлення в камері, теплиці та на вегетаційній площадці створено затіненням частини посудин білою бавовняною тканиною.

Дослідження виконано на різних рівнях: хлоропласт -листок- рослина-агроценоз.

Відбір рослинного матеріалу з виробничих посівів для проведення паралельно з дистанційними лабораторних досліджень здійснено уздовж траси польоту в точках, відстань між якими вибиралась за таблицею випадкових чисел. Для досліджень використані повністю розгорнуті листки верхнього ярусу, а з моменту завершення розвитку флагового листка до фази молочно-воскової стиглості зерна - останній. Середня концентрація хлорофілу в листках виміряна із суми всіх листків цілих рослин.

Фітометричні характеристики рослин визначені загальноприйнятими методами.

Концентрація хлорофілу в листках рослин виміряна спектрометрично із ацетонових витяжок наважок листків певної площі за методом Арнона (1949), вміст загального азоту в листках -хлорамінним методом, модифікованим Починком (1969).

Реєстрація спектрів відбиття листків в лабораторних умовах здійснена на двопроменевому спектрофотометрі СФ-18 (СРСР) в аналоговому та цифровому вигляді. Аеродистанційні спектрометричні вимірювання посівів виконані за допомогою макету бортового спектрометра з високим спектральним розділенням, виготовленого Вінницьким оптико-механічним заводом і настроєним в Інституті прикладних фізичних проблем при Білоруському держуніверситеті. При зондуванні з борту вертольоту Ка-26 з висоти 100 м в поле зору спектрального приладу попадала площадка розміром 7х1,68 м2. Кількість виміряних спектрів уздовж траси польоту становила 8-12.

Спектральні розподіли інтенсивності світлового потоку, відбиті від посівів, у діапазоні 420-840 нм зареєстровані у вигляді цифрових масивів, які записані на магнітний носій. Обробку результатів дистанційних вимірювань здійснено за допомогою ЕОМ в лабораторних умовах за розробленими алгоритмами.

Виділення хлоропластів із мезофілу листків кукурудзи одного ярусу проведено шляхом диференціального центрифугування гомогенатів листків (Силаева, 1978). Буферна ізоляційна суміш містила: 0,4М сахарози, 0,1 М Трицину (рН 7,8), 0,3М аскорбату натрія, 0,5% альбуміну та 5 мM MgCl2.

Розділення пігмент-білкових комплексів хлоропластів здійснено шляхом електрофорезу в поліакриламідному плоскому гелі згідно методу Андерсон (1978).

Спектри поглинання, люмінесценції та збудження червоної люмінесценції виміряні на спектрофлуориметричній установці, зібраній у відділі біохімії фотосинтезу д.б.н. С.М. Кочубей (1986) із спектральним розділенням 0,5 нм. Спектри синьо-зеленої люмінесценції разом із червоною зареєстровані на автоматизованій установці, створеній на базі монохроматора МДР-12 із спектральним розділенням 1нм. В якості джерела збудження люмінесценції використано азотний лазер із довжиною хвилі випромінювання 337,2 нм. Співвідношення сигнал/шум дорівнювало 100:1. Результати вимірювань реєстровано у цифровому та аналоговому виглядах.

Перші та другі похідні від спектрів обчислені на ЕОМ за формулами Савицького (1964).

Всі експериментальні дані оброблені статистично з використанням параметричних методів, для яких був визначений рівень значимості 0,05. Рівняння регресій розраховані за методом найменших квадратів. Всі математичні розрахунки мають статистичне обгрунтування.

1. Розробка наукових основ діагностики забезпеченості рослин азотним живленням за спектральними характеристиками спектрів відбиття листків у видимій області

Стан пігментного апарату озимої пшениці в залежності від рівня забезпечення рослин азотним живленням.

Розробка ефективних методів оцінки азотного статусу рослин за допомогою спектрометрії у видимому діапазоні потребувала чіткого уявлення про особливості впливу азотного живлення на якісні та кількісні параметри пігментної системи фотосинтетичного апарату рослин, які є визначальними у формуванні спектральних властивостей рослин у видимій області.

