THE CONNECTION BETWEEN THE VEGETATIVE INDEX NDVI AND THE CHLOROPHYLL CONTENT IN PLANTS OF WINTER WHEAT
Rubrics: BIOLOGY
Authors:
1.
North Caucasus Federal Agricultural Science Center
Russian Federation
Russian Federation
2.
North-Caucasian Federal Scientific Agrarian Center
(senior research fellow, department of plant physiology)
Russian Federation
Russian Federation
3.
North Caucasus Federal Agricultural Science Center
Russian Federation
Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 10
to 16
Status:
Published
Received:
25.04.2018
Accepted:
25.04.2018
Published:
25.04.2018
Subject area:
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
Language:
Russian
Keywords:
vegetative index, NDVI, winter wheat, chlorophyll, photosynthetic productivity, grain yield
Abstract (English):
The established NDVI connections with the yield of winter wheat for such territories as the region, soil-climatic zone and the region (region) are not generally preserved for individual fields. Therefore, the study of the influence of one of the most important characteristics of photosynthetic productivity – the chlorophyll content in plants on NDVI – may allow us to develop methods for evaluating the productivity of crops according to remote sensing data. The aim of the studies was to establish the relationship between the chlorophyll content in winter wheat plants and the vegetative index NDVI for the conditions of the Stavropol Territory. The work was carried out in 2011–2014 on the fields of industrial crops of Stavropol Scientific Research Institute of Agriculture. We analyzed the correlation between the relative content of green pigments in a biomass unit, in the unit area of the assimilation surface, as well as their gross quantity on 1 square meter of sowing and NDVI fields. Which showed that a stable link (reverse) is observed only in the case of the amount of chlorophyll per unit of biomass (mg/g), which is estimated at an average of ‒0.79. With the rest of the indicators, it is either unstable or completely absent. The negative values of the correlation coefficients obtained are explained by the fact that the maximum amount of chlorophyll in the plants of winter wheat is observed in the initial periods of growth and development, and then there is the so-called growth dilution, which is accompanied by a decrease in the amount of green pigments in a biomass unit, with NDVI growing. Thus, between the relative content of chlorophyll in plants of winter wheat and the vegetative index NDVI, there is a sufficiently high and stable inverse relationship.
The established NDVI connections with the yield of winter wheat for such territories as the region, soil-climatic zone and the region (region) are not generally preserved for individual fields. Therefore, the study of the influence of one of the most important characteristics of photosynthetic productivity – the chlorophyll content in plants on NDVI – may allow us to develop methods for evaluating the productivity of crops according to remote sensing data. The aim of the studies was to establish the relationship between the chlorophyll content in winter wheat plants and the vegetative index NDVI for the conditions of the Stavropol Territory. The work was carried out in 2011–2014 on the fields of industrial crops of Stavropol Scientific Research Institute of Agriculture. We analyzed the correlation between the relative content of green pigments in a biomass unit, in the unit area of the assimilation surface, as well as their gross quantity on 1 square meter of sowing and NDVI fields. Which showed that a stable link (reverse) is observed only in the case of the amount of chlorophyll per unit of biomass (mg/g), which is estimated at an average of ‒0.79. With the rest of the indicators, it is either unstable or completely absent. The negative values of the correlation coefficients obtained are explained by the fact that the maximum amount of chlorophyll in the plants of winter wheat is observed in the initial periods of growth and development, and then there is the so-called growth dilution, which is accompanied by a decrease in the amount of green pigments in a biomass unit, with NDVI growing. Thus, between the relative content of chlorophyll in plants of winter wheat and the vegetative index NDVI, there is a sufficiently high and stable inverse relationship.
