Введение
Сорт озимой пшеницы имеет большое значение в увеличении объёмов производства зерна высокого качества и высокий агробиологический потенциал. В структуре посевных площадей зерновых культур озимая пшеница на территории РФ обладает значительным удельным весом, так как является ценной продовольственной культурой. По сравнению с другими сортами озимая пшеница лучше использует биоклиматический потенциал региона ее возделывания. В создании высокопродуктивных посевов озимой пшеницы первостепенное значение имеет сорт, его урожайность, элементы семенной продуктивности и количественные признаки зимо- и морозостойкости. Более детальное наблюдение за состоянием посевов озимой пшеницы в течение всего вегетационного периода принадлежит аэрофотосъемке. По результатам обработки снимков получают вегетационный индекс NDVI, который достоверно отражает состояние посевов на конкретном поле. В условиях Новгородской области такие исследования ведутся второй год и только в одном хозяйстве, поэтому использование спутниковых данных, особенно в семеноводческих хозяйствах, является актуальным. Используя данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) при прогнозировании урожайности посевов озимой пшеницы нами была использована величина максимального значения NDVI за весенне-летний период.
Цель исследования – оценка возможностей применения методов ДЗЗ для контроля качества посевов, условий роста, развития растений озимой пшеницы и закономерностей формирования урожайности.
Материалы и методы
Исследования проводились в 2022-23 гг. на производственных посевах озимой пшеницы сорта Московская 39 в условиях ООО «Новгородский бекон» Солецкого района Новгородской области. Из 650 га семенных участков озимая пшеница занимала 400 га. На сегодняшний день хозяйство полностью обеспечивает себя высококачественным посевным материалом, так как является семеноводческим.
Сорт озимой пшеницы Московская 39 характеризуется высокой потенциальной урожайностью, повышенной зимостойкостью, устойчивостью к болезням и вредителям.
Опыты заложены на площади 32 м2, учётная площадь делянки – по 10 м2. Предшественник – ранний картофель. После уборки картофеля проводили две культивации с боронованием: первая – на глубину 10-12 см, вторая – 8-10 см, так как вегетационные периоды 2022 и 2023 годов были засушливы и ощущался дефицит влаги в почве. Перед посевом семена обрабатывали препаратом Вайбранс Интеграл КС, что способствовало получению стабильного урожая за счет усиленного поглощения растениями элементов питания и влаги и обеспечивало хорошую перезимовку благодаря развитой корневой системе. Высевали семена озимой пшеницы сплошным рядовым способом с шириной междурядий 15 см. При посеве применялась азофоска с содержанием N15Р15К15. После всходов применяли гербицид Аксиал избирательного действия, что обеспечило высокую эффективность по всему спектру злаковых сорняков. Подкормку проводили весной в период возобновления вегетации и начала выхода в трубку аммиачной селитрой в дозе 34 кг/га д.в. Уборку проводили 25 июля, так как были благоприятные погодные условия. Уборочный сезон целесообразно начинать как можно раньше исходя из фазы созревания зерновой культуры.
Почвы, типичные для Новгородской области – дерново-подзолистые среднесуглинистые, слабоокультуренные, имели следующие агрохимические показатели: мощность пахотного слоя – 20-22 см, содержание гумуса – от 2,1 до 2,7%, легкогидролизуемый азот – 75-95 мг; Р2О5 – 14,5-17,0 мг, К2О – 8,0-12,5 мг на 1 кг почвы, рНсол. – 4,8-5,3.
Погодные условия в годы проведения исследований были нетипичными для Новгородской области. Период весенне-летней вегетации озимой пшеницы 2022 года был теплым и умеренно влажным, а 2023 года – умеренно засушливым.
Фенологические наблюдения, учёт густоты стояния растений в фазу всходов и сохранность к моменту уборки, семенную продуктивность проводили по Методике государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур. Показатели фотосинтетической деятельности посевов ввозимой пшеницы определяли по методике А.А. Ничипоровича, содержание хлорофилла – по методике Я. И. Милаевой, И. Н. Примак.
