Сезонная Динамика продуктивности агроценозов юга Минусинской котловины

Е.Ю. Жукова, А.П. Шевырногов, В.М. Жукова, Т.М. Зоркина, И.Ю. Пугачева

СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ПРОДУКТИВНОСТИ АГРОЦЕНОЗОВ ЮГА МИНУСИНСКОЙ КОТЛОВИНЫ

Представлены результаты сопоставления данных вегетационного индекса (КЭУ1) сельскохозяйственных культур и надземной растительной массы в пределах двух тестовых участков Минусинской котловины за вегетационный сезон 2006 г.

Ключевые слова: продуктивность агроценозов; Минусинская котловина.

Для оптимизации мониторинга агроценозов важнейшее значение приобретают спутниковые методы. Снимки МоШб широко используются для исследования сельскохозяйственных земель [1-3], в частности для построения кривой сезонного хода вегетационного индекса. По отклонениям данного индекса от нормы можно судить о процессах, происходящих в растительности. Главные проблемы дистанционного зондирования агроценозов на территории Минусинской котловины сопряжены с тем, что вопросы совместного использования наземных и спутниковых данных по динамике агроценозов изучены недостаточно. В связи с этим была поставлена цель - сопоставить данные вегетационного индекса для агроценозов на территории юга Минусинской котловины за вегетационный период 2006 г. с динамикой надземной сырой фитомассы культурных сообществ, полученных в ходе наземных исследований.

Объект и методика исследований

В качестве объекта исследования были выбраны посевы овса, пшеницы и гречихи на территории Минусинской котловины. Территория характеризуется небольшим 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 среднем с одного гектара получают до 0,5-0,9 т зерна, причем урожайность колеблется в зависимости от увлажнения [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 северную часть междуречья Абакана и Енисея. Сумма среднесуточных температур воздуха выше 10°С -1800-2000°С. Сумма осадков за май-июль - 170210 мм [5]. Тестовый участок 2 находился на правобережье Енисея, в Минусинской провинции, в пределах Шушенского лесостепного округа. Сельскохозяйственная освоенность территории округа высокая. Сумма среднесуточных температур воздуха выше 10°С -1700-1800°С. Сумма осадков за май-июль - 170220 мм [5]. В течение вегетационного сезона были проведены наземные исследования динамики агроценозов в пределах площадок размерами 3*3 пикселя на спутниковом изображении (0,7 га) для небольших участков, например залежь после сенокошения 2*2 пикселя (0,3 га). Координаты участков растительности, где отбирались пробы, фиксировались вР8-приемником.

NDVI =-

В работе использовали значения вегетационного индекса, вычисленные по снимкам Terra Modis за вегетационный сезон 2006 г., в даты, ближайшие к датам наземных наблюдений. Оценка состояния агроценозов проводилась по спектральным индексам [6]. Для оценки фотосинтетически активной биомассы и использовали вегетационный индекс (NDVI - Normalized Difference Vegetation Index), рассчитанный по формуле

NIR - RED,

NIR + RED’

где NIR - отражение в ближней инфракрасной области спектра; RED - отражение в красной области спектра.

Обработка снимков и вычисление индекса проводились 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 стандартной методике Ф.И. Левина [8] в пятикратной повторности. Укосы с площадок разбирали по агрогруппам: масса генеративных органов, масса побегов и листьев культурных растений, масса сорных растений и опад, включающий ветошь и мортмассу [9, 10]. Агрогруппы 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 размерами 50^50 см с ячейками по 10*10 см по методике Л.Г. Раменского [10], фазы онтогенеза культурных растений [11] и аспекта [10].

Результаты исследований

В 2006 г. на территории Алтайского района обследовано 3 агроценоза овса, наряду с данными по динамике 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 сизозеленого (фаза кущения) и зеленого (фаза выметывания), через зелено-желтый (фаза налива) к желтому (фаза созревания) цвету. Общая сырая фитомасса увеличивалась за вегетационный сезон с 35,9 до 91,2 ц/га (рис. 1).

