ПРИМЕНЕНИЕ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ АГРОФИТОЦЕНОЗОВ НА ПРИМЕРЕ ТЕСТОВОГО УЧАСТКА АЛТАЙСКОГО РАЙОНА РЕСПУБЛИКИ ХАКАСИЯ
Научная статья
Жукова Е.Ю.1, Кутькина Н.В.2, Жукова В.М.3, Панасюк Ю.А.4, Аршанов С.О.4
1 – канд.биол.наук, ФГБОУ ВПО «Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»; 2 – доцент, канд.биол.наук, ФГБОУ ВПО «Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»; 3 – канд.биол.наук, ГНУНИИ аграрных проблем Хакасии Россельхозакадемии; 4 – студент ФГБОУ ВПО «Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»
ПРИМЕНЕНИЕ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ АГРОФИТОЦЕНОЗОВ НА ПРИМЕРЕ ТЕСТОВОГО УЧАСТКА АЛТАЙСКОГО РАЙОНА РЕСПУБЛИКИ ХАКАСИЯ
Целью работы являлась количественная характеристика растительного сообщества Zea mays, агрофизических и агрохимических особенностей соответствующей посеву почвы на основе использования спектральной спутниковой информации (Landsat 7) и полученных наземных данных. Практическим выходом данной работы является возможность полной и экспресс-оценки состояния агрофитоценозов по спектральным данным, а также составления карт пространственной неоднородности продуктивности посевов и сопутствующих почв. Ключевые слова: агрофитоценозы, спектральные индексы, продуктивность, чернозем Key words: agrophytocenoses, spectral indices, productivity, black earth Значительную помощь в проблеме своевременного мониторинга агроценозов и почв, находящихся в степной зоне Хакасии и испытывающих значительный антропогенный прессинг, может оказать спутниковый мониторинг за сезонным развитием растительности [1, 2]. Важнейшими задачами спутникового мониторинга сельскохозяйственных угодий являются идентификация и картографирование агрофитоценозов, определение их видового состава и морфофизиологических характеристик растений. Спутниковый мониторинг позволяет повысить точность, однородность, объективность и частоту наблюдений за состоянием посевов и спрогнозировать урожай [3-5]. Многозональные снимки высокого разрешения (типа Landsat) оптимально подходят для определения биопараметров растительности и идентификации почв, а составленные по этим снимкам карты, по информативности не уступают картам землепользования. Целью исследования являлась количественная характеристика растительного сообщества Zea mays, агрофизических и агрохимических особенностей соответствующей посеву почвы на основе использования спектральной спутниковой информации (Landsat 7) и полученных наземных данных. Район исследования принадлежит к Койбальскому (Южно-Хакасскому) предгорно-степному округу в пределах Южно-Минусинской впадины, занимая северную часть междуречья Абакана и Енисея. Общий рельеф территории холмисто-равнинный с преобладающими высотами 300-350 м. Климат континентальный, радиационный баланс 33-34 ккал/см.2 Сумма температур за теплое время года составляет 1800-1950. Зональная растительность представлена настоящими мелкодерновинными степями. Почвенный покров составляют обыкновенные, выщелоченные и южные черноземы [6]. Тестовый участок, на котором в течение вегетационных периодов 2005-2012 гг. проводились наземные исследования агрофитоценозов, находился на длительно используемых обыкновенных черноземах Алтайского района. Методика исследования наземных показателей растительности описана в статье Е.Ю. Жуковой и др. [5]. Учет фитомассы проводился по стандартной методике Ф.И. Левина, повторность трехкратная, дополнительно для Zea mays были выделены агрогруппы – метелки, початки и определены морфометрические показатели в 30-тикратной повторности, высота растений в 45-кратной повторности. На тестовом участке в Алтайском районе были проведены детальные исследования чернозема по основным параметрам почвенного плодородия: морфологическим, агрофизическим, биохимическим, физико-химическим, агрохимическим. Для работы использовались спутниковые изображения Landsat 7 – стандартный продукт USGS уровня 1G – геопривязанные по орбитальным параметрам, радиометрически нормализованные данные, приведенные в стандартную картографическую проекцию. Даты съемок – 7.06.2012, 23.06.2012, 25.07.2012, 1.08.2012, 10.08.2012, 2.09.2012, 11.09.2012, 27.09.2012. Оценка состояния растительного компонента агроценозов проводилась по спектральным индексам, рассчитанным в программе ENVI 4.7 [5]. Для оценки количества фотосинтетически активной фитомассы использовался вегетационный индекс (Normalized Difference Vegetation Index – NDVI), для определения содержания воды в растительности – индекс влагосодержания (Normalized Difference Water Index – NDWI). Для последнего индекса в качестве параметра, характеризующего отражение в коротковолновой инфракрасной области спектра, применяли соответственно 5 (NDWI1640) и 7 канал (NDWI2130) снимка Landsat 7. Спектральные особенности почвы определяли по почвенной линии – зависимости между отражательными свойствами открытой поверхности почвы в ближнеинфракрасном (NIR) и красном (R) участках спектра [7]. Почвенная линия рассчитывалась по формуле: NIR=β1 R + β0, где β1 – угловой коэффициент, β0 – смещение (величина отрезка, который отсекает прямая на оси ординат, считая от начала координат). Атмосферная коррекция снимков проведена с помощью модуля FLAASH с учетом состояния атмосферы и высоты над уровнем моря. Вегетационный индекс подсчитан с учетом влияния атмосферы, индексы влагосодержания – без учета влияния атмосферы. Статистическая обработка включала расчет среднего арифметического, ошибки среднего арифметического и стандартного отклонения (для спутниковых данных). Результаты исследования. Агрокультура Zea mays располагалась на пологом склоне, почва которого была представлена длительно используемым черноземом обыкновенным, который в нижней части склона имел мощность гумусового горизонта 40 см как на южном склоне (кукурузное поле), так и северном (пар) (рис. 1).