Keywords:
vegetative index, NDVI, winter wheat, chlorophyll, photosynthetic productivity, grain yield
vegetative index, NDVI, winter wheat, chlorophyll, photosynthetic productivity, grain yield
Положительная рецензия представлена М. П. Жуковой, доктором сельскохозяйственных наук, профессором Ставропольского государственного аграрного университета. Для условий Ставропольского края данные дис- танционного зондирования Земли могут быть ис- пользованы при оценке продуктивности озимой пшеницы [1, 8]. Регрессионные модели зависимости урожайности от вегетационного индекса NDVI стро- ят для таких территорий, как район, почвенно-кли- матическая зона и край в целом. Анализ проводят по усредненным значениям вегетационного индекса NDVI всех полей выбранной территории. В результа- те происходит нивелирование сортовых, технологи- ческих, почвенных и погодных особенностей. К со- жалению, для отдельных полей такая связь неустой- чива или вовсе отсутствует [7]. Известно [3-6, 9], что из всех основных характе- ристик фотосинтетической продуктивности расте- ний содержание хлорофилла более точно отражает продукционный процесс. В то же время при расчете NDVI используется коэффициент отражения посева в красной области спектра электромагнитных волн, в которой находится максимум поглощения зеленых пигментов. Поэтому изучение зависимости вегетаци- онного индекса NDVI от содержания хлорофилла в растениях позволит раскрыть некоторые механизмы взаимосвязи данных дистанционного зондирования Земли с продукционным процессом сельскохозяй- ственных культур. цель и методика исследований. Целью наших исследований было установить взаимосвязь между содержанием хлорофилла в растениях озимой пше- ницы и вегетационным индексом NDVI для условий Ставропольского края. общие условия и методы проведения исследо- ваний. Работу проводили в 2011-2014 гг. на полях производственных посевов Ставропольского НИИ сельского хозяйства, расположенного в зоне неустой- чивого увлажнения. 2011/2012 сельскохозяйствен- ный год характеризовался ранним прекращением осенней и поздним возобновлением весенней веге- тации при повышенном температурном режиме и не- доборе осадков в весенне-летний период. Особенно- стями 2012/2013 сельскохозяйственного года были: сильная засуха в сентябре и октябре, которая в значи- тельной степени компенсировалась благоприятными условиями ноября и декабря, раннее возобновление весенней вегетации и своевременное выпадение осадков в репродуктивный период. 2013/2014 сель- скохозяйственный год отличался благоприятными условиями температурного и водного режимов во все периоды роста и развития озимой пшеницы. Вегетационный индекс NDVI получали с помо- щью сервиса «ВЕГА» Института космических иссле- дований РАН. Содержание хлорофилла определяли по методу Я. И. Милаевой и Н. П. Примак. результаты исследований. Существует несколь- ко показателей, связанных с хлорофиллом: относительное содержание в единице биомассы, в единице площади и валовое его количество. Нами был прове- ден анализ взаимосвязи между этими показателями и вегетационным индексом NDVI. Полученные резуль- таты свидетельствуют о том, что такая взаимосвязь неоднозначна как по показателям, так и по годам. Анализ полученных данных показал, что коэффи- циент корреляции между количеством хлорофилла на квадратном метре посева озимой пшеницы и веге- тационного индекса NDVI составил 0,62, 0,25 и 0,39 в 2012, 2013 и 2014 гг. соответственно (рис. 1). Таким образом, взаимосвязь между количеством хлорофил- ла на единице площади посева озимой пшеницы и NDVI в среднем за годы исследований очень слабая (коэффициент корреляции равен 0,42), а по отдель- ным полям крайне нестабильна, независимо от усло- вий выращивания. Связь между относительным содержанием хлоро- филла в единице площади ассимиляционной поверх- ности растений озимой пшеницы и NDVI в среднем по полям за годы наших исследований полностью отсутствует, коэффициент корреляции составляет -0,20 (рис. 2). Следовательно, взаимосвязь содержа- ния хлорофилла в единице площади ассимиляцион- ной поверхности растений озимой пшеницы и NDVI в среднем по вариантам и годам практически отсут- ствует (коэффициент корреляции равен -0,20). По от- дельным полям такая связь либо отсутствует вовсе, либо еще более нестабильна, чем в случае с валовым количеством зеленых пигментов на квадратном