Появление генеративных органов у растений отмечено в середине июля. Сухая генеративная масса составила 17,1 ц/га, в то время как в 2005 г. среднее значение данного показателя не превышало 10 ц/га.

В конце июля NDVI посева овса (контур 1) достигал наибольшего значения (0,72) и к сентябрю снижался до 0,53 (рис. 2). Агроценоз овса в середине июля

имел общую массу 73,7 ц/га, находился на стадии выметывания и имел зеленый аспект. В сентябре, несмотря на увеличение фитомассы, МБУ1 снижался за счет изменения аспекта посева.

масса генеративных органов 22 вегетативная масса  масса сорных растений ПП ветошь и мортмасса общая фитомасса

Рис. 1. Динамика сырой фитомассы посева овса

1.00

0.80

> 0.60 О

2 0.40 0.20 0.00

0 72

0.57 0.65 0.53

0.37

12.06.

25.06.

29.07.

15.08.

07.09.

3 масса генеративных органов 3 масса сорных растений -общая фитомасса

3 вегетативная масса 3 ветошь и мортмасса

Рис. 3. Динамика сырой фитомассы посева овса

Посев овса (контур 3) имел наибольшее значение МЭУТ (0,84) в конце июля, в середине июля соответст-

вующее значение общей массы составило 76,2 ц/га. К сентябрю МЭУ1 снижался до 0,58, в этот период фитомасса достигала 60,3 ц/га (рис. 4).

1.00 0.80 > 0.60

2 0.40 0.20 0.00

0.84

0.50

0.29

0.82

0.58

12.06.

25.06.

29.07.

15.08.

07.09.

Рис. 2. Динамика КЭУ1 агроценоза овса

В формирование фитомассы агроценозов вносит вклад сорная растительность. Так, в контуре 1 было отмечено массовое и очаговое засорение, в частности ^опскиз агувтг^' Ь. Сырая надземная масса сорных растений в 67 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 8опскш' агувтг^' Ь. 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 зеленожелтому 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).

Рис. 4. Динамика КЭУ1 агроценоза овса

Таким образом, в Алтайском районе МЭУ1 посевов овса достигал максимальных значений к концу июля, что в целом коррелировало с динамикой фитомассы и аспектом фитоценозов, наибольшие значения МЭУ1 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, ОПП в этот период составило всего 0,5—1,5%. К сентябрю данный показатель составил 5565%. 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 ц/га, и в дальнейшем снижаясь до 54 ц/га (рис. 5).

99.6

41.2 / 1 79.24 ' ^ 62.1 54

"І,, 6.4 I 7 4 6.62 26.6 « «19.9 Гй^2

14.06. і і масса ге і і масса со 02.07. неративных о оных растени 19.07. эганов Г7Э й і 1 13.08. вегетативная зетошь и мор 07.09. масса масса

Рис. 5. Динамика сырой фитомассы посева пшеницы

В то же время, начиная со второй декады июня и до третьей декады июля, МЭУ1 возрастал с 0,31 до 0,78 и постепенно снижался к первой декаде сентября (рис. 6).

50

0

1.00 -0.80 -

> 0.60 -

г 0.40 -

0.20 -0.00 -

Рис. 6. Динамика N0'! агроценоза пшеницы

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 - 4050% 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 ц/га, что нашло отражение в динамике N0'VI. В данный период показатели N0' составили в контурах 2 и 1 0,40 и 0,31 (рис. 7, 8).

150.0

*

§ 100.0

I

0

1

к 50.0

И

.й

о

0.0

Рис. 7. Динамика сырой фитомассы посева пшеницы

1.00 -0.80 -

> 0.60 -

О

2 0.40 -0.20 -0.00 -

Рис. 8. Динамика N0'! агроценоза пшеницы

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 N0'! (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) по

0.62 1 —і—, 0.58

0.40 1 г-1—

12.06. 04.07. 30.07. 21.08. 07.09.

і і масса генеративных органов вегетативная масса і і масса сорных растений і і ветошь и мортмасса

л общая фитомасса

0.78

0.61 т 0.54

0.31 —

1206. 04.07. 3007. 21 08. 07.09.

