Развитие космических исследований в области изучения природных ресурсов Земли и совершенствования дистанционной аппаратуры позволили оперативно и объективно на больших площадях проводить качественный и количественный учет сельскохозяйственных ресурсов и осуществлять мониторинг за изменением состояния посевов в результате болезней.
В основе применения дистанционных методов лежат оптические свойства, способность растений отражать и поглощать солнечную радиацию. В общих чертах энергия отражения состоит из энергии, отражаемой от поверхности, и энергии, рассеянной внутренними структурными элементами объекта. Именно во второй составляющей энергии отражения и заложена информация об объекте, которая определяет его спектральные отражательные свойства. Они выражаются через коэффициент спектральный яркости КСЯ rl= Вl/В0l; т.е. коэффициент яркости для участка спектра с длиной волны- l. Изучение посевной растительности и их свойств по спектральным отражательным характеристикам в последние годы получило широкое применение. В настоящее время накоплен значительный фактический материал, на основе которого создаются банки, спектральных отражательных свойств объектов.
Физической основой распознавания растительности является их отражательная способность. Для растительных объектов характерна низкая отражательная способность в синей и красной областях спектра, некоторое увеличение ее в зеленой области и резко выраженный максимум в БИК (ближнем инфракрасном диапазоне). Специфичность кривых спектральной отражательной способности растительности позволяет с достаточной точностью распознавать отдельные виды и изменения сельскохозяйственной растительности.
В задачу наших исследований входило определить динамику изменения спектральной отражательной способности растений яровой пшеницы на разной стадии развития грибковых болезней.
Экспериментальная часть работы проводилась на опытных полях Казахского института земледелия. Совместно с сотрудниками института были выбраны посевы яровой пшеницы, зараженные грибковыми болезнями. Исследовались делянки посевов пшеницы зараженных септориозом, гельминтоспориозом, бурой, желтой и стеблевой ржавчиной, пятнистостью. Отобраны спектральные образы в начальной, средней и максимальной стадиях развития грибковых болезней яровой пшеницы.Для проведения полевых спектрометрических измерений использовался портативный спектрорадиометр модели FieldSpecYandHeld(HH), UV/VNIR компании Analytical Spectral Devices (Colorado, USA), который позволяет получать спектры отражения солнечного света от наблюдаемой площадки в области длин волн видимого и ближнего спектра (UV/VNIR) спектра 325-1075нм. Перед началом каждой серии измерений на отдельном участке в обязательном порядке производились измерения на эталонной панели. Спектрометрическая съемка растительного покрова проводиться в околополуденное время (как правило, с 11 и до 16 часов местного времени), только в безоблачную или слабооблачную погоду.
Пораженность растений болезнями в случае массового распространения принимают характер стрессовых ситуаций. В целом процесс изменения оптических свойств пораженных растений достаточно сложен, при этом листовая диагностика существенно зависит от специфики фитопатогена. Так, при поражении пшеницы септориозом, уменьшается ассимиляционная поверхность листьев. При гельминтоспариозе образуются ярко желтые пятна на листьях, которые со временем разрастаются, приобретают неправильную форму и цвет усыхающей ткани.[1]. Бурая ржавчина проявляется, главным образом, на листьях и реже листовых влагалищах. Сначала, преимущественно на верхней стороне листа, появляются рассеянно, иногда кольцеобразно, расположенные ржаво-бурые подушечки — урединии длиной- 1-2 и толщиной- 0,5 мм. При сильном поражении растений урединиями покрывается почти вся листовая пластинка, и тогда листья скручиваются и быстро усыхают. Типичным признаком заболевания желтой ржавчины является появление лимонно-желтых продолговатых полос в виде пунктирных линий, состоящих из урединий. Иногда урединии размещаются группами, образуя на листьях пятна с хлоротичной каймой. На листьях взрослых растений пятнистость появляется в начале в виде темных, а позднее- темно-серых или светло-бурых, слегка вытянутых пятен с оливково-бурой или черновато-серой окраской. Обычно еще до внешних признаков и до того, как пораженный лист изменит свою структуру, происходит разрушение мезофилла листа, либо он пронизывается гифами гриба возбудителя. Именно эти нарушения структуры влекут за собой снижение спектральных значений в БИК диапазоне и увеличение значений КСЯ в красном и голубом участках спектра.
Используя наземные гиперспектральные данные мы проанализировали основные участки спектра, в которых возможны изменения на разных этапах протекания болезней. На рисунке 1. представлен голубой участок спектра посевов яровой пшеницы, пораженных бурой ржавчиной. В процессе прогрессирования заражения растений фотосинтетическая деятельность замедляется снижается способность поглощения световой энергии, в связи с этим увеличивается значение КСЯ. КСЯ на максимальной и средней стадии развития болезней гораздо выше, чем на начальной. Изменения происходящие в мезофилле листа, при заражении грибковыми болезнями довольно резко сказываются на отражательной способности растений.