Для роста и развития растений озимой пшеницы вегетационные периоды в годы проведения исследований были неблагоприятными. В фазу всходов, кущения растений озимой пшеницы стояла сухая осенняя погода, продолжительный холодный и без осадков период весеннего отрастания, а в период колошения и цветения стояла сухая и жаркая погода. Среднемесячные летние температуры превышали среднемноголетние значения на 3,5-5,6ºС, влaгooбеспеченность посевов была на 12,4-23,5 мм ниже среднемноголетних значений.
NDVI посевов озимой пшеницы определяли на участках 53:16:0031701:46 и 53:16:0031701:47 с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА) Geoscan Lite с двумя камерами Sony a6000 (RGB) и модифицированной камерой Sony a6000, предназначенной для съёмки в ближнем инфракрасном спектре (NIR). Точность определения координат 0,3 м в плане и 0,5 м по высоте в системе координат WGS-84 EPSG: 4326 и пространственное разрешение 7,8 cm/pix мультиспектральной аэрофотосъёмки. Полученные растровые изображения были преобразованы в индексное изображение NDVI с помощью компьютерного программного обеспечения Agisoft Metashape и ГИС Спутник Агро.
Результаты
В хозяйстве усовершенствована технология возделывания озимой пшеницы в соответствии с биологическими особенностями роста и развития, что позволяет раскрыть потенциал сорта. Биологические особенности роста и развития растений озимой пшеницы напрямую зависят от почвенных и климатических условий региона. Посев производили в конце третьей декады августа для того, чтобы растения накопили достаточное количество питательных веществ и в фазу кущения успешно прошли закалку при оптимальных температурах и достаточном запасе влаги в осенний период. Полевая всхожесть семян озимой пшеницы на двух участках варьировала от 81 до 87%. На формирование урожайности существенное влияние оказывало количество растений в фазу полных всходов. При высокой полевой всхожести густота стояния растений изменялась от 448 до 498 шт./м2 в фазу полных всходов. Благоприятные условия в период кущения способствовали закладке генеративных органов растений озимой пшеницы. Общая кустистость на участке 53:16:0031701:47 составила 1,69 шт., на участке 53:16:0031701:46 – 2,41 шт. Зимостойкость и продуктивность посевов зависели от интенсивности кущения растений в осенний период.
Продолжительный зимне-весенний период с перепадами температур и отсутствие осадков сдерживали начало весеннего отрастания и возобновление вегетации, что привело к значительным выпадам растений озимой пшеницы. Максимальные выпады и гибель растений были отмечены на участке 16:0031701:47 (рис.1).
Рисунок 1. Спектральная яркость посевов на участке 53:16:0031701:47
Своевременный мониторинг с помощью ДЗЗ из космоса будет способствовать отводу выровненных по почвенному покрову и рельефу участков поля для закладки семенных посевов. Анализируя результаты снимков, можно выявить участки с невыравненностью почвенного покрова и соответственно низким коэффициентом кущения, и неравномерной густотой стояния растений на площади. На участке 5,27 га с южной и юго-западной стороны поля отмечена высокая изрежённость посева, где NDVI составил 0, а с северо-восточной и восточной части, изрежённость около 20%, соответственно NDVI – 0,22.
Нами установлено, что от агротехнического состояния участков зависела спектральная яркость посевов в течение вегетационного периода, а по тону изображения посевов изменялся и NDVI (рис.2).
Рисунок 2. Спектральная яркость посевов на участке 53:16:0031701:46
По результатам аэросъемки полей установлено, что исследуемые поля имели пространственную неоднородность, что объясняется невыровненностью рельефа участка, агрохимическими показателями почвы и, соответственно, неравномерностью развития растений в границах одного участка.
Установлено, что в посевах зерновых культур численность сорных растений и их видовое разнообразие связаны с технологией возделывания, метео- и агроландшафтными условиями. На посевах озимой пшеницы в хозяйстве хорошо разработана интегрированная система защиты растений, и численность сорных растений в весенний период была незначительная, так как в мае месяце преобладала сухая и холодная погода. Интегрированная система защиты от сорных растений, вредителей и болезней строилась с учетом экономического порога их вредоносности.