На початок наших досліджень відомості щодо впливу рівня азотного живлення рослин на стан пігментного апарату були нечисленні, і, до певної міри, суперечливі. Дані про вплив дефіциту азотного живлення на окремі форми хлорофілу були практично відсутні. Крім дефіциту азоту, важливим було вивчити особливості організації пігментного апарату рослин при надлишку азотного живлення, оскільки останній також негативно впливає на стан рослин (Андреева и др., 1972; Романова и др., 1987).

Дослідження пігмент-білкових комплексів (ПБК) хлоропластів кукурудзи з різним рівнем забезпечення рослин азотним живленням (норма, дефіцит та надлишок) виявили суттєві зміни в їх співвідношенні у варіанті з дефіцитом азотного живлення. Вони полягали у зменшенні кількості олігомерних форм ПБК реакційних центрів ФС 1 CP1a, а також світлозбиральних комплексів як в олігомерній (LHCP1) так і мономерній (LHCP 3) формах (табл.1) . Характерним виявом електрофореграм хлоропластів азот-дефіцитних рослин був високий процент вільного хлорофілу. Пояснення цього факту знайдене у порушенні стійкості їх супрамолекулярних комплексів. В цілому ж при зменшенні відносної кількості реакційних центрів ФС 1 приблизно на 8 % світлозбиральні комплекси зменшувались на третину. На електрофореграмах хлоропластів рослин, вирощених на високому (3N) рівні азотного живлення, більш характерним було збільшення відносної кількості олігомерних форм ПБК.

Таблиця 1 Відносний розподіл хлорофілу (%) в пігмент-білкових комплексах (ПБК) листків рослин кукурудзи, вирощеної при нормі (1N), дефіциті (0,1 N) та надлишку азотного живлення (5 N)

* Різниця недостовірна

Аналіз тонкої структури спектрів поглинання суспензій хлоропластів, виділених із листків кукурудзи із різним забезпеченням рослин азотним живленням, показав відмінності в організації пігментного апарату хлоропластів при дефіциті та надлишку азотного живлення у порівнянні з такою у контрольних рослин. На фоні значного (до 80 %) зменшення загального вмісту хлорофілу при дефіциті азотного живлення мали місце значні зміни у співвідношенні окремих його форм. Відносна кількість форм хлорофілу а з максимумами поглинання при 660, 666, 678, 680 та 688 нм зменшувалась, тоді як форм хлорофілу а з максимумами поглинання при 668, 672 нм та 674 нм зростала (Рис.1).

Дослідження тонкої структури спектрів збудження люмінесценції при реєстрації її на довгохвильовому та короткохвильовому схилах смуги люмінесценції з максимумом при 735 нм дозволило виявити форми хлорофілу а, які формують два різні стоки енергії у вигляді довгохвильового люмінесцентного випромінювання. Зміни тонкої структури спектрів збудження F720, обумовлені дефіцитом азотного живлення, відображали виявлені за спектрами поглинання хлоропластів зміни пігментного складу фотосинтетичного апарату. Крім них, виявлено також зниження інтенсивності компоненту при 708 нм.

Таким чином , дефіцит азотного живлення впливає на співвідношення між окремими формами хлорофілу а, зокрема, шляхом зменшення кількості довгохвильових, обумовлюючи зміни форми спектрів листків у видимій області.