Рис. 1. Голубой участок спектра посевов яровой пшеницы пораженных бурой ржавчиной.
Рис. 2. Голубой участок спектра посевов яровой пшеницы пораженных пятнистостью.
Состояние листовой пластины яровой пшеницы при сильном заражении бурой ржавчиной посевов приводит к увелечению значений КСЯ в красном участке спектра. Характер изменения представлен на Рис. 2. В красном участке спектра прослеживается резкое отличие отражательных характеристик на разных стадиях развития болезней. Уменьшение содержание пигментов в зараженных растениях приводит к увеличению их отражательную способность в красном участке спектра. Гиперспектральные данные позволяют определить процесс заражения на начальной стадии заражения, когда визуальная оценка не приносит достачного результата. В наших исследованиях разница между эталонными и начальной стадией протекания болезней в красном участке спектра на посевах зараженных бурой ржавчиной составило КСЯ 0,06-0,09 то есть порядка 6-9%.
Рис. 3. Красный участок спектра посевов яровой пшеницы на разных этапах развития бурой ржавчины.
Рис. 4. Красный участок спектра посевов яровой пшеницы на разных этапах развития пятнистости.
На основании наших исследований отмечены характерные закономерности. Так, с увеличением степени поражения болезнями увеличиваются спектральные характеристики в красном и голубом участках спектра. За счет уменьшения содержания хларофилла и каротина в мезофиле листа снижается степень поглащения световой энергии растениями, соответственно снижается фотосинтетическая активность зараженных растений. Возможность поглощения солнечных лучей длиной около λ=450нм дает растениям необходимую для фотосинтеза энергию[2]. В основном процесс фотосинтеза обеспечивается хлорофиллом и другими пигментами, содержащимися в мезофилле. Хлорофилл составляет в высших растениях, наряду с каротином и ксантофиллом, большую часть пигмента листа (до 65%). Он концентрируется в верхней части мякоти листа в многослойной паренхиме. В расположенной ниже губчатой паренхиме его содержание незначительно. Хлорофиллом поглощаются солнечные лучи в основном голубом λ=485—500нм и красном λ=625—740нм частях спектра. Зеленые лучи, наоборот, отражаются. Это оптическое взаимодействие обуславливает зеленый цвет свежей здоровой листвы и небольшой максимум в энергетическом спектре[2].
Оценивали изменение содержания хлорофилла на разных этапах развития болезней с помощью вегетационных индексов и индексов стресса.
Narrowband Greenness: индекс «зелености», рассчитываемый по данным в узких спектральных зонах:
Red Edge Normalized Difference Vegetation Index;
Modified Red Edge Normalized Difference Vegetation Index;
Индексы этой группы отражают общее количество содержания хлорофилла и состояние растительности. Для расчетов этих индексов используются значения коэффициентов отражения на участке спектра от 0,690 до 0,750 мкм, т. е. рассматривается область ближнего инфракрасного склона спектральной кривой растительности (red edge).
Использование значений коэффициентов отражения в узких спектральных зонах позволяет с помощью индексов фиксировать даже небольшие изменения состояния растительности. Расчет индексов возможен только по гиперспектральным данным , Рис. 5.
Рис 5. Изменение содержания хлорофилла в посевах яровой пшеницы в зависимости от стадии протекания болезней.
Характер изменения содержания хлорофилла, подтверждает наши исследования спектральных образов в красном и голубом участках спектра. Резкое снижение хлорофилла на максимальной стадии развития болезней приводит к увеличению КСЯ в красном и голубом участках спектра.
В ближнем инфракрасном диапазоне (БИК) (λ=700-1300 нм ) рассеивание излучения определяется преимущественно внутренней структурой тканей. Коротковолновая граница БИК- диапазона зависит от границы поглощения хлорофилла в красной области видимого диапазона. Из-за незначительного поглощения излучения пигментами и водой в БИК- диапазоне при низкой вариабельности по значению- λ формируются максимальные значения КСЯ. За счет многократного рассеяния в мезофильных тканях, которые, в свою очередь, объясняются различиями в показателях преломления межклеточных воздушных полостей и оболочек клеток. Неглубокие минимумы отмечаются на λ=950 нм в полосах поглощения воды[2] (рис. 6 и 7).
Рис.6. Участок спектра яровой пшеницы пораженной бурой ржавчиной в БИК- диапазоне.