Для прогноза урожайности результатов ДЗЗ не достаточно, поэтому в своих исследованиях мы изучали влияние густоты стояния растений по фазам развития, фотосинтетическую продуктивность посевов, содержание хлорофилла в растениях озимой пшеницы и их взаимозависимость между элементами продуктивности и NDVI. Элементы продуктивности – это генотипический признак, заложенный в сорте; условия выращивания оказывают существенное влияние на рост и развитие растений по фазам развития.
Установлено, что осенью растения в фазу кущения образовали побеги в основном третьего порядка кущения, из которых формировались продуктивные побеги. Для озимой пшеницы характерно слабое весеннее кущение и формирование побегов первого порядка кущения (таблица 1). В период весеннего отрастания корневая система растений озимой пшеницы использует влагу из нижележащих горизонтов почвы. Поэтому благоприятные условия для весенне-летнего развития оказывали влияние на интенсивность формирования продуктивных побегов.
Таблица 1. Густота стояния растений озимой пшеницы сорта Московская 39, шт./м2(среднее за 2022 и 2023гг.)
| Участки | Фазы развития | ||||
| Кущение | Выход в трубку | Колошение | Полная спелость зерна | ||
| осеннее | весеннее | ||||
| 53:16:0031701:46 | 498,6 | 369,8 | 347,3 | 326,9 | 310,2 |
| 53:16:0031701:47 | 448,8 | 332,3 | 328,4 | 314,2 | 309,1 |
Густота стояния растений в фазу кущения зависела от погодных условий в весенний период. Количество растений в фазу колошения варьировало от 314,2 до 326,9 шт./м2, а в фазу полной спелости зерна произошло незначительное уменьшение густоты стеблестоя.
В фазу начала колошения на главном побеге сформировалось в среднем 7,5 листьев, что составило 78,7% от общей площади листьев. Площадь листьев оказывала влияние на продуктивность растений озимой пшеницы. К концу фазы колошения по мере роста побегов в высоту в нижней их части происходило отмирание листьев, а новые практически не образовывались в верхней части. В фазу полной спелости зерна на участке 53:16:0031701:46 сформировалось 747,6 побегов, из них 624,4 – продуктивные, что почти в два раза выше, чем на участке 53:16:0031701:47 при одинаковой густоте стояния растений.
Решающим фактором при формировании продуктивности посевов и фотосинтеза является площадь листовой ассимилирующей поверхности, которая зависит от количества листьев и их величины. Кроме того, фотосинтетическая деятельность зависела от морфологических особенностей растений, условий внешней среды, выравненности поля и угла склона участка (рис. 3).
Рисунок 3. Динамика формирования площади листовой поверхности на 1 растение, см2
Чем выше ассимиляционная поверхность, тем ниже интенсивность и продуктивность фотосинтеза. Площадь листьев одного растения в фазу кущения в зависимости от участка изменялась от 37,8 до 40,4 см2. Также отмечено, что при незначительном снижении густоты стояния растений озимой пшеницы по фазам развития, происходило увеличение площади листьев, и в фазу колошения она составила 67,5 см2.
При увеличении площади листьев от 30 до 40 тыс. м2/га происходит интенсивное поглощение солнечной энергии. Нами установлено, что в фазу выхода в трубку у растений озимой пшеницы происходила дифференциация конуса нарастания и закладывались колосовые бугорки, что способствовало образованию большого числа колосков и соответственно, зёрен в колосе. Основой продукционного процесса является фотосинтез, а фотосинтез может быть оценен по данным ДЗЗ.
Установлено, что содержание хлорофилла оказывает влияние на фотосинтетическую продуктивность растений и, соответственно, на их продукционный процесс. С помощью оптических характеристик посевов определяли содержания азота в растениях, так как содержание хлорофилла отражается в красной области (рис. 4).
Рисунок 4. Содержание хлорофилла в растениях озимой пшеницы по данным ДЗЗ
При изучении динамики формирования азота в растениях озимой пшеницы установлено, что максимальное содержание отмечено в начале вегетации, и по мере снижения облиственности побегов данный показатель снижается в два раза, что подтверждается изменением NDVI (таблица 2).
