Russian Federation
Russian Federation
employee
Russian Federation
Russian Federation
Abstract. Lack of nitrogen leads to a decrease in yield and grain quality in winter wheat plants. Therefore, it is necessary to monitor nitrogen nutrition throughout the period of growth and development of plants, which will quickly assess the need for fertilizing to obtain high yields of quality grain. Therefore, the aim of the study was to establish the possibility of using the normalized difference vegetation index (NDVI) to control the nitrogen content in winter wheat plants in the Stavropol territory. Methods. The work was performed in federal state budgetary scientific institution “North-Caucasian Federal Agricultural Research Centre” at the production of winter crops. Selection of plant samples (sheaf material) was carried out according to the generally accepted method. Repeated – 4x. Determination of the chemical composition of plant organs was carried out by the method of V. T. Kurkaev with co-authors, and the content of chlorophyll – Milaeva and Primak. Results. Since the quality of winter wheat grain directly depends on the nitrogen supply of plants, the relationships between the nitrogen content in winter wheat plants and the values of the vegetation index NDVI were studied. High correlation coefficients between these indicators are obtained. Thus, the average of Rcorr fields.in 2012 it was equal to –0.89, and in 2013 and 2014 –0.82. In addition, due to the dependence of nitrogen content on the amount of chlorophyll, it was possible to analyze the correlation between these indicators and NDVI fields, which showed that a stable relationship (inverse) is observed in the case of the amount of chlorophyll per unit biomass (mg/g), which is estimated on average at –0.79. The interrelation between grain quality and earth remote sensing data is revealed. It is most clearly seen in the case of the maximum and average NDVI for the period from the resumption of spring vegetation to full ripeness of winter wheat. Scientific novelty. For the first time in the conditions of unstable humidification of the Stavropol territory, a high inverse correlation between the vegetation index NDVI and the nitrogen content in winter wheat plants was determined, which on average is estimated by the correlation coefficient equal to –0.84.
vegetation index, NDVI dynamics, winter wheat, nitrogen content, chlorophyll content, grain quality, correlation coefficients, remote sensing.
Постановка проблемы (Introduction)
Производство озимой пшеницы традиционно является ведущей отраслью сельского хозяйства Ставропольского края и в значительной степени определяет развитие других отраслей [1, с. 2121]. Получение высококачественного урожая зерна озимой пшеницы является актуальной задачей сельхозтоваропроизводителей, которая сегодня решается путем разработки быстрых и надежных методов мониторинга посевов и контроля хода формирования урожая и качества зерна. Для этого все чаще используют данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) [2, с. 202; 3, c. 39]. Спутниковые снимки различного пространственного и временного разрешения [4, с. 162] позволяют получать информацию о состоянии посевов на разных территориальных уровнях: отдельное поле, район или край. Недостаток азотного питания растений озимой пшеницы приводит к снижению не только урожая, но и качества зерна [5, с. 106]. Одной из причин, ведущих к снижению производства высококачественного зерна в Ставропольском крае (хотя валовый его сбор за последние годы увеличился), является медленный рост вносимых минеральных удобрений [6, с. 24]. Поэтому необходимо контролировать азотное питание на протяжении всего периода роста и развития растений, что позволит своевременно принять необходимые корректировки для получения высоких урожаев качественного зерна. Зачастую способы определения содержания азота в растениях требуют лабораторных анализов, очень трудоемки и длительны по времени.
В литературе встречаются отдельные работы, свидетельствующие о том, что содержание азота в растениях оказывает влияние на данные дистанционного зондирования Земли [7, с. 118]. К сожалению, таких исследований крайне мало, а для условий Ставропольского края они не проводились вовсе. Так как Ставрополье является одним из лидеров в Российской Федерации по производству высококачественного зерна пшеницы, разработка методов объективного контроля условий азотного питания посевов для этого региона приобретает особую актуальность. Поэтому целью нашей работы было установление возможности использования нормализованного разностного вегетационного индекса (NDVI) для контроля содержания азота в растениях озимой пшеницы в условиях Ставропольского края.
