Seasonal dynamics of production of agrocoenosisesof the South of the Minusinsk hollow.pdf Для оптимизации мониторинга агроценозов важ-нейшее значение приобретают спутниковые методы. Снимки Modis широко используются для исследования сельскохозяйственных земель [1-3], в частности для построения кривой сезонного хода вегетационного ин-декса. По отклонениям данного индекса от нормы можно судить о процессах, происходящих в раститель-ности. Главные проблемы дистанционного зондирова-ния агроценозов на территории Минусинской котло-вины сопряжены с тем, что вопросы совместного ис-пользования наземных и спутниковых данных по ди-намике агроценозов изучены недостаточно. В связи с этим была поставлена цель - сопоставить данные веге-тационного индекса для агроценозов на территории юга Минусинской котловины за вегетационный период 2006 г. с динамикой надземной сырой фитомассы куль-турных сообществ, полученных в ходе наземных ис-следований.Объект и методика исследованийВ качестве объекта исследования были выбраны по-севы овса, пшеницы и гречихи на территории Мину-синской котловины. Территория характеризуется не-большим плодородием малогумусных черноземов и каштановых почв, среднегодовым количеством осадков 150-300 мм, суровой бесснежной зимой (среднегодовая температура до -1…-6°С), коротким жарким летом, сильными ветрами в зимне-весенний период. В сред-нем с одного гектара получают до 0,5-0,9 т зерна, при-чем урожайность колеблется в зависимости от увлаж-нения [4].Для исследования были заложены два тестовых участка. Тестовый участок 1 относится к Алтайскому холмисто-степному району Койбальского округа, в пределах Южно-Минусинской впадины, занимая се-верную часть междуречья Абакана и Енисея. Сумма среднесуточных температур воздуха выше 10°С -1800-2000°С. Сумма осадков за май-июль - 170-210 мм [5]. Тестовый участок 2 находился на правобе-режье Енисея, в Минусинской провинции, в пределах Шушенского лесостепного округа. Сельскохозяйствен-ная освоенность территории округа высокая. Сумма среднесуточных температур воздуха выше 10°С -1700-1800°С. Сумма осадков за май-июль - 170-220 мм [5]. В течение вегетационного сезона были про-ведены наземные исследования динамики агроценозов в пределах площадок размерами 3×3 пикселя на спут-никовом изображении (0,7 га) для небольших участков, например залежь после сенокошения 2×2 пикселя (0,3 га). Координаты участков растительности, где от-бирались пробы, фиксировались GPS-приемником.В работе использовали значения вегетационного индекса, вычисленные по снимкам Terra Modis за веге-тационный сезон 2006 г., в даты, ближайшие к датам наземных наблюдений. Оценка состояния агроценозов проводилась по спектральным индексам [6]. Для оцен-ки фотосинтетически активной биомассы и использо-вали вегетационный индекс (NDVI - Normalized Difference Vegetation Index), рассчитанный по формулеNIR-RED , NDVI=NIR+REDгде NIR - отражение в ближней инфракрасной областиспектра; RED - отражение в красной области спектра.Обработка снимков и вычисление индекса проводи-лись в программе ENVI 4.0. И.Ю. Пугачевой [7]. На основании контуров тестовых участков 1 и 2 были построены графики динамики NDVI за 2006 г.Учет динамики надземной фитомассы в посевах сельскохозяйственных культур, проводился по стан-дартной методике Ф.И. Левина [8] в пятикратной по-вторности. Укосы с площадок разбирали по агрогруп-пам: масса генеративных органов, масса побегов и ли-стьев культурных растений, масса сорных растений и опад, включающий ветошь и мортмассу [9, 10]. Агро-группы взвешивали в сыром и в сухом (потеря 80% массы) виде, данные переводили в ц/га. Одновременно проводили измерения общего проективного покрытия: ОПП (%) травостоя определяли с помощью сетки раз-мерами 50×50 см с ячейками по 10×10 см по методике Л.