Таблица 2. Динамика содержания хлорофилла в растениях озимой пшеницы с вегетационным индексом, мг/дм2
| Участки | Кущение | Выход в трубку | Колошение | Полная спелость зерна | NDVI |
| 1 | 2,32 | 2,18 | 1,58 | 0,82 | 0,19 |
| 2 | 2,99 | 2,76 | 1,66 | 1,18 | 0,29 |
| 3 | 3,15 | 2,98 | 2,75 | 1,76 | 0,37 |
| 4 | 2,61 | 2,42 | 2,02 | 1,09 | 0,23 |
| 5 | 2,44 | 2,21 | 1,44 | 0,88 | 0,20 |
В фазу кущения основными фотосинтезирующими органами были хорошо облиственные побеги. По мере роста и развития растений озимой пшеницы в фотосинтезе участвовали генеративные органы (стебли и колосья), что способствовало увеличению урожайности за счёт содержания в них хлорофилла. Установлена высокая и устойчивая взаимосвязь между содержанием хлорофилла в растениях озимой пшеницы и NDVI.
Постепенное снижение фотосинтетической активности посевов озимой пшеницы в фазу полной спелости зерна связано с отражением света стеблей и колосьев в красной области спектра и уменьшением в инфракрасной области спектра (таблица 3).
Таблица 3. Взаимосвязь элементов семенной продуктивности озимой пшеницы с NDVI
| Участки | Длина колоса, см | Число колосков в колосе, шт. | Число зерен в колосе, шт. | Масса зерна с колоса, г | Урожайность, ц/га | Значение NDVI в фазе полной спелости |
| 1 | 8,3 | 10,6 | 32,0 | 1,71 | 21,6 | 0,18 |
| 2 | 8,7 | 11,5 | 34,6 | 1,65 | 16,0 | 0,26 |
| 3 | 7,9 | 9,3 | 27,9 | 1,83 | 18,5 | 0,35 |
| 4 | 9,4 | 12,1 | 36,4 | 1,64 | 17,6 | 0,27 |
| 5 | 8,8 | 11,6 | 34,8 | 1,66 | 15,6 | 0,22 |
При анализе семенной продуктивности растений озимой пшеницы нами установлено, что на участке 3 отмечено максимальное кущение и на загущенных посевах сформировались растения с коротким колосом с минимальным количеством колосков в колосе. В колосе сформировалось выровненное крупное зерно и соответственно высокая урожайность.
Обсуждение
Отсутствие единых подходов во времени определения вегетационных индексов вынуждает определять их несколько раз в разные фенофазы (рис. 3, таблица 2) для обеспечения высокой информативности показателя.
При анализе результатов снимков (рис. 1, 2, 4) выявлены участки с невыравненностью почвенного покрова (плодородия) и соответственно с низким кущением. Эти обстоятельства отражены и у других авторов.
На урожайность зерна (таблица 3) оказывает влияние общая и продуктивная кустистость на единице площади, выравненность почвенного покрова по плодородию и внесение минеральных удобрений, аналогичные результаты получены авторами.
Сравнивая показатели соотношения NDVI и семенной продуктивности растений, в данном случае озимой пшеницы, установлено, что для пробной площади №5 низкое значение NDVI связано с количеством растений перед уборкой. Низкая точность индекса NDVI в данном случае может быть связана еще и с засоренностью посевов, а также разной фазой вегетации на отдельных участках.
Выводы
Для оценки состояния и степени развития посевов озимой пшеницы в период весеннего кущения, когда высота растений достигает высоты 10 - 12 см, в производственных условиях необходимо использовать данные ДЗЗ и тканевую диагностику для своевременной подкормки посевов. Высокая урожайность зерна у растений озимой пшеницы получена при густоте стояния растений 420-450 шт./м2. Выравненность посевов в начале вегетации повышает содержание хлорофилла в растениях, ассимиляционную поверхность, продуктивность посевов и NDVI полей. Спектральная информация посевов отражает данные почвенной карты с зонами почвенного плодородия, рельефом, гидрологическими условиями для разработки соответствующих агротехнических мероприятий на конкретной территории. Исследование дает основание утверждать о возможности достоверного прогноза урожайности пшеницы на основе значений NDVI.
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Автор статьи: Абдушаева Я. М., доктор биологических наук, профессор, Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
Опубликовано в журнале «АгроЭкоИнженерия», 2024