Методология и методы исследования (Methods)
Работа выполнялась с 2012 по 2018 годы в ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр» на производственных посевах озимой пшеницы (рис. 1) [8]. В работе анализировали данные, полученные в фазы весеннего кущения, трубкования, колошения, налива зерна. Отборы растительных образцов (сноповой материал) проводили по общепринятой методике. Повторность – четырехкратная.
Почвы полей Северо-Кавказского ФНАЦ представлены черноземом обыкновенным, среднемощным, малогумусным, тяжелосуглинистым. Реакция почвенных образцов пахотного слоя почвы слабощелочная и нейтральная. Содержание гумуса в слое 0–20 см почвы за весь период наблюдения у всех полей было низкое и находилось в переделах 3,17–3,77 %.
Рис. 1. Размещение посевов озимой пшеницы: а) 2012 год, b) 2013 год, c) 2014 год
Fig. 1. Placement of winter wheat crops: а) 2012, b) 2013, c) 2014
В среднем по полям содержание подвижного фосфора в пахотном слое было в пределах 23–27 мг/кг, азота – находилось в пределах 0,22–0,23 %. У представленных полей содержание обменного калия варьировалось от 140 мг/кг до 470 мг/кг.
Климатические условия 2011–2012 гг. Осенью 2011 г. погодные условия в крае складывались не совсем благоприятно для посева и получения всходов озимой пшеницы. Третья декада сентября отличалась повышенными температурами и недобором осадков. Дожди, способствующие всходам, прошли в 1 и 2 декадах октября. Длительность осенней вегетации в третьей декаде октября была меньше обычной (50–60 дней), причиной этому послужили низкие температуры. Кроме того, наблюдалось позднее возникновение весенней вегетации (переход через +5 °С отмечен в третьей декаде марта). Сложившиеся погодные условия не позволили растениям озимой пшеницы в достаточной мере раскуститься и сформировать оптимальный стеблестой. В апреле и мае отмечался недобор осадков (57 % и 21 % соответственно) на фоне высоких температур (апрель – превышение среднемноголетнего значения на 4,3 °С, май – на 3,7 °С). В результате таких экстремальных условий наблюдалось ускорение (на 10 дней) сроков наступления фенофаз. В июне, при формировании и наливе зерна, условия вегетации ухудшились (температура превышала среднемноголетнее значение на 2,6 °С), что значительно отразилось на конечном урожае.
2012–2013 гг. Относительно неблагоприятно для сева и появления всходов растений озимой пшеницы сложились агроклиматические условия осени 2012 г. Температурные режимы сентября и октября были превышены в среднем на 2,2 °С и 4,6 °С соответственно на фоне половинной нормы осадков в сентябре и при засушливом октябре (недобор осадков составил 85 %). В первой декаде декабря наблюдался благоприятный водный режим (220 % от нормы), кроме того, высокие температуры на протяжении всего декабря (+6,3 °С, что на +2,6 °С выше нормы) положительно сказывались на развитии посевов озимой пшеницы.
Температурный режим зимних месяцев в крае был превышен на 1,5 °С многолетних значений, наблюдался недобор осадков (43 %). На 14 дней раньше обычного срока отмечалось возобновление весенней вегетации. В марте выпало две нормы осадков, на 2,2 °С температура воздуха превышала среднемноголетние значения. В апреле отмечался недостаточный уровень осадков, температурный режим оставался повышенным. Первая и вторая декады мая характеризовались повышенными температурами (на 4,4 °С выше среднемноголетних значений в первой декаде, на 2,0 °С – во второй). При этом количество осадков второй декады составило около 162 % от среднемноголетних значений. Условия первой декады июня были благоприятными для налива зерна озимой пшеницы. В дальнейшем наблюдалась повышенная температура воздуха (на 2,4 °С выше среднемноголетнего значения во второй декаде и на 1,7 °С – в третьей), недобор осадков в третьей декаде июня составил половину нормы.