ме- тре ценоза. Нами был проведен анализ взаимосвязи NDVI по- севов озимой пшеницы и такого показателя, как со- держание хлорофилла в единице биомассы растений [2, 10], который наряду с валовым количеством зе- леных пигментов на квадратном метре посева чаще всего используется для характеристики размеров фотосинтетического аппарата (рис. 3). Анализ полученных данных показал, что коэффи- циент корреляции между вегетационными индекса- ми и относительным содержанием хлорофилла в мг/г в среднем по всем изученным полям за годы иссле- дований составляет -0,79. Это говорит о достаточно высокой степени сопряжения NDVI с количеством фотосинтетических пигментов в органах растений озимой пшеницы. Таким образом, существует тесная обратная и достаточно стабильная взаимосвязь между коли- чеством хлорофилла в единице биомассы растений озимой пшеницы и NDVI, которая оценивается коэф- фициентом корреляции, равным -0,79. Полученные результаты можно объяснить следу- ющим. Вегетационный индекс NDVI рассчитывает- ся по данным коэффициентов спектральной яркости посева в красной и инфракрасной областях спектра 0,62 0,42 0,39 0,25 Поле № 1 Поле № 2 Поле № 3 Поле № 4 Поле № 5 Поле № 6 Поле № 7 Среднее за 2012 г. Поле № 1 Поле № 2 Поле № 3 Поле № 4 Поле № 5 Поле № 6 Поле № 7 Поле № 8 Среднее за 2013 г. Поле № 1 Поле № 2 Поле № 3 Поле № 4 Поле № 5 Поле № 6 Поле № 7 Поле № 8 Поле № 9 Поле № 10 Среднее за 2014 г. Среднее по годам 2012 г. 2013 г. 2014 г. Рис. 1. Коэффициенты корреляции между количеством хлорофилла на квадратном метре посева озимой пшеницы (г/м2) и NDVI 0.62 0.42 0.39 0.25 Field № 1 Field № 2 Field № 3 Field № 4 Field № 5 Field № 6 Field № 7 Average for 2012 Field № 1 Field № 2 Field № 3 Field № 4 Field № 5 Field № 6 Field № 7 Field № 8 Average for 2013 Field № 1 Field № 2 Field № 3 Field № 4 Field № 5 Field № 6 Field № 7 Field № 8 Field № 9 Field № 10 Average for 2014 Average by years 2012 2013 2014 Fig. 1. Correlation coefficients between the amount of chlorophyll per square meter of winter wheat planting (g/m2) and NDVI электромагнитных волн. Если в первом диапазоне спектра находится максимум поглощения хлорофил- ла, то во втором отражают биологические объекты. Поэтому чем больше хлорофилла в растениях, тем меньше коэффициент отражения в красной области спектра. И наоборот, чем больше площадь ассими- ляционной поверхности (или количества биомассы), тем больше коэффициент отражения в инфракрас- ном диапазоне. Поэтому плотность связи с NDVI и ее направленность в случае с валовым количеством хлорофилла и количеством хлорофилла в единице площади растений крайне нестабильны, так как рас- чет этих показателей проводится с использованием величин, характеризующих как концентрацию зе- леных пигментов в растительном организме, так и фотосинтезирующую поверхность, либо величину биомассы, которые в итоге оказывают влияние на значение NDVI. В то же время относительное со- -0,04 -0,15 -0,20 -0,40 Поле № 1 Поле № 2 Поле № 3 Поле № 4 Поле № 5 Поле № 6 Поле № 7 Среднее за 2012 г. Поле № 1 Поле № 2 Поле № 3 Поле № 4 Поле № 5 Поле № 6 Поле № 7 Поле № 8 Среднее за 2013 г. Поле № 1 Поле № 2 Поле № 3 Поле № 4 Поле № 5 Поле № 6 Поле № 7 Поле № 8 Поле № 9 Поле № 10 Среднее за 2014 г. Среднее по годам 2012 г. 2013 г. 2014 г. Рис. 2. Коэффициенты корреляции между относительным содержанием хлорофилла в единице площади ассимиляционной поверхности растений озимой пшеницы (мг/дм2) и NDVI -0.04 -0.15 -0.20 -0.40 Field № 1 Field № 2 Field № 3 Field № 4 Field № 5 Field № 6 Field № 7 Average for 2012 Field № 1 Field № 2 Field № 3 Field № 4 Field № 5 Field № 6 Field № 7 Field № 8 Average for 2013 Field № 1 Field № 2 Field № 3 Field № 4 Field № 5 Field № 6 Field № 7 Field № 8 Field № 9 Field № 10 Average for 2014 Average by years 2012 2013 2014 Fig. 2. Coefficients of correlation between the relative content of chlorophyll per unit area of the assimilative surface of winter wheat plants (mg/dm2) and NDVI держание хлорофилла в единице биомассы отражает только его концентрацию, а связь этого показателя с коэффициентом отражения в красной области спек- тра обратная. Этим объясняются полученные нами результаты. Анализ коэффициентов корреляции между хлоро- филловыми показателями растений озимой пшени- цы и вегетационным индексом по этапам органоге- неза за годы исследования позволяет