Россия
Россия
Россия
Аннотация. В настоящее время в аграрном секторе начинают активно использоваться результаты исследований, позволяющие прогнозировать урожайность сельскохозяйственных культур с использованием данных дистанционного зондирования Земли. Известно, что полученные регрессионные модели зависят от почвенно-климатических условий возделывания. Для того чтобы определить степень развитости и состояния растений, можно использовать вегетационный индекс NDVI. Достоинствами такого метода являются объективность получаемых оценок и способность их применения к большим территориям. К сожалению, исследования влияния почвенно-климатических зон (ПЗК) возделывания на взаимосвязь урожайности озимой пшеницы с данными ДЗЗ практически не ведутся. Целью работы было выявление влияния условий различных почвенно-климатических зон Ставропольского края на особенности связей данных дистанционного зондирования Земли с продуктивностью посевов озимой пшеницы. Исследования проводили на базе ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр». Объектами исследований служили посевы озимой пшеницы Ставропольского края. В ходе работы использовали статистические данные Министерства сельского хозяйства Ставропольского края. Вегетационный индекс NDVI получали с помощью сервиса «ВЕГА» Института космических исследований Российской академии наук. Установлена взаимосвязь между NDVI и урожайностью озимой пшеницы для почвенно-климатических зон Ставропольского края. Полученные модели обладают высокой степенью достоверности (коэффициент аппроксимации в пределах 0,59–0,82, коэффициент корреляции – 0,77–0,90). Регрессионная модель связи среднего NDVI за вегетативно-генеративный период и урожайности зерна Ставропольского края, построенная с использованием данных почвенно-климатических зон, обладает достаточно высокой точностью (коэффициент корреляции – 0,82, коэффициент аппроксимации – 0,72). Использование данных дистанционного зондирования Земли, рассчитанных по почвенно-климатическим зонам, существенно повышает сопряженность вегетационного индекса NDVI c продуктивностью посевов озимой пшеницы. Это дает возможность более точно прогнозировать урожайность для всего Ставропольского края.
озимая пшеница, регрессионные модели, вегетационный индекс NDVI, почвенно-климатическая зона, урожайность.
Постановка проблемы (Introduction)
Получение высокого урожая зерна озимой пшеницы является важной задачей аграрной науки и сельскохозяйственного производства. Ее решение связано в том числе с разработкой оперативных и достоверных методов контроля состояния посевов, прогноза урожая и его качества. Для этих целей стали использовать данные дистанционного зондирования Земли, которые позволяют получать информацию для таких административно-территориальных единиц, как отдельное поле, район, почвенно-климатическая зона, субъект РФ или страна в целом [1–2].
Для того чтобы определить степень развитости и состояния растений, можно использовать вегетационный индекс NDVI [3, 4, 5, 6]. Достоинствами такого метода являются объективность получаемых оценок и способность их применения к большим территориям. Из литературных источников известно, что такие модели обладают зависимостью от условий выращивания [7, 8]. К сожалению, исследования влияния почвенно-климатических зон (ПЗК) возделывания на взаимосвязь урожайности озимой пшеницы с данными ДЗЗ практически не ведутся.
В связи с этим целью работы было выявление влияния условий различных почвенно-климатических зон Ставропольского края на особенности связей данных дистанционного зондирования Земля с продуктивностью посевов озимой пшеницы.
Методология и методы исследования (Methods)
Исследования проводили в ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр». Объектами исследований служили посевы озимой пшеницы Ставропольского края. В ходе работы использовали статистические данные Министерства сельского хозяйства Ставропольского края. NDVI получали с помощью сервиса «ВЕГА» ИКИ РАН.
Результаты (Results)
По почвенно-климатическим условиям в Ставропольском крае выделено 4 зоны: крайне-засушливая (I), засушливая (II), неустойчивого (III) и достаточного увлажнения (IV) [9].
С помощью данных сервиса «ВЕГА» и учета посевных площадей озимой пшеницы была рассчитан ход динамики NDVI различных почвенно-климатических зон с 2002 по 2017 годы (рис. 1).
Рис. 1. Ход динамики вегетационного индекса озимой пшеницы
Fig. 1. The course of the dynamics of the vegetative index of winter wheat
Полученные результаты свидетельствуют о том, что от зоны возделывания посевов озимой пшеницы зависят онтогенетические изменения NDVI. При улучшении условий выращивания (как в осенний период, так и в репродуктивный) увеличиваются значения NDVI. С момента возобновления весенней вегетацией и до конца фазы трубкования отмечается выравнивание NDVI по почвенно-климатическим зонам края.
Это может быть обусловлено тем, что достаточная влажность почвы перед посевом способствует формированию более развитой биомассы, а следовательно, увеличивается площадь ассимиляционной поверхности. Данное превосходство сохраняется и в ранневесенний период (рис. 2).
Последующее развитие посевов озимой пшеницы происходит при хорошем водном режиме, так как в этот период еще не израсходована влага, накопленная за зимний период. При этом температурный режим в крайне засушливой и засушливой зонах выше, чем в III и IV. Такие условия способствуют усиленному развитию растений, а следовательно, происходит выравнивание значений NDVI по почвенно-климатическим зонам в весенний период.