Г. Раменского [10], фазы онтогенеза культурных рас-тений [11] и аспекта [10].Результаты исследованийВ 2006 г. на территории Алтайского района обсле-довано 3 агроценоза овса, наряду с данными по дина-мике фитомассы исследовались особенности водного режима и пигментного состава растений овса.Агроценоз овса (контур 1) во вторую декаду июня имел проективное покрытие 5-7% (всходы) из-за низких температур в осенний период и более поздних сроков сева. Аспект агроценоза овса (контур 1) изменялся от сизо-зеленого (фаза кущения) и зеленого (фаза выметывания), через зелено-желтый (фаза налива) к желтому (фаза созре-вания) цвету. Общая сырая фитомасса увеличивалась за вегетационный сезон с 35,9 до 91,2 ц/га (рис. 1).Появление генеративных органов у растений отме-чено в середине июля. Сухая генеративная масса соста-вила 17,1 ц/га, в то время как в 2005 г. среднее значе-ние данного показателя не превышало 10 ц/га.В конце июля NDVI посева овса (контур 1) дости-гал наибольшего значения (0,72) и к сентябрю снижал-ся до 0,53 (рис. 2). Агроценоз овса в середине июля354имел общую массу 73,7 ц/га, находился на стадии выметывания и имел зеленый аспект. В сентябре, несмотря на увеличение фитомассы, NDVI снижался за счет изменения аспекта посева.150 7CZI масса генеративных органов EZ вегетативная массаCZI масса сорных растенийCZ1 ветонь и мортмасса-*-общая фитомасса1.00 0.80> 0.60Оz 0.400.200.00Рис. 1. Динамика сырой фитомассы посева овса (контур 1)п 790.57П К50 53 I 0.37 12.06. 25.06. 29.07. 15.08. 07.09.Рис. 2. Динамика NDVI агроценоза овса (контур 1)В формирование фитомассы агроценозов вносит вклад сорная растительность. Так, в контуре 1 было отмечено массовое и очаговое засорение, в частности Sonchus arvensis L. Сырая надземная масса сорных растений в 6-7 раз превышала массу культурных растений, наибольшей сырой фитомассы (186,5 ц/га) сорные растения достигали в первой декаде августа. В июле очаги засорения можно различить по большему ВИ, при этом аспект засоренных Sonchus arvensis L. участков в период цветения изменялся с зеленого на желтый.Для агроценоза овса (контур 3) наблюдали несколько иную смену аспектов - от сизо-зеленого (фаза кущения) и зеленого (фаза выметывания) к зелено-желтому цвету (фаза налива). С третьей декады июня по вторую декаду июля общая сырая фитомасса увеличилась с 32,4 до 75,2 ц/га, затем постепенно снизилась до 60,3 ц/га (рис. 3).1.00 -, 0.80 S 0.600.84вующее значение общей массы составило 76,2 ц/га. К сентябрю NDVI снижался до 0,58, в этот период фитомасса достигала 60,3 ц/га (рис. 4).0.820.580.500.40 0.20 0.00 -I0.29=а07.09.12.06. 25.06. 29.07. 15.08.Рис. 4. Динамика NDVI агроценоза овса (контур 3)Таким образом, в Алтайском районе NDVI посевов овса достигал максимальных значений к концу июля, что в целом коррелировало с динамикой фитомассы и аспектом фитоценозов, наибольшие значения NDVI были отмечены для контура 3. Для овса было характерно изменение аспекта от сизо-зеленого (фазы всходов и кущения), через зеленый (фазы выхода в трубку и выметывания), желто-зеленый (фазы формирования и налива зерна) к желтому цвету (фаза созревания). При значительной засоренности посевов (свыше 40%) сорная растительность вносила свой аспект в общий цветовой фон. Наибольшие различия в аспектах сорных и культурных растений наблюдали в фазу молочной спелости, т.к. в этот период зерновые культуры приобретают желтую окраску, а сорняки остаются зелеными. Максимальной массы сорные растения достигали в августе-сентябре.В Минусинском районе за вегетационный период 2006 г. было обследовано 5 агроценозов пшеницы.