сделать вывод o том, что взаимосвязь между этими характеристика- ми если и проявляется, то в начальный период роста и развития, но значительно в меньшей степени, чем в случае с площадью ассимиляционной поверхности и NDVI (табл. 1). При улучшении условий выращивания коэффици- енты корреляции между рассматриваемыми показа- телями увеличиваются. Следует отметить, что в этом случае так же проявляется довольно тесная взаимо- -0,72 -0,79 -0,87 -0,79 Поле № 1 Поле № 2 Поле № 3 Поле № 4 Поле № 5 Поле № 6 Поле № 7 Среднее за 2012 г. Поле № 1 Поле № 2 Поле № 3 Поле № 4 Поле № 5 Поле № 6 Поле № 7 Поле № 8 Среднее за 2013 г. Поле № 1 Поле № 2 Поле № 3 Поле № 4 Поле № 5 Поле № 6 Поле № 7 Поле № 8 Поле № 9 Поле № 10 Среднее за 2014 г. Среднее по годам 2012 г. 2013 г. 2014 г. Рис. 3. Коэффициенты корреляции между относительным содержанием хлорофилла в единице биомассы растений озимой пшеницы (мг/г) и NDVI -0.72 -0.79 -0.87 -0.79 Field № 1 Field № 2 Field № 3 Field № 4 Field № 5 Field № 6 Field № 7 Average for 2012 Field № 1 Field № 2 Field № 3 Field № 4 Field № 5 Field № 6 Field № 7 Field № 8 Average for 2013 Field № 1 Field № 2 Field № 3 Field № 4 Field № 5 Field № 6 Field № 7 Field № 8 Field № 9 Field № 10 Average for 2014 Average by years 2012 2013 2014 Fig. 3. Coefficients of correlation between the relative content of chlorophyll in a unit of winter wheat biomass (mg/g) and NDVI связь между хлорофилловыми показателями расте- ний озимой пшеницы и NDVI их посевов в период Таким образом, наиболее тесная и стабильная взаимосвязь между хлорофилловыми показателями corr. налива зерна (R находятся в пределах 0,67-0,83). растений озимой пшеницы и вегетационным индек- Построенные нами регрессионные модели зави- симости NDVI посевов от содержания хлорофилла в органах растений озимой пшеницы наглядно демон- стрируют влияние внешних факторов на взаимосвязь между этими оптико-биологическими характеристи- ками (рис. 4). сом посевов наблюдается в случае с относительным содержанием зеленых пигментов в единице биомас- сы, коэффициент корреляции составляет -0,79. Так как фотосинтетическая продуктивность растений является наиболее значимой составляющей их про- дукционного процесса, а самое точное отражение Таблица 1 Коэффициенты корреляции между хлорофилловыми показателями растений озимой пшеницы и NDVI по фазам роста и развития Table 1 Coefficients of correlation between chlorophyll indexes of plants of winter wheat and NDVI on phases of growth and development Количество хлорофилла Amount chlorophyll Фазы развития Phases of development Весеннее кущение Spring tillering Трубкование Tubing Колошение Earing Налив зерна Filling grains Среднее Average 2012 Валовое, г/м2 Gross, g/m2 0,61 -0,69 0,26 -0,81 -0,16 Относительное, мг/дм2 Relative, mg / dm2 0,42 -0,37 0,40 -0,88 -0,11 Относительное, мг/г Relative, mg / g 0,47 0,22 0,58 -0,73 0,13 2013 Валовое, г/м2 Gross, g/m2 0,64 0,08 -0,03 0,10 0,20 Относительное, мг/дм2 Relative, mg / dm2 0,09 -0,38 -0,12 0,15 -0,07 Относительное, мг/г Relative, mg / g 0,14 -0,46 0,14 -0,03 -0,05 2014 Валовое, г/м2 Gross, g/m2 0,71 0,49 0,29 0,67 0,54 Относительное, мг/дм2 Relative, mg / dm2 0,57 0,35 0,34 0,82 0,52 Относительное, мг/г Relative, mg / g 0,47 0,10 0,49 0,83 0,47 Среднее по годам Average by years Валовое, г/м2 Gross, g/m2 0,52 -0,04 0,17 0,01 0,19 Относительное, мг/дм2 Relative, mg / dm2 0,36 -0,13 0,21 0,03 0,11 Относительное, мг/г Relative, mg / g 0,36 -0,05 0,40 0,02 0,18 5,0 2012 5,0 2013 5,0 2014 Содержание хлорофилла, мг/г Containment of chlorophyll, mg/g 4,0 R² = 0,96 Содержание хлорофилла, мг/г Containment of chlorophyll, mg/g 4,0 R² = 0,71 Содержание хлорофилла, мг/г Containment of chlorophyll, mg/g 4,0 R² = 0,79 3,0 3,0 3,0 2,0 2,0 2,0 1,0 1,0 1,0 NDVI NDVI 0,0 0,0 0,30 0,50 0,70 0,50 0,60 0,70 0,80 0,0 0,50 0,60 0,70 0,80 NDVI Рис. 4. Регрессионные модели зависимости NDVI посевов от количества хлорофилла в органах растений озимой пшеницы Fig. 4. Regression models of the dependence of NDVI crops on the amount of chlorophyll in the organs of plants of winter wheat фотосинтетической деятельности посева дают по- казатели, рассчитанные по содержанию хлорофил- ла, то данные дистанционного зондирования Земли могут быть использованы при разработке методов мониторинга хода формирования урожая сельскохо- зяйственных культур.