Взаємозв'язок між вмістом хлорофілу та азоту в листках озимої пшениці із різним азотним статусом. Вміст хлорофілу в листках рослин із різним рівнем забезпечення азотним живленням тісно корелював із вмістом загального азоту в них. Коефіцієнт прямолінійної кореляції в певні строки розвитку рослин досягав 0,98±0.03. При розгляді даних, отриманих за весь період вегетації, кореляція між вмістом хлорофілу та загального азоту порушувалась. Пояснення такої ситуації знайдено при дослідженні динаміки вмісту хлорофілу та азоту в листках на протязі вегетації рослин. Показано, що в другу половину вегетації зменшення вмісту хлорофілу в листках внаслідок їх старіння проходить синхронно із зниженням вмісту азоту в них. В першу ж її половину динаміка вмісту азоту і хлорофілу, як правило, знаходиться в протифазі. Хоча в межах кожної окремої фази розвитку рослин більш високому вмісту азоту в листках відповідали вищі значення вмісту хлорофілу. Достовірна кореляція між вмістом хлорофілу та азоту в листках рослин озимої пшениці спостерігалась в межах окремих фаз в першу половину вегетації і, незалежно від фази стиглості зерна, в період зеленого листка у другу половину вегетації рослин. Зроблений висновок, що для описання залежності між вмістом хлорофілу та азоту в листках рослин за допомогою рівнянь регресії останні слід одержувати для кожної фази окремо в першу половину вегетації і незалежно від них у другу половину вегетації.

Алгоритми визначення вмісту хлорофілу та азоту в листках озимої пшениці на протязі вегетації

Одержані рівняння регресії у вигляді лінійних функцій N=f(Хл) для різних фаз вегетації характеризувались значеннями коефіцієнта при аргументі в діапазоні 0,35-0,41 з похибкою визначення 0,02-0,06 (рис. 2). Недостовірність відмінностей між значеннями коефіцієнтів при аргументі засвідчила про те, що основні відмінності рівнянь регресій, які зв'язують вміст хлорофілу та азоту в листках, стосуються лише вільного члена. Виходячи з цього положення алгоритми для визначення вмісту азоту в листках за вмістом в них хлорофілу виражені у вигляді одного загального для всіх фаз лінійного рівняння регресії з перемінним вільним членом, кожний з яких відповідає певній фазі вегетації рослин.

Зв'язок між вмістом хлорофілу та загального азоту в листках різних сортів озимої пшениці.

З метою вивчення впливу сортових особливостей рослин озимої пшениці на зв'язок між вмістом хлорофілу та загального азоту в листках було проведено дослідження 27-ми сортів озимої пшениці в різні фази вегетації. Показано, що в межах кожної фази в першу половину вегетації рослин та незалежно від фази розвитку у другу її половину між вмістом загального азоту та хлорофілу в листках існує тісна прямолінійна залежність. Коефіцієнт кореляції між даними фізіологічними параметрами у флагових листках озимої пшениці за період від молочної до молочно-воскової стиглості зерна, одержаний за результатами трьохрічних досліджень, становив 0,94±0,05. На основі цих результатів зроблений висновок про видову детермінованість характеру залежності між вмістом хлорофілу та азоту в листках, на яку не впливає сортова приналежність.

Вплив умов вирощування рослин на взаємозв'язок між вмістом хлорофілу та азоту в листках.

Добре відомо, що на поглинання азоту з грунту, його засвоєння , а також накопичення хлорофілу в листках впливають умови вирощування. Однак дані щодо впливу метеорологічних факторів на співвідношення між вмістом хлорофілу та азоту в листках були відсутні. Між тим це питання має важливе значення при використанні алгоритмів визначення азоту через хлорофіл у рослин, вирощених в різних умовах, зокрема, температури, вологозабезпечення та освітленості. Від того, наскільки стійким є характер залежності між вмістом хлорофілу та азоту в листках рослин при варіюванні умов вирощування в значній мірі буде залежати ефективність методу спектрометричної оцінки азотного статусу рослин. З метою дослідження впливу метеорологічних факторів на взаємозв'язок між вмістом хлорофілу та азоту в листках рослини озимої пшениці вирощували в контрольованих умовах температурного режиму, вологозабезпечення та освітлення.