Рисунок 7. Участок спектра яровой пшеницы пораженных пятнистостью в БИК- диапазоне.
По литературным данным до 80% инфракрасного излучения отражает мезофильная ткань, причем в БИК диапазоне она тесно связана с диффузными свойствами клеточных стенок, расположением клеток в тканях и размерами межклеточных полостей в мезофилле [3]. Морфологические факторы зависят от типа листа и претерпевают закономерные изменения как в ходе онтогенеза , так и под воздействием болезней. Развитие болезней приводит к изменению листовой пластины, раннему старению и соответственно изменению спектральных характеристик. В наших исследованиях снижение КСЯ посевов яровой пшеницы, пораженных бурой ржавчиной, составил 18-20%, а на посевах пораженных пятнистостью-37-40%. Процесс протекания и старения растений в зависимости от видов болезней происходит по разному, рис. 8.
Рисунок 8.Спектральные образы посевов яровой пшеницы зараженных различными болезнями на максимальной стадии развития.
Спектральные образы растений, пораженных пятнистостью, бурой и стеблевой ржавчиной на максимальной стадии развития болезней выражены гораздо сильнее, чем желтая ржавчина и септориоз. Разница КСЯ растений, пораженных желтой ржавчиной и пятнистостью в наших исследованиях состовляет 23-25%. Спектральный образ яровой пшеницы, зараженной септориозом и гельминтоспариозом приближается к спектрам открытой почвы. Наименьшие изменения у спектральных образов яровой пшеницы зараженных желтой ржавчиной.
Закономерности изменения спектральных характеристик в зависимости от процесса прогрессирования болезней во времени отмечены на рис.9 и10. С позиции дистанционной диагностики изменение спектров во времени для нормально развивающихся растений может расматриваться за различные периоды- от суток до вегетационного периода в целом. В наших экперементах, был рассмотрен временной период в 10 дней.
Рис.9 Спектральные образы посевов яровой пшеницы зараженных бурой ржавчиной в разные периоды съемки.
Рис.10 Спектральные образы посевов яровой пшеницы зараженных стеблевой ржавчиной в разные периоды съемки.
Как выше было отмечено, процесс изменения оптических свойств пораженных растений, довольно сложный. Но в целом прослеживается закономерность. Тоесть снижение значений спектральных образов в БИК-диапазоне. И увеличение КСЯ в красном и синем диапазонах. Характер изменения спектра зависит от вида и специфики фитопатогена.
После 5 дней развития болезни Бурой ржавчины, изменения отмечены в красном участке спектра и в БИК-диапазоне на 10-18%. Резкое изменение в синем и красном участках спектра 22-28% отмечено на 10-й день протекания болезни.В БИК-диапазоне снижение спектральных характеристик отмечено на 18-20%. Процесс изменения спектральных образов в результате прогрессирования болезней объясняется изменением содержания пигментов в мезофиле листа. Происходит снижение процесса фотосинтеза и дальнейшее отмирание растений.
Совершенно другой характер изменения спектральных образов для растений яровой пшеницы пораженных стеблевой ржавчиной. Различие в спектометрии проведенной 03 июля и 08 июля отличается на 7-8% в красном участке диапазона и 5-6% в БИК-диапазоне. Характер изменения между спектрометрией проведенной 03 июля и 13 июля отличается в основном в БИК диапазоне на 20-22%, в красном участке спектра на 10%. Для изучения спектральных характеристик посевов яровой пшеницы пораженных стеблевой ржавчиной временной период в 10 дней не достаточен. На следующий год необходимо увеличить временной период обследования до 20 дней.
В результате исследований спектрометрических характеристик растений яровой пшеницы пораженных грибковыми болезнями определено следующее:
- Наиболее вариабельным участком спектра, для изучения болезней, является красный и БИК-диапазоны.
- Спектральные характеристики зараженных растений отличаются между собой и зависят от стадии заражения. Процессы изменения спектральных образов требуют дальнейшего изучения.
- Спектральные характеристики процесс протекания болезней яровой пшеницы во времени отличается в зависимости от специфики фитопатогенов.
Библиографический список
- Грибные болезни зерновых культур. Д-р Г. Пригге, м. Герхард, и.Хабермайер, Лимбургерхоф, 2004, с.97
- Выгодская Н.Н., Горшкова И.И., Теория и эксперимент в дистанционных исследованиях растительности.//Ленинград.//Гидрометиоиздат., 1987., стр 125.
- Кочубей С.М., Шадчина Т.М., Кобец Н.И., Спектральные свойства растений как основа методов дистанционной диагностики.//Киев. Наукова думка., 1990.,стр 134