2013–2014 гг. Благоприятные условия для роста и развития растений озимой пшеницы сложились в сентябре и октябре 2013 г. В эти месяцы наблюдалось обильное выпадение осадков. На 15 дней раньше среднемноголетных сроков наступило возобновление весенней вегетации. В начале весны средняя температура превышала норму на 2,7 °С, количество осадков в марте составило 129 % от среднемноголетнего значения. В апреле наблюдался недобор осадков (19 %) на фоне пониженной температуре воздуха (на 0,5 °С). Ситуация изменилась в мае, когда температура воздуха превышала норму на 2,8 °С, но обильные осадки (168 %) не позволили оказать отрицательного влияния на ход формирования урожая озимой пшеницы. Благоприятные погодные условия мая компенсировали недобор осадков в июне (46 %). Кроме того, была близка к норме (21,3 °С) и среднемесячная температура воздуха. Таким образом, погодные условия благоприятно влияли на формирование урожая озимой пшеницы в 2014 году.
В целом в 2011–2012 сельскохозяйственном году наблюдалось раннее прекращение осенней и позднее возобновление весенней вегетации на фоне повышенного температурного режима и значительного недобора осадков в весенне-летний период. В начале 2012–2013 сельскохозяйственного года (сентябрь, октябрь) отмечалась сильная засуха, которая в значительной степени компенсировалась благоприятными условиями ноября и декабря, кроме того, отмечалось раннее возобновление весенней вегетации и своевременное выпадение осадков в репродуктивный период. Наиболее благоприятным как по температурному режиму, так и по количеству осадков был 2013–2014 сельскохозяйственный год, положительное влияние наблюдалось во все периоды роста и развития озимой пшеницы.
Нормализованный разностный вегетационный индекс получали с помощью сервиса «Вега» ИКИ РАН [9, с. 581]. Определение химического состава органов растений озимой пшеницы проводили по методике В. Т. Куркаева с соавторами, а содержание хлорофилла – по Милаевой и Примак. Также для анализа использовали данные Статуправления Ставропольского края.
Статистические данные по качеству зерна озимой пшеницы предоставлены Ставропольским филиалом ФГБУ «Федеральный центр оценки безопасности и качества зерна и продуктов его переработки» [10].
Математическую и статистическую обработку полученных данных проводили на персональном компьютере с помощью пакета программ Microsoft Office 2010.
Результаты (Results)
Нами были построены карты распределения качества зерна озимой пшеницы и различных показателей, характеризующих динамику NDVI озимой пшеницы по каждому району Ставропольского края (рис. 2).
На рисунке представлены показатели ДЗЗ, наиболее тесно связанные с качеством зерна. Полного совпадения ни с одной из характеристик нами не выявлено. Однако для таких показателей, как максимальный и средний NDVI за период от начала весенней вегетации до полной спелости, связь прослеживается. Так, максимальные их значения отмечены на территории Изобильного городского округа (ГО) и Новоалександровского ГО, а также Шпаковского муниципального района (МР), Кочубеевского и Предгорного МР, а минимальные – Ипатовского и Нефтекумского ГО, Апанасенковского, Арзгирского и Левокумского МР.
Рис. 2. Распределение по территории Ставропольского края качества зерна и характеристик динамики NDVI озимой пшеницы в 2012–2018 гг.
Fig. 2. Distribution of grain quality and characteristics of NDVI dynamics of winter wheat on the territory of Stavropol region in the years 2012–2018
Анализ данных качественных показателей зерна показал, что наибольшее количество зерна 2-го и 3-го классов в Ставропольском крае в 2012–2018 гг. получают в таких муниципальных районах, как Александровский, Кочубеевский, Новоселицкий, Степновский, Курский, а также в Благодарненском, Минераловодском, Георгиевском и Советском ГО. Наименьшее – в Красногвардейском МР, Петровском ГО, Левокумском МР, Арзгирском МР, Грачевском МР и Шпаковском МР. Максимальное количество продовольственного зерна было выращено на территории Кочубеевского, Александровского и Новоселицкого районов. Минимальные значения этого показателя отмечены в Петровском ГО, Буденновском, Апанасенковском, Предгорном, Туркменском и Арзгирском муниципальных районах. В целом по Ставропольскому краю ухудшение качества производимого зерна озимой пшеницы происходит с запада на восток, так как в этом направлении изменяются почвенно-климатические зоны, следовательно, и условия выращивания.