Показано, що температура, вологозабезпечення та освітленість впливають на співвідношення між величинами вмісту хлорофілу та азоту в листках рослин в різній мірі. Підвищення температури від 15° С до 25° C практично не виявляється на співвідношенні хлорофіл/азот (Табл.2). З цього випливає, що при визначенні вмісту азоту в листках за їх спектральними характеристиками, дія температурного фактору при варіаціях погодніх умовах в межах однієї грунтово-кліматичної зони з точністю до 10-15% може не враховуватись.

Таблиця 2 Вплив різних факторів на співвідношення хлорофіл/азот в листках озимої пшениці при вирощуванні її в умовах різних комбінацій температури, вологи та освітлення

*Відмінності недостовірні

Зниження освітленості від 110 вт/м2 до 35 вт/м2 викликало зменшення співвідношення хлорофіл/азот до 60 %. Варіації освітленості в діапазоні, який відповідав коливанням її в сонячний та хмарний день, змінювали співвідношення хлорофіл/азот в середньому на 16% при вологості грунту 40% і на 26% при вологості 60%.

Вплив вологості грунту, в свою чергу, залежав від рівня освітленості, при якій вирощувалися рослини. При природньому освітленні відношення хлорофіл/азот практично не змінювалось в діапазоні змін вологості 40%-60%. При затіненні воно було нижче для варіанту з більшою вологістю грунту приблизно на 16%.

Таким чином, похибка визначення вмісту азоту через хлорофіл при коливанні погодніх умов в межах однієї грунтово-кліматичної зони не буде перевищувати 20%. Таку точність можна вважати прийнятною для подібного роду досліджень. Для більш точної оцінки концентрації азоту в листках рослин, вирощених в певних умовах, слід користуватися рівняннями регресій, одержаними для листків рослин, які вирощувались в однакових з ними умовах середовища.

Залежність між вмістом хлорофілу та азоту в листках озимої пшениці при дії біотичного стресу. Вплив стресового чинника біотичної природи на зв'язок між вмістом хлорофілу та загального азоту в листках досліджений на прикладі ураження рослин борошнистою росою. Згідно одержаним результатам дія даного стресу проявляється у зниженні концентрації хлорофілу та загального азоту без порушення між ними співвідношення, яке спостерігалось для здорових рослин.

Таким чином, вміст хлорофілу в листках, уражених борошнистою росою, відображає реальний вміст азоту в листках рослин, характеризуючи його азотний статус, який не завжди відповідає рівню азотного живлення в грунті. Це необхідно враховувати при зондуванні посівів, уражених хворобами, що викликають зміни вмісту хлорофілу в рослинах.

Оцінка можливості дистанційного тестування надлишку азотного живлення. При діагностиці рівня забезпечення рослин азотним живленням, крім дефіциту азоту, велике значення має тестування його надлишку, оскільки останній також негативно впливає на урожай. Зокрема, при підвищенні рівня азотного живлення вище оптимального при вирощуванні зернових існує ризик погіршення якості врожаю та збільшення його втрат при збиранні внаслідок вилягання посівів. Актуальною є також діагностика забрудненості сільськогосподарської продукції токсичними для людей і тварин нітратами.

Визначення вмісту загального азоту та хлорофілу в листках рослин кукурудзи, озимої пшениці та огірків у широкому діапазоні забезпечення рослин азотним живленням показало, що прямопропорціональна залежність між даними фізіологічними параметрами спостерігається лише до певного рівня забезпечення рослин азотним живленням. Подальше підвищення його рівня супроводжується збільшенням концентрації загального азоту при відсутності зростання вмісту хлорофілу в листках, або, навіть, при зменшенні останнього. На основі цих даних зроблений висновок про неможливість тестування надлишку азотного живлення лише на основі визначення одного тільки параметру - концентрації хлорофілу в листках. Для цього необхідна додаткова інформація. Нею може бути зрідження рослин на фоні високого вмісту хлорофілу в листках на ранніх стадіях розвитку, продовження тривалості життя зелених листків аж до строків початку збирання урожаю, а також вилягання посівів.