Рис. 2. Изменение индекса влагосодержания по спектральным профилям, NDWI 2130, 7.06.2012: начало профилей в квадратах, 1 профиль – пашня под кукурузу (верхний график), 2 профиль – пар (нижний график)
На втором профиле (северный склон) количество воды в верхнем почвенном горизонте было больше, чем на первом (южный склон).
Анализ профиля чернозема на паровом поле показал наличие следующих горизонтов: А пах. – пахотный горизонт (18-20 см), А 18-25 см – гумусово-аккумулятивный, АВ 25-40 см – гумусовый переходный горизонт (табл.1). Содержание гумуса в слое 0-20 см составило – 2,6 %, по сравнению с 2,0% на участке пашни, где располагался посев кукурузы. Запасы калия – средние (225 мг/кг), фосфора – низкие (12,1 мг/кг). Песок на этих землях залегает на небольшой глубине (60 см) и есть опасность потери черноземных почв.
Профиль чернозема обыкновенного на кукурузном поле отличается более коротким переходным гумусовым горизонтом и большей мощностью горизонта А, мощность пахотного слоя 18 см. Остальные морфологические признаки практически одинаковые. Физико-химические свойства пахотного слоя несколько отличаются в сравниваемых почвах. На паровом поле почвенная среда слабощелочная (рН 7,4), на кукурузном щелочная (8,0). Емкость катионного обмена (ЕКО) поглощения низкая, но еще ниже (на 8,4%) на занятом поле, за счет снижения обменного кальция, что отрицательно сказывается на плодородии почвы.
Таким образом, черноземы обыкновенные на тестовом участке слабогумусированные (2,0-2,6 % гумуса), по содержанию гумуса их можно отнести к черноземовидным почвам, однако обогащенность гумуса азотом средняя (отношение С:N равно 9,2). Запасы гумуса, как в пахотном, так и полуметровом слое низкие, обеспеченность подвижным калием средняя, фосфором – низкая. Гранулометрический состав почв легкосуглинистый в слое 0-20 см на обоих участках. Из антропогенных процессов длительно используемых почв отмечено образование плужного горизонта.
Для восстановления таких почв необходима биологическая технология возделывания сельскохозяйственных культур, с занятыми сидеральными парами, с внесением органических удобрений, с обязательной почвозащитной организацией территории.
Почвенная линия используется в основном для того, чтобы минимизировать влияние почвенного фона на вегетационные индексы. В качестве факторов, влияющих на спектральную отражательную способность почв, выделяют влажность, строение, гранулометрический состав, валовое содержание железа, содержание органического вещества и минералогический состав [7]. Почвенные линии представлены на рис. 3. Данные показывают различия между участками кукурузы и паром (объем выборки соответственно 445 и 116 пикселей). Коэффициенты уравнения почвенной линии для поля с Zea mays были равны β0 =22,09, β1 = 0,55; для парового поля – β0 = -10,54; β1=1,08. Величина стандартного отклонения для обоих выборок составила 0,02.
Рис. 3. Почвенная линия для пашни под кукурузу (слева) и пара (справа): 1 канал – красный, 2 – ближнеинфракрасный, 7.06.2012
Важнейшим показателем, характеризующим агроценозы, является их продуктивность. В связи с этим, надземную фитомассу агроценоза определяли как в сыром, так и в сухом виде, разделяя на агрогруппы (рис. 4). В начале своего развития (фаза 5-6 листьев) высота Zea mays составила 38,8±3,8 см, количество листьев – 6±1 шт (данные приведены со стандартным отклонением), расстояние между рядами – 70 см.