Так как качество зерна напрямую зависит от обеспеченности посевов азотом, то есть основание предположить наличие связи между данными дистанционного зондирования Земли с содержанием этого элемента минерального питания в растениях озимой пшеницы.
Исследования по определению содержания азота в растениях на основе данных ДЗЗ связаны с использованием оптических характеристик посевов. Так, отражение в красной области спектра зависит от содержания хлорофилла в растениях озимой пшеницы. В свою очередь, динамика содержания хлорофилла параллельна динамике концентрации азота в растениях.
Мы проанализировали несколько показателей, связанных с хлорофиллом, характеризующих фотосинтетический аппарата растений: на единицу площади ассимиляционной поверхности ‒ мг/дм2, относительное содержание зеленых пигментов в единице биомассы ‒ мг/г, а также валовое их количество на 1 квадратном метре посева ‒ г/м2. Провели анализ корреляционной связи между хлорофилловыми показателями посевов озимой пшеницы и NDVI для набора полей при разных технологических (сорт, предшественник, удобрения) и погодных (2012, 2013 и 2014 гг.) условиях выращивания. Установили, что корреляционная взаимосвязь достаточно неоднозначна как по годам, так и по объектам, показателям.
Из рассмотренных показателей, связанных с хлорофиллом, наиболее устойчивая связь NDVI прослеживается с содержанием хлорофилла в единице биомассы растений. Эту величину часто используют для определения размеров фотосинтетического аппарата вместе с валовым количеством зеленых пигментов на квадратном метре посева.
В результате анализа полученных данных удалось установить, что коэффициент корреляции между NDVI и относительным содержанием хлорофилла в мг/г составляет величину –0,79 в среднем по всем изученным полям за годы исследований, что указывает на существенную зависимость данных ДЗЗ с количеством фотосинтетических пигментов в органах растений озимой пшеницы.
В результате были построены регрессионные модели, отражающие зависимость NDVI посевов озимой пшеницы от содержания хлорофилла в различных органах растений озимой пшеницы, они наглядно демонстрируют влияние внешних факторов на взаимосвязь между этими оптико-биологическими характеристиками (рис. 3).
|
|
|
|
Рис. 3. Регрессионные модели зависимости NDVI посевов от количества хлорофилла в органах растений озимой пшеницы
Fig. 3. Regression models of the dependence of NDVI crops on the amount of chlorophyll in the organs of winter wheat plants
Таким образом, наиболее тесная и стабильная взаимосвязь между хлорофилловыми показателями растений озимой пшеницы и вегетационным индексом посевов наблюдается в случае с относительным содержанием зеленых пигментов в единице биомассы, коэффициент корреляции составляет величину –0,79.
Нами было изучено изменение содержания азота в растениях в течение вегетации (рис. 3). В 2012 году в фазу кущения опытные образцы имели достаточно высокие показатели относительного содержания азота в растениях. Среди них выделяется поле 6 (4,16 %), которое вплоть до периода налива зерна имело высокий показатель (1,45 %) по сравнению с другими образцами. Наиболее низкое содержание азота в фазу кущения наблюдалось на 4-м поле – 3,58 %, но к периоду налива зерна разрыв в показателях сократился и составил 1,12 %, что превышало среднее значение по всем полям (1,06 %). В целом в 2012 г. доля азота в растениях озимой пшеницы значительно превышала показатели 2013, 2014 гг., особенно в периоды колошения и налива зерна.