Оцінка накопичення рослинами загального азоту. Досліди з вирощування озимої пшениці в різних умовах температури, вологозабезпечення та інтенсивності освітлення показали, що між концентрацією загального азоту в листках і масою сухої речовини, середньою концентрацією азоту в цілій рослині або сумарним вмістом азоту в рослинах, які росли в контрастних умовах, кореляція відсутня. Приблизно однакові концентрації азоту в листках у рослин в умовах повного сонячного освітлення та вологості грунту 60% (4,16% від абсолютно сухої речовини) та кліматичної камери при штучному освітленні 110 Вт/м2 і температурі 15оС (4,21% від абсолютно сухої речовини) відповідали рослинам, які відрізнялись за накопиченням сухої біомаси більш ніж у три рази (1,10 г та 0,3 г, відповідно) (табл.3).

На відміну від концентрації азоту в листках, вміст хлорофілу в них більш тісно пов'язаний з накопиченням сухої маси та загального азоту рослинами. Коефіцієнт кореляції між величиною сумарного вмісту хлорофілу (хлорофільним індексом) та біомасою рослин становив 0,93±0,03. Такий же тісний зв'язок спостерігався між вмістом хлорофілу та сумарним вмістом загального азоту в рослинах (r=0,95±0,03).

З одержаних даних випливає, що вміст хлорофілу є ефективним діагностичним параметром для оцінки виносу рослинами азоту з грунту.

2. Листкова діагностика у зв'язку з прогнозуванням зернової продуктивності

Залежність між хлорофільними параметрами, біомасою та урожаєм зерна озимої пшениці одного сорту.

Згідно теорії фотосинтетичної продуктивності, за даними про вміст хлорофілу в листках та цілих рослинах можна слідкувати за ходом формування урожаю в посівах (Ничипорович,1988). Практична реалізація такого підходу в системі дистанційного моніторингу посівів вимагала вирішення цілого ряду питань, зокрема визначення інформативності хлорофільних параметрів для оцінки зернової продуктивності в посівах рослин при вирощуванні їх в різних погодніх умовах, застосуванні різних технологій вирощування, а також в залежності від дії біотичних стресових факторів та генотипних особливостей.

Зернова продуктивність колосу озимої пшениці, яка була вирощена на фонах азотного живлення 0N, 0,5N, 0,75N, 1N та 2N, тісно корелювала із концентрацією хлорофілу у флагових листках в фази колосіння (r=0,92±0,06) та молочно-воскової стиглості зерна (r=0,98±0,03). Ці дані засвідчили про те, що концентрація хлорофілу є інформативним параметром по відношенню до зернової продуктивності озимої пшениці.

Вплив азотних підживлень рослин в різні фази вегетації на залежність між хлорофільними параметрами та зерновою продуктивністю озимої пшениці.

Дослідження інформативності хлорофільних параметрів по відношенню до зернової продуктивності у випадках із різною схемою внесення азотних добрив показало, що відмінності на протязі вегетації у забезпеченні рослин азотним живленням призводять до послаблення зв'язку між абсолютними величинами вмісту хлорофілу в фазу молочно-воскової стиглості зерна та зерновою продуктивністю. Пояснення цьому знайдене в тому, що високі рівні хлорофілу після підживлення не відображають умови формування урожаю в більш ранні строки.

Високий коефіцієнт лінійної кореляції спостерігався між зерновою продуктивністю та величиною хлорофільного індексу (сумарним вмістом хлорофілу в листках) середньою за період від виходу в трубку до молочно-воскової стиглості зерна.

Таким чином, при прогнозуванні урожаю за даними вимірювання хлорофілу необхідно враховувати особливості догляду за рослинами. Вміст хлорофілу в листках в фазу молочно-воскової стиглості є корисним інформативним показником очікуваної урожайності озимої пшениці за умови, коли єдиним перемінним параметром виступає рівень забезпечення рослин азотним живленням, внесеним за однаковою схемою в часі на протязі вегетації. У випадку дробного внесення добрив більш ефективними для прогнозу урожаю будуть дані моніторингу хлорофільного індексу на протязі всього періоду вегетації.