В конце IV и перед началом VIII этапов органогенеза наблюдается рост температурного режима, а также снижение запасов продуктивной влаги в почве, при этом в I зоне наблюдается плохое их восполнение за счет выпадающих осадков. Из-за этого происходит разделение посевов по мощности их развития и высоте растений в зависимости от почвенно-климатических условий [10]. Поэтому в максимальных значениях NDVI наблюдаются различия этого показателя в II, III и IV зонах по сравнению с крайне засушливой зоной. Более высокое значение NDVI в этот период в III зоне по сравнению с IV можно объяснить лучшим температурным режимом.
Рис. 2. Температура воздуха и количество осадков в почвенно-климатических зонах Ставропольского края (среднемноголетние значения)
Fig. 2. Air temperature and precipitation in the soil and climatic zones of the Stavropol Territory (mean annual values)
Генеративный период характеризуется четким разделением значений NDVI по ПЗК, которые зависит от погодных условий.
Таким образом, онтогенетические изменения вегетационного индекса посевов озимой пшеницы в различных ПЗК края зависят от условий выращивания.
По всем почвенно-климатическим зонам края были построены модели зависимости среднего NDVI от урожайности озимой пшеницы (рис. 3). R2 для данных моделей находятся в пределах от 0,59 до 0,82, а Kкорр. – от 0,77 до 0,90 в зависимости от ПЗК Ставропольского края.
|
|
|
|
|
|
Рис. 3. Связь урожайности озимой пшеницы от среднего NDVI за вегетативно-генеративный период (2002–2017 гг.)
Fig. 3. Connection of winter wheat yield from middle NDVI during the vegetative-generative period (2002–2017)
Полученная в ходе работы корреляционная связь урожайности с NDVI повышается с улучшением условий выращивания. Это может быть связано с тем, что действие факторов окружающей среды не позволяет реализовать посевам в достаточной степени потенциал продуктивности, связанный с технологическими и генотипическими особенностями в таких условиях.
В ходе работы нами была построена регрессионная зависимость среднего NDVI за вегетативно-генеративный период от урожая зерна для всего Ставропольского края (рис. 4). Так Ккорр. данной модели составил величину, равную 0,85, R2 – 0,72.
Рис. 4. Зависимости урожая зерна от среднего NDVI за вегетативно-генеративный период для Ставропольского края (2002–2017 гг.)
Fig. 4. Dependencies of grain yield on average NDVI for the vegetative-generative period for the Stavropol Territory (2002–2017)
1. Ёлкина Е. С., Барталёв С. А., Толпин В. А., Лупян Е. А. Возможности сервиса спутникового мониторинга ВЕГА // Современные подходы к изучению экологических проблем в физической и социально-экономической географии: материалы X Международной молодежной школы-конференции. Москва, 2017. С. 162-163.
2. Волкова Е. С. Использование ГИС-технологий в сельском хозяйстве Ставропольского края // Проблемы рационального природопользования и пути их решения: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 45-летию ФГБОУ ВО «ДГТУ». Махачкала, 2018. С. 202-204.
3. Фомин Д. С., Чащин А. Н. Вегетационный индекс NDVI в оценке зерновых культур опытных полей Пермского НИИСХ // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 4 (72). С. 39-42.
4. Буховец А. Г., Семин Е. А., Костенко Е. И., Яблоновская С. И. Моделирование динамики вегетационного индекса NDVI озимой пшеницы в условиях ЦФО // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2018. № 2 (57). С. 186-199.
5. Федулов Ю. П., Подушин Ю. В., Мязина А. Н., Чухиль А. А., Сафонова Т. Г. Связь нормализованного индекса вегетации (NDVI) с урожайностью посевов озимой пшеницы // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: сборник статей по материалам 71-й научно-практической конференции преподавателей по итогам НИР за 2015 год. Краснодар, 2016. С. 106-107.
6. Осоргин Ю. В., Осоргина О. Н. Изучение взаимосвязи урожайности яровой пшеницы и индекса вегетации NDVI в условиях северного района оренбургской области на основе данных дистанционного зондирования Земли // Вклад молодых ученых в аграрную науку: материалы международной научно-практической конференции. Кинель, 2018. С. 122-124.
7. Терехин Э. А. Оценка сезонных значений вегетационного индекса (NDVI) для детектирования и анализа состояния посевов сельскохозяйственных культур // Исследование Земли из космоса. 2015. № 1. С. 23.
8. Сторчак И. Г. Прогноз урожайности озимой пшеницы с использованием вегетативного индекса NDVI для условий Ставропольского края: автореферат дис. ... канд. с.-х. наук. Ставрополь, 2016. 22 с.
9. Кулинцев В. В., Годунова Е. И., Желнакова Л. И. [и др.] Система земледелия нового поколения Ставропольского края. Ставрополь, 2013. 520 с.
10. Шестакова Е. О., Ерошенко Ф. В., Сторчак И. Г. Радиационный режим посевов озимой пшеницы в зависимости от основных элементов технологии возделывания в зоне неустойчивого увлажнения Ставропольского края // Известия Горского государственного аграрного университета. 2018. Т. 55. № 3. С. 23-27.
11. Ерошенко Ф. В., Чередниченко И. Г. Регрессионные модели оценки урожайности озимой пшеницы в ставропольском крае с использованием NDVI // Бюллетень Ставропольского научно-исследовательского института сельского хозяйства. 2013. № 5. С. 58-64.