Результаты растительной диагностики в фазу кущения в 2013 году отразили значительное отставание показателя содержания азота в растениях на всех опытных полях по сравнению с 2012 и 2014 гг. (3,08 % от 3,84 % и 3,86 % соответственно). На поле 7 отличалось самым низким показателем – 2,67 %. В последующие фазы погодные условия способствовали стиранию различий между годами. Так, в период налива зерна средняя доля содержания азота по опытным полям в 2013 г. составила 0,88 %, что выше показателя 2014 г. на 0,06 %.
Анализ относительного содержания азота в растениях озимой пшеницы в 2014 году показал значительную его неустойчивость. Существенные изменения этого показателя были связаны с резким его сокращением при переходе с фазы кущения к фазе трубкования, что, по-видимому, связано с недобором осадков. Так, на 4-м опытном поле относительное содержание азота сократилось с 4,4 % до 1,53 %. В среднем по полям этот показатель составил 1,71 %, что значительно меньше, чем в 2012 и 2013 гг. (2,41 % и 2,42 % соответственно). К фазе налива зерна разрыв значений по годам сократился и составил 0,82 %.
Рис. 4. Динамика относительного содержания азота в растениях озимой пшеницы
Fig. 4. Dynamics of relative nitrogen content in winter wheat plants
Нами проведен анализ взаимосвязи между содержанием азота в растениях озимой пшеницы и значениями вегетационного индекса NDVI. Были получены довольно высокие коэффициенты корреляции между этими показателями. Так, в среднем по полям Rcorr. в 2012 году был равен –0,89, а в 2013 и 2014 годах – 0,82 (рис. 4).
Рис. 5. Коэффициенты корреляции NDVI с содержанием азота в растениях озимой пшеницы
Fig. 5. Correlation coefficients of NDVI with nitrogen content in winter wheat plants
Обсуждение и выводы (Discussion and Conclusion)
- Для условий Ставропольского края существует взаимосвязь между качеством зерна озимой пшеницы и данными дистанционного зондирования Земли. Наиболее тесной она отмечается в случае с максимальным и средним NDVI за период от возобновления весенней вегетации до полной спелости.
- Динамика содержание азота в растениях напрямую связана с содержанием хлорофилла. В случае определения содержания хлорофилла в растениях озимой пшеницы данные ДЗЗ наилучшим образом коррелируют с относительным содержанием зеленых пигментов в единице биомассы, коэффициент корреляции составляет величину –0,79.
- Существует обратная связь между вегетационным индексом NDVI и содержанием азота в растениях озимой пшеницы, которая в среднем по годам оценивается коэффициентом корреляции равным –0,84. Полученные результаты свидетельствуют о том, что нормализованный разностный вегетационный индекс (NDVI) вполне допустимо использовать для оперативного дистанционного контроля содержания азота в растениях озимой пшеницы.
1. Eroshenko F. V., Simatin T. V., Godunova E. I., Dridiger V. K., Storchak I. G. Using physiologically active substances into the technology for winter wheat cultivation in the zone of unstable moistening of the Stavropol region // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2018. T. 9. No. 5. Pp. 2121-2128. DOI:https://doi.org/10.25930/gwmr-ad54.
2. Volkova E. S. Ispol'zovanie GIS-tehnologiy v sel'skom hozyaystve Stavropol'skogo kraya // Problemy racional'nogo prirodopol'zovaniya i puti ih resheniya: sbornik materialov Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii, posvyaschennoy 45-letiyu FGBOU VO «DGTU». Mahachkala, 2018. S. 202-204.
3. Fomin D. S., Chaschin A. N. Vegetacionnyy indeks NDVI v ocenke zernovyh kul'tur opytnyh poley Permskogo NIISH // Izvestiya Orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2018. № 4 (72). S. 39-42.
4. Elkina E. S., Bartalev S. A., Tolpin V. A., Lupyan E. A. Vozmozhnosti servisa sputnikovogo monitoringa VEGA // Sovremennye podhody k izucheniyu ekologicheskih problem v fizicheskoy i social'no-ekonomicheskoy geografii: sbornik materialov X Mezhdunarodnoy molodezhnoy shkoly-konferencii Instituta geografii RAN. Moskva, 2017. S. 162-163.