Вплив сортових особливостей озимої пшениці на зв'язок між хлорофільними параметрами та зерновою продуктивністю.

Серед сортів, які відрізнялись за площею листкової поверхні, зернова продуктивність корелювала з величиною хлорофільного індексу в певні фази вегетації рослин при забезпеченні їх азотним живленням за однаковою схемою внесення азотних добрив. При розгляді сортів із різною тривалістю вегетаційного періоду без прив'язки до фази розвитку рослин, зернова продуктивність корелювала з величиною хлорофільного потенціалу - сумарним вмістом хлорофілу в рослинах за період вегетації- з коефіцієнтом кореляції 0,86±0,06.

Отже, у випадку сортів із різною тривалістю вегетаційного періоду більш інформативною по відношенню до зернової продуктивності є величина хлорофільного потенціалу. Прогноз урожаю буде тим точнішим, чим за більш тривалий період буде розрахована його величина на основі результатів моніторингу посівів.

3. Інформативні можливості спектрів листків рослин з високим спектральним розділенням

Дослідження спектрів відбиття листків із різним вмістом хлорофілу показали, що найбільш чутливими до його змін в листках є ділянки спектральних кривих в зеленій (500-550 нм) та червоній (700-730 нм) областях. Для кількісної характеристики форми спектральних кривих у видимій області були розроблені оригінальні спектральні параметри - інтегральний параметр КФ та диференціальний параметр I2/I1. Перший із них обчислюється як відношення інтегралів функцій спектральних кривих R() в певному спектральному діапазоні (1-2):

Другий визначається як відношення амплітуд довгохвильового (I2) та короткохвильового (I1) максимумів першої похідної від спектральної кривої відбиття в області 680-750 нм.

Обидва типи спектральних параметрів тісно корелювали із вмістом хлорофілу в листках на протязі всього періоду вегетації рослин з коефіцієнтами кореляції 0,78-0,86. Похибки одержаних лінійних рівнянь регресії, що пов'язували спектральні показники із вмістом хлорофілу, становили 0,79 та 0,71 мг/дм2 при використанні в якості аргумента інтегрального (КФч) та диференціального (I2/I1) параметрів, визначених для червоної області відбиття, відповідно. Використання розроблених алгоритмів для бездеградаційного визначення вмісту хлорофілу та загального азоту в листках за допомогою запропонованих спектральних параметрів відбиття виявило однаково хорошу їх працездатність в різні фази вегетації рослин.

Теоретичний аналіз та результати модельних дослідів по варіюванню проективного покриття при вимірюванні спектрів відбиття листків у лабораторних умовах виявили високу чутливість інтегрального параметра форми до величини проективного покриття, і практичну незалежність до його змін диференціального у випадку темної підкладки (чернозем). На світлій підкладці (пісок) при величині проективного покриття 0,25 відносна похибка визначення хлорофілу складала 70 % при оцінці його за допомогою КФ і не більше 25 відсотків при використанні диференціального параметра I2/I1 ( табл. 4).

Таблиця 4 Порівняння результатів визначення вмісту хлорофілу за двома типами характеристик форми спектрів відбиття листків при різному проективному покритті

* Різниця недостовірна

На основі одержаних результатів зроблено висновок про доцільність використання інтегрального параметру КФ для дистанційного визначення вмісту хлорофілу лише у випадках із зімкнутими посівами, тоді як визначення диференціального параметра I2/I1 буде ефективним в посівах як з повним так і неповним проективним покриттям.

Різна чутливість диференціального та інтегрального параметрів до величини проективного покриття використана при розробці способу оцінки останнього шляхом використанням залежності між інтегральним параметром та величиною проективного покриття, одержаної для рослинності з певним вмістом хлорофілу, попередньо визначеному за допомогою диференціального параметра.