Рассмотрим подробнее динамику сырой надземной фитомассы агроценоза пшеницы (контур 1). В середине июня 2006 г. растения пшеницы находились только на стадии всходов, ОНИ в этот период составило всего 0,5-1,5%. К сентябрю данный показатель составил 55-65%. Аспект пшеницы изменялся от зеленого во второй декаде июня (фаза всходы), через зеленый с желтым оттенком во второй декаде августа (фаза налива) и желтого с зеленым оттенком в начале сентября (фаза созревания). Общая сырая фитомасса посева пшеницы (контур 1) нарастала с первой до второй декады июля в 2,4 раза, достигая 99,6 и/та, и в дальнейшем снижаясь до 54 ц/га (рис. 5).3 вегетативная масса 1ветонь и мортмассаI масса генеративных органов И масса сорных растений -общая фитомассаРис. 3. Динамика сырой фитомассы посева овса (контур 3)Посев овса (контур 3) имел наибольшее значение NDVI (0,84) в конце июля, в середине июля соответст-14.06.02.07.19.0I вегетативная масса 1 ветоиь и мортмасса■ масса генеративных органов И масса сорных растений - общая фитомассаРис. 5. Динамика сырой фитомассы посева пшеницы (контур 1)В то же время, начиная со второй декады июня и до третьей декады июля, NDVI возрастал с 0,31 до 0,78 и постепенно снижался к первой декаде сентября (рис. 6).3551.00 0.80> 0.60ОZ 0.400.200.000.780.61 тт0.54 П 41 - 12.06.04.07.30.07.07.09.21.08.Рис. 6. Динамика NDVI агроценоза пшеницы (контур 1)Для сравнения: агроценоз пшеницы (контур 2) показал в середине июня наличие сырой фитомассы - 16,8 ц/га (рис. 7). В этот период данным по сырой фитомассе соответствовало более высокое, по сравнению с контуром 1, проективное покрытие - 40-50% с максимальным значением во второй декаде июля. Аспект пшеницы изменялся от зеленого в июне - начале июля (фаза кущения и начало колошения), через желто-зеленый во второй декаде июля (фаза налива) до желтого в августе-сентябре (фаза созревание) цвета.Агроценоз пшеницы (контур 2) в начале наблюдения, в отличие от контура 1, имел значительную сырую фитомассу - 16,8 и/та, что нашло отражение в динамике NDVI. В данный период показатели NDVI составили в контурах 2 и 1 0,40 и 0,31 (рис. 7, 8).1 масса генеративных органов : масса сорных растений -общая фитомассаРис. 7. Динамика сырой фитомассы посева пшеницы (контур 2)0.62 i10.58о0.40 1 1_0.20 0.00 - 12.06.04.07.30.07. 21.08. 07.09.Рис. 8. Динамика NDVI агроценоза пшеницы (контур 2)Общая сырая фитомасса посева пшеницы (контур 2) увеличивалась с 16,8 до 90,1 ц/га во вторую декаду июля и снижалась до 64,8 ц/га к сентябрю.Таким образом, контур 1 имел наибольшие значения NDVI (0,78) и отличался более интенсивным увеличением ВИ в июле, чем контур 2. Спутниковые данные подтвердили наземную информацию о том, что в июне контур 2 имел большую фитомассу, чем контур 1.Агроценоз пшеницы (контур 5) представлен посевом на зеленую массу. В состав данного сообщества входила пшеница и Panicum dichotomiflorum Michx. (просо ветвисто-метельчатое). Общая сырая масса посева нарастала с первой декады июля (21,6 ц/га) по4Ж 50вторую декаду августа (52,4 ц/га) и незначительно снижалась к сентябрю (рис. 9).52.421.6 8-3tTTT 203 10.8 1-1 гЛ18 5.5 Г"Ьп54.1.823.5D вегетативная масса 1 ветоиъ и мортмасса1 масса генеративных органов п масса сорных растений -общая фитомассаРис. 9. Динамика сырой фитомассы посева пшеницы на зеленую массу (контур 5)NDVI данного агроценоза возрастал с середины июня (0,43) до второй декады июля (0,73) и несколько снижался к сентябрю (0,65) (рис. 10).0.730.690.650.650.55X0.431.00 0.80 0.60 0.40 -0.20 -0.0014.06. 04.07. 21.07. 27.07. 21.08. 07.09.Рис. 10. Динамика NDVI агроценоза пшеницы на зеленую массу (контур 5)Panicum dichotomiflorum Michx. во время плодоношения (конец июля - начало сентября) характеризовался коричневато-зеленым аспектом. В начале сентября NDVI имел более высокое значение по сравнению с остальными контурами пшеницы, что связано с 01111 посева и его аспектом.