5. Fedulov Yu. P., Podushin Yu. V., Myazina A. N., Chuhil' A. A., Safonova T. G. Svyaz' normalizovannogo indeksa vegetacii (NDVI) s urozhaynost'yu posevov ozimoy pshenicy // Nauchnoe obespechenie agropromyshlennogo kompleksa: sbornik statey po materialam 71-y nauchno-prakticheskoy konferencii prepodavateley po itogam NIR za 2015 god. Krasnodar, 2016. S. 106-107.
6. Torikov V. E., Osipov A. A. Vliyanie usloviy vyraschivaniya i mineral'nyh udobreniy na urozhaynost' i kachestvo zerna ozimoy pshenicy // Agrarnyy vestnik Urala, 2015. № 6 (136). S. 24-28.
7. Eroshenko F. V. Ocenka kachestva zerna ozimoy pshenicy v Stavropol'skom krae po dannym distancionnogo zondirovaniya Zemli // Byulleten' Stavropol'skogo nauchno-issledovatel'skogo instituta sel'skogo hozyaystva. 2017. № 9. S. 118-128.
8. Dospehov B. A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoy obrabotki rezul'tatov issledovaniy): uchebnik dlya vysshih sel'skohozyaystvennyh uchebnyh zavedeniy. Stereotip. izd., perepech. s 5-go izd., dop. i pererab., 1985. M.: Al'yans, 2014. 351 s.
9. Tolpin V. A., Lupyan E. A., Bartalev S. A., Plotnikov D. E., Matveev A. M. Vozmozhnosti analiza sostoyaniya sel'skohozyaystvennoy rastitel'nosti s ispol'zovaniem sputnikovogo servisa «VEGA» // Optika atmosfery i okeana. 2014. T. 27. № 7 (306). S. 581-586.
10. O kachestve zerna, proizvedennogo v Rossiyskoy Federacii [Elektronnyy resurs]. URL: http://www.fczerna.ru/News.aspx?id=6445 (data obrascheniya: 10.04.2019).
11. Eroshenko F. V., Bartalev S. A., Kulincev V.V., Storchak I.G., Shestakova E.O., Simatin T.V. Vozmozhnosti regional'noy ocenki kachestva zerna ozimoy pshenicy na osnove sputnikovyh dannyh distancionnogo zondirovaniya // Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2017. T. 14. № 7. S. 153-165. DOI:https://doi.org/10.21046/2070-7401-2017-14-7-153-165.
12. Lupyan E. A., Bartalev S. A., Krasheninnikova Yu. S., Plotnikov D. E., Tolpin V. A., Uvarov I. A. Analiz razvitiya ozimyh kul'tur v yuzhnyh regionah Evropeyskoy chasti Rossii vesnoy 2018 goda na osnove dannyh distancionnogo monitoringa // Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2019. T. 16. № 1. S. 266-271. DOI:https://doi.org/10.21046/2070-7401-2019-16-1-266-271.
13. Lupyan E. A., Bartalev S. A., Krasheninnikova Yu. S. Nablyudenie anomal'no rannego razvitiya sel'skohozyaystvennyh kul'tur v yuzhnyh regionah Rossii vesnoy 2016 goda na osnove dannyh distancionnogo monitoringa // Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2016. T. 13. № 2. S. 240-243. DOI:https://doi.org/10.21046/2070-7401-2016-13-2-240-243.
14. GOST R 54478-2011. Zerno. Metody opredeleniya kolichestva i kachestva kleykoviny v pshenice [Elektronnyy resurs]. URL: https://internet-law.ru/gosts/gost/51588 (data obrascheniya: 22.04.2019).
15. Pashkova G. I., Kuzminykh A. N., Gryazina F. I., Evdokimova M. A., Novoselov S. I., Ivanova A. V. The activity of glutamine synthetase enzyme, content of ammonia and phytometrcal indexes of spring wheat planting depending on different tie periods and doses of nitrogen fertilizers // Biology and Medicine. 2016. T. 8. No. 7. P. 352.