Особливості взаємозв'язку між вмістом хлорофілу та азоту в листках на протязі вегетації рослин диктували розрахунок рівнянь регресій для визначення вмісту азоту в листках за допомогою спектральних параметрів відбиття окремо для кожної фази. Одержані лінійні рівняння регресії для масивів даних n>50 для фаз кущіння (N=3,38 I2/I1+2,10), виходу в трубку (N=2,997 I2/I1 +1,35) та другу половину вегетації (N=3,00 I2/I1+0,55) мали коефіцієнти при аргументі в діапазоні 2,997 - 3,377 при похибці їх визначення 0,40. Недостовірність їх відмінностей відбиває особливості зв'язку між вмістом хлорофілу та азоту в листках в різні фази вегетації. Виходячи з цього, алгоритми для визначення азоту за допомогою спектрального параметра в листках рослин в різні фази вегетації представлені одним загальним рівнянням регресії з перемінним вільним членом:

N = 3,176 ·I2/I1+ B1-3,

де N - вміст азоту в листках рослин в % від абсолютно сухої маси; 3,176 коефіцієнт при аргументі, I2/I1 - диференціальний спектральний параметр відбиття; В- вільний член рівняння, який дорівнює 2,1; 1,35 та 0,55 для фаз кущіння, виходу в трубку та другої половини вегетації, відповідно. Результати визначення вмісту азоту в листках озимої пшениці в різні фази вегетації показали задовільну точність. Відмінності між величинами загального азоту, визначеними хімічним способом за Починком та за допомогою спектрального параметру, не перевищували 0,5% від абс. сух. речовини). Така точність визначення є цілком прийнятною для подібного роду оцінок .

Проблема впливу грунтової підкладки на спектральний сигнал відпадає у випадку реєстрації люмінесцентного випромінювання рослин. Дослідження спектрів червоної люмінесценції листків, яка обумовлена вмістом в них хлорофілу, дозволило виявити залежність між концентрацією хлорофілу в листках та величиною співвідношення інтенсивностей смуг при 685 нм та 735 нм (рис. 5). Така залежність була описана криволінійною функцією типу F685/F735=0,58/Хл + 0,51 з коефіцієнтом кореляційного відношення -0,76±0,06. Існування функціональної залежності між люмінесцентним параметром F685/F735 та вмістом хлорофілу в листках дозволяє здійснювати кількісну оцінку біохімічного показника за допомогою люмінесцентного параметра. В літературі на інформативні можливості цього спектрального параметру по відношенню до вмісту хлорофілу в листках була звернута увага дещо пізніше (Lichtenthaler,1987).

Розширення діапазону реєстрації люмінесценції листків в синьо-зелену область при дослідженні рослин з дефіцитом азотного живлення та вологозабезпеченості дозволило виявити як загальні так і специфічні, до дії кожного із цих стресів, зміни спектрів. На основі цих результатів зроблений висновок про інформативність параметрів люмінесценції в діапазоні 400-800 нм для діагностики стресів та їх диференціації.

Таким чином, кількісні характеристики форми спектральних кривих листків відбиття та люмінесценції у зеленій та червоній області є інформативними по відношенню до стану рослин, зокрема вмісту в листках хлорофілу , а тому можуть бути використані для одержання алгоритмів визначення вмісту хлорофілу та азоту в них. Для дистанційної оцінки біохімічних показників більш перспективним визначено вимірювання відносних спектральних параметрів відбиття I2/I1 та люмінесценції F685 /F735 . Вони нечутливі до змін спектральних характеристик грунту та величини проективного покриття грунту рослинністю, а тому їх використання буде ефективним для визначення вмісту хлорофілу та азоту в рослинах при дистанційному зондуванні посівів як з повним так і неповним проективним покриттям.