В 2006 г. наблюдали задержку в развитии зерновых культур из-за неблагоприятных агрометеорологических условий (заморозки). В начале вегетационного сезона сырая фитомасса пшеницы была больше фитомассы овса в 2-3 раза. К третьей декаде июля фитомасса овса увеличивалась и различия с пшеницей по фитомассе уменьшались. При этом наблюдали различие в аспектах: у овса зеленый, а у пшеницы - желтовато-зеленый. Для зерновых культур в июне-июле преобладала масса вегетативных органов, со второй декады июля происходило формирование генеративной массы, и в дальнейшем данный показатель увеличивался вплоть до преобладания над другими агрогруппами.В Минусинском районе посев гречихи (контур 7) в середине июня был представлен всходами. С середины июня до середины июля отмечено быстрое увеличение общего проективного покрытия до 95-100% и снижение показателя к сентябрю за счет опадения листьев (78-86%), поэтому опад в данном посеве составил 22,6 ц/га.Аспект гречихи в течение вегетационного периода изменялся - с зеленого на начало бутонизации, через беловато-зеленый в период массового цветения, до красновато-бурого цвета на стадии созревания урожая.356m250ffl200I150&100Q-S50С первой декады июля общая сырая фитомасса увеличивалась с 56,5 до 256,7 ц/га ко второй декаде июля, к сентябрю отмечалось снижение до 82,8 ц/га (рис. 11).256.7550.6I/ 56.5 / ^V 98.582.853.6 д/ 0./1.9 1 Ц1 i^ 29.51К£Л1 вегетативная масса ■ ветошь и мортмасса1 масса генеративных органов 3 масса сорных растений - общая фитомассаРис. 11. Динамика сырой фитомассы посева гречихи (контур 7)Посев гречихи (контур 7) в середине июня представлен всходами и имел NDVI=0,39, в конце июля NDVI достигал максимального значения 0,77 и к сентябрю снижался до 0,57 (рис. 12). Быстрый прирост гречихи в начале июля наблюдали и в динамике вегетационного индекса.1.00 -I0.77UJb!0L57 pi0.20 -0.00 ■т- 14.06 04.07 30.07 21.08 07.09 Рис. 12. Динамика NDVI агроценоза гречихи (контур 7)Пропашные культуры отличаются от прочих более поздними сроками посадки и значительно большей надземной фитомассой, а также различием в аспектах.В результате анализа полученных данных были сделаны следующие выводы:1..Показана возможность изучения состояния растительности посевов овса, пшеницы, гречихи и костре-цовых залежей по спектральным характеристикам спутниковых изображений Modis (в течение вегетационного сезона) в семиаридных условиях Минусинской котловины.2..Предложены оптимальные стадии для анализа состояния агроценозов космической съемки на территории тестовых участков Минусинской котловины: а) стадия интенсивного кущения - выход в трубку посевов; б) стадия массового развития генеративных органов; в) стадия созревания.3..Сорная растительность, накапливающая большую фитомассу, влияет на значения спектральных характеристик, в частности повышая значения вегетационного индекса. Например, для агроценоза, состоящего из пшеницы и Panicum dichotomiflorum Michx., в сентябре были получены более высокие значения индексов по сравнению с остальными посевами пшеницы.4..Показаны количественные различия по спутниковым и наземным данным в параметрах состояния в различных типах агроценозов. Например, сходные максимальные значения NDVI в июле (0,77-0,78) соответствуют посевам с различной продуктивностью сырой надземной фитомассы - 256,7 ц/га (гречиха), 99,6 ц/га (пшеница).5.Показано, что для правильной интерпретации спутниковой информации необходимо учитывать экологические условия вегетационного сезона, сроки прохождения фаз развития культурными растениями и особенности динамики прироста надземной фитомассы агроценозов, поскольку одинаковые культуры могут иметь различный аспект в разные фазы онтогенеза, а скорость смены фено-фаз зависит от экологических условий.Такой комплексный подход к интерпретации спутниковых данных при мониторинге агроценозов позволяет объяснить отдельные элементы кривой сезонного хода вегетационной кривой.

Скачать электронную версию публикации