вторую декаду августа (52,4 ц/га) и незначительно снижалась к сентябрю (рис. 9).

14.06. 02.07. 19.07. 13.08. 07.09.

I I масса генеративных органов т вегетативная масса | I масса сорных растений I I ветошь и мортмасса

* общая фитомасса

Рис. 9. Динамика сырой фитомассы посева пшеницы на зеленую массу

N0'! данного агроценоза возрастал с середины июня (0,43) до второй декады июля (0,73) и несколько снижался к сентябрю (0,65) (рис. 10).

Рис. 10. Динамика N0'! агроценоза пшеницы на зеленую массу

Panicum dichotomiflorum Michx. во время плодоношения (конец июля - начало сентября) характеризовался коричневато-зеленым аспектом. В начале сентября N0'! имел более высокое значение по сравнению с остальными контурами пшеницы, что связано с ОПП 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 (7886%), 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.

1. Показана возможность изучения состояния растительности посевов овса, пшеницы, гречихи и кострецовых 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 фенофаз зависит от экологических условий.

Такой комплексный подход к интерпретации спутниковых данных при мониторинге агроценозов позволяет объяснить отдельные элементы кривой сезонного хода вегетационной кривой.

ЛИТЕРАТУРА

1. Созинов А.А. Агросфера как объект целевого исследования с помощью ДЗЗ и ГИС для улучшения управления территориальным развитием и

сохранения природного разнообразия // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. Сер. География. 2004. Т. 17 (56), № 2. С. 72-87.

2. Барталев С.А. Классификация некоторых типов сельскохозяйственных посевов в южных регионах России по спутниковым данным Modis //

Исследование Земли из космоса. 2006. № 3. С. 68-75.

3. ПовхВ.И. Космический мониторинг сельскохозяйственных угодий Ростовской области // Исследование Земли из космоса. 2006. № 3. С. 89-96.

4. Савостьянов В. К. Решая задачи эффективного и экологически безопасного ведения сельскохозяйственного производства в аридной зоне

Алтае-Саянского экорегиона. Абакан: Март, 2007. 36-37 с.

5. Лысанова Г.И. Ландшафтный анализ агроприродного потенциала геосистем / Под ред. Ю.М. Семенова. Иркутск: Изд-во Ин-та географии

СО РАН, 2001. 187 с.

6. Chen D. Vegetation water content estimation for corn and soybeans using spectral indices derived from MODIS near- and short-wave infrared bands //

Remote Sensing of Environment. 2005. Vol. 98. P. 225-236.

7. Пугачева И.Ю. Мониторинг состояния посевов сельскохозяйственных культур по динамике вегетационного индекса // Решетневские чтения:

Материалы XI Междунар. науч. конф., посв. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева / Под ред. И.В. Ковалева. Красноярск: Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т, 2007. С. 94.

8. Родин Л.Е. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах. Л.: Наука, 1968. 143 с.

9. Словарь-справочник по агрофитоценологии и луговедению / А.М. Гродзинский, Ю.А. Злобин, В.М. Миркин, Л.Г. Наумова; Под ред.

А.М. Гродзинского, Ю.Р. Шеляг-Сосонко. Киев: Наукова думка, 1991. 136 с.

10. Вавилов П.П. Практикум по растениеводству. М.: Колос, 1983. 352 с.

11. Зоркина Т.М. Фитоценология: Учеб.-метод. пособие для студентов. Абакан: Изд-во Хакас. гос. ун-та, 2003. 48 с.

Статья представлена научной редакцией «Биология» 20 февраля 2009 г.

С 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).

Э масса генеративных органов  масса сорных растений — общая фитомасса

1 вегетативная масса  ветошь и мортмасса

Рис. 11. Динамика сырой фитомассы посева гречихи

Посев гречихи (контур 7) в середине июня представлен всходами и имел N'=0,39, в конце июля N'1 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.

Рис. 12. Динамика КЭУ1 агроценоза гречихи

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:

14.06

2.07

13.08

7.09