4. Адаптація розроблених методів визначення вмісту хлорофілу та азоту до їх дистанційної реалізації за допомогою однопроменевої спектрометрії з високим спектральним розділенням

Використання розроблених способів бездеградаційного визначення хлорофілу в системі моніторингу посівів вимагало адаптації їх до дистанційних умов вимірювання. Вона стосувалась як обгрунтування правомірності застосування розроблених алгоритмів до даних дистанційних спектральних вимірювань та трактовки результатів визначення біохімічних параметрів в посівах в різні фази вегетації рослин, так і розробки методів обробки спектральних даних, зокрема, вилучення із робочих ділянок спектрів завад, обумовлених присутністю в них смуг поглинання світла парами атмосфери, які реєструються спектрорадіометрами з високим спектральним розділенням.

Порівняння спектрів відбиття листків та кривих спектрального розподілу інтенсивності відбитого від посіву світлового потоку виявило подібність їх форми. Це було пояснене тим, що основний вклад у формування спектрального сигналу від посіву вносять листки. А тому розроблені алгоритми визначення вмісту хлорофілу та загального азоту можуть бути використані для оцінки цих біохімічних параметрів за даними дистанційного зондування посівів. Питання трактовки результатів визначення вмісту хлорофілу в посівах в різні фази розвитку рослин були вирішені при розгляді особливостей формування спектрального сигналу від рослинного покриву в різні фази вегетації.

Проблема звільнення спектральних кривих від завад була розв'язана шляхом розробки спеціального алгоритму корекції спектральних кривих з використанням методу частотної фільтрації сигналу.

Випробування методу визначення хлорофілу при наземному дистанційному спектрометруванні посівів із різною густотою стояння рослин, яку моделювали проривкою рослин, показало задовільну точність його визначення у зріджених посівах.

Аналіз результатів аеродистанційних вимірювань вмісту хлорофілу в посівах озимої пшениці в різні фази вегетації (табл. 5) показав, що на ранніх фазах розвитку рослин вони краще відповідали значенням вмісту хлорофілу в листках середньої проби суми всіх листків. В наступні фази (вихід в трубку, колосіння, цвітіння, молочна стиглість) дистанційні дані були ближчі до таких у флагових листках. По мірі дозрівання зерна величини вмісту хлорофілу, визначені дистанційно, знову наближалися до значень середнього хлорофілу.

Це пояснюється тим, що дані дистанційних вимірювань інтенсивностей відбитих від посівів світлових потоків представляють собою середні значення від суми тих листків, відбиття світла від яких попадає в поле зору спектрометра. На ранніх фазах розвитку рослин, коли відсутнє затінення листків нижніх ярусів верхніми, практично всі листки приймають участь у формуванні світлового сигналу відбиття, а тому значення хлорофілу, визначеного дистанційно, близькі до таких для середньої проби суми всіх листків. Із збільшенням ярусності та затінення листків нижніх листків верхніми в світловий сигнал, що реєструється, зростає вклад останніх, а тому результат визначення хлорофілу наближається до величин вмісту хлорофілу, які визначаються хімічно у верхніх листках. У другу половину вегетації, по мірі старіння листків, збільшується вклад більш старих нижніх листків.

З урахуванням цих особливостей визначення вмісту хлорофілу в листках за даними аеро- та наземного дистанційного зондування з використанням корекції спектральних кривих по вилученню завад метод оцінки хлорофілу ( табл.5) та загального азоту (табл. 6) в листках рослин за допомогою диференціального спектрального параметру відбиття від посівів озимої пшениці можна вважати досить ефективним з точки зору забезпечення необхідної точності та відтворюваності результатів вимірювань як в діляночних, так і виробничих посівах із різним проективним покриттям.

Таблиця 5 Порівняння результатів визначення вмісту хлорофілу аеродистанційним методом у виробничих посівах різних сортів озимої пшениці та хімічним в листках (Узин, Київська область, 1992 р.)

* Різниця недостовірна

Таблиця 6 Порівняння результатів визначення вмісту загального азоту в виробничих посівах озимої пшениці аеродистанційним методом та хімічним в листках в різні фази вегетації (Узин, Київська область, 1990)