1. Eroshenko F. V. Vozmozhnosti distancionnoy ocenki urozhaynosti ozimoy pshenicy na osnove vegetaci- onnogo indeksa fotosinteticheskogo potenciala / F. V. Eroshenko, S. A. Bartalev, I. G. Storchak, D. E. Plot- nikov // Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2016. T. 13. № 4. S. 99-112.
2. Eroshenko F. V. NDVI i optiko-biologicheskie svoystva posevov ozimoy pshenicy / F. V. Eroshenko, I. G. Storchak // Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa : dvenadcataya Vse- ros. otkrytaya konf. Institut kosmicheskih issledovaniy RAN (Moskva 10-14 noyabrya 2014 g.). M., 2014. S. 357.
3. Eroshenko F. V. Aktivnyy fotosinteticheskiy potencial / F. V. Eroshenko // Evraziyskiy soyuz uchenyh. 2016. № 2-3 (23). S. 117-120.
4. Zavodnov D. V. Produktivnost' sortov ozimoy pshenicy v svyazi s ih fotosinteticheskim potencialom / D. V. Zavodnov // Molodezh', nauka, tvorchestvo : sb. studencheskih nauch. st. po materialam 81-y regional'noy nauch.-prakt. konf. Stavropol', 2016. S. 196-198.
5. Rashidov K. A. Fotosinteticheskiy potencial i chistaya produktivnost' fotosinteza posevov pshenicy v zavisimosti ot tehnologii vyraschivaniya / K. A. Rashidov, H. A. Mumindzhonov, T. D. Dzhaborov, N. S. Sha- ripov // Kishovarz. 2015. T. 1. S. 9-11.
6. Stasik O. O. Vliyanie novyh regulyatorov rosta, poluchennyh iz prirodnogo syr'ya, na fotosintecheskiy apparat i produktivnost' ozimoy pshenicy / O. O. Stasik, G. O. Pryadkina, V. I. Tkachov, V. V. Frantiychuk // Aktual'nost' idey V. N. Hitrovo v issledovanii bioraznoobraziya : sb. Orel, 2014. S. 192-196.
7. Storchak I. G. Prognoz urozhaynosti ozimoy pshenicy s ispol'zovaniem vegetacionnogo indeksa NDVI dlya usloviy Stavropol'skogo kraya : dis. … kand. s.-h. nauk / I. G. Storchak. Stavropol' : FGBOU VO «Stav- ropol'skiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet», 2016.
8. Storchak I. G., Eroshenko F. V. Ispol'zovanie NDVI dlya ocenki produktivnosti ozimoy pshenicy v Stavropol'skom krae // Zemledelie. 2014. № 7. S. 12-15.
9. Tyutereva E. V. Hlorofill V kak istochnik signalov, reguliruyuschih razvitie i produktivnost' raste- niy / E. V. Tyutereva, V. A. Dmitrieva, O. V. Voycehovskaya // Sel'skohozyaystvennaya biologiya. 2017. T. 52. № 5. S. 843-855.
10. Yeroshenko F. V. NDVI and photosynthetic characteristics of winter wheat crops / F. V. Yeroshenko, I. G. Stor- chak // Materiály X mezinárodní vědecko-praktická conference «Věda a technologie: krok do budoucnosti - 2014». Díl 26. Biologické vědy. Praha : Publishing House «Education and Science», 2014. P. 31-37.