Рис. 4. Сырая надземная фитомасса агроценоза кукурузы, 17.06.2012
На вторую декаду июня сырая фитомасса всего агроценоза была равна 57,5±11,09 ц/га, из них вегетативная масса культуры – 37,02±7,89 ц/га, масса сорных растений, среди которых доминировал Panicum miliaceum subsp. ruderale – 14,8 ц/га. Следует отметить, что сорные растения были распределены по участку неоднородно, поэтому данные имели большой диапазон (±11,63 ц/га). Суммарная доля ветоши и мортмассы была невелика и составила всего 10% от общей массы агроценоза. В то же период урожайность сухой надземной фитомассы агроценоза была в 4 раза меньше, чем сырой, что свидетельствует о значительном содержании воды в сообществе (73,7 %). Из общей фитомассы (15,12 ц/га), на долю вегетативной массы культуры приходилось 10,51 ц/га, сорных растений 3,74 ц/га, ветоши и мортмассы 2,85 ц/га. На момент уборки урожая общая надземная сырая фитомасса Zea mays увеличилась незначительно (на 13,06 ц/га), в отличие от сухой массы, которая возросла в 1,9 раза (рис. 5-6).
Рис. 5. Сухая надземная фитомасса агроценоза кукурузы, 17.06.2012
Рис. 6. Надземная фитомасса агроценоза кукурузы, 3.09.2012
Морфометрические показатели также могут оказывать влияние на спектральные характеристики агроценозов. На 3.09.2012 г. были получены следующие данные: количество листьев 10±2, длина початка 29,1±5,8 см, средний вес початка 164,11±96,06 г, количество початков в среднем 2±1 шт, высота растений 149,5±23,32 см, количество колосков в метелке 19±4 шт (данные приведены со стандартным отклонением). В качестве косвенных показателей фитомассы и содержания воды агроценозов были выбраны спектральные индексы, представленные на рис. 7-9. Наиболее высоких значений вегетационного кукуруза достигала к концу августа. Интенсивное нарастание фитомассы идет с начала июня. Следует отметить спад в развитии кукурузы в конце июля, вероятно связанный с метеоусловиями. Уборка культуры произведена в период с 2.09. по 11.09.2012. Из рис. 7, видно, что до второй декады июня пашня (пар) на втором поле также имела растительный покров (однолетняя залежь).
Рис. 7. Сезонная динамика NDVI на тестовом участке
Рис. 8. Сезонная динамика NDWI 1640 на тестовом участке
Анализ динамики индексов влагосодержания, показал, что в конце июля наблюдали снижение запасов влаги на паровом поле. Данный факт сопровождался снижением продуктивности к началу августа (распашка). В целом содержание воды выше на участке с Zea mays, причем максимальное содержание воды отмечено в начале августа, для обоих полей. Сравнительный анализ наземных и спутниковых данных показал, что спутниковый мониторинг позволяет получать информацию о состоянии агроценозов (продуктивность и содержание воды).
Рис. 9. Сезонная динамика NDWI 2130 на тестовом участке
Для количественной оценки по спутниковым данным необходимы многолетние исследования агроценозов с целью получения данных для математической модели урожайности культурных посевов в данном регионе.Литература
- Жукова Е.Ю., Шевырногов А.П., Зоркина Т.М., Жукова В.М., Жидкая М.В. Изучение сезонной динамики сельскохозяйственных посевов на территории Хакасии по снимкам Terra Modis // Сибирский Вестник сельскохозяйственной науки: научный журнал. 2007. №5. С. 29-35;
- Зоркина Т.М., Жукова В.М., Кутькина Н.В. Структура и состояние степных сообществ Хакасии в зависимости от почвенных условий // Сибирский Вестник сельскохозяйственной науки. – 2011. – № 5-6. – С. 41-46.
- Сидько А.Ф., Шевырногов А.П. Спектральная яркость растений, как основа дистанционной диагностики посевов сельскохозяйственных культур. //ДАН, 1997, т.354, № 1. С. 120-122;
- Шевырногов А.П., Сухинин А.И., Кашкин В.Б., Сидько А.Ф., Высоцкая Г.С. Научная программа «Зеленая волна» как средство изучения растительности Красноярского края космическими средствами // Сибирский экологический журнал. 1996. №5. C. 363-372;
- Жукова Е.Ю. Шевырногов А.П., Жукова В.М., Зоркина Т.М., Пугачева И.Ю. Сезонная динамика продуктивности агроценозов Юга Минусинской котловины Вестник Томского государственного университета. 2009. № 323. С. 354-357;
- Куминова А.В., Маскаев Ю.М. Геоботаническое районирование // Растительный покров Хакасии. Новосибирск, 1976. С. 309-367;
- Кирьянова Е.Ю., Савин И.Ю. Линия почв как индикатор неоднородностей почвенного покрова // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2011 T.8 №4 C.310-318.