Спосіб дистанційного визначення вмісту хлорофілу в листках монокультури рослин

Винахід відноситься до сільського господарства та екології, зокрема, для розпізнавання стану рослин по рівню вмісту хлорофілу у листках рослин: виявлення хлорозів, викликаними різними стресовими умовами такими як техногенні забруднення навколишнього середовища, дефіцит мінерального живлення і вологи, хвороби, а також для визначення строків дозрівання та збирання врожаю. Може бути використаний для отримання експресінформації про стан посівів сільськогосподарських культур на великих площах з метою прийняття оперативних заходів по догляду за ними. Відомий спосіб дистанційного визначення хлорофілу, де в якості спектральної характеристики використаний так званий "коефіцієнт форми", обраний нами як прототип. Згідно цього способу вимірювання еталону виключають а реєструють лише спектральний розподіл відбитого від посіву світла в діапазоні 700 - 730 нм, обчислюють кількісний параметр форми спектральної кривої, так званий коефіцієнт форми по формулі: де - функція, що описує спектральний розподіл Інтенсивності світлового потоку в Інтервалі довжин хвиль 700 - 730 нм, І по величині коефіцієнту (КФ) за допомогою рівняння регресії визначають вміст хлорофілу в листках. Однак цей спосіб придатний тільки для вимірювання хлорофілу в рослинах посівів, що утворюють зімкнутий покрив і не можуть бути використані для вимірювання в зріджених посівах з неповним покриттям грунту рослинністю. Завданням, на вирішення якого спрямований винахід, являється створення способу визначення вмісту хлорофілу у листках монокультури рослин різного рівня зрідженості посівів (як з повним так і не повним покриттям грунту рослинністю. Вирішення поставленого завдання досягається тим, що у способі дистанційного визначення вмісту хлорофілу в листках монокультури рослин вимірюється спектральна характеристика відбиття світла від рослинного покриву з наступним визначенням вмісту хлорофілу по рівнянню регресії, причому, на відміну від прототипу вимірюють нечутливу до вкладу відбиття світла від грунту спектральну характеристику, що являє собою величину відношення значень першої похідної в довгохвильовому та короткохвильовому максимумах (І дов./І кор.) графіка першої похідної спектрального розподілу Інтенсивності відбитого вверх від посіву світлового потоку у діапазоні довжин хвиль 670 - 730 нм і обчислюють вміст хлорофілу по рівнянню регресії: де Хл - вміст хлорофілу в мг на 1 дм листкової поверхні; І дов. - значення першої похідної в довгохвильовому максимумі її графіка в області 670 - 730 нм; І кор. - значення першої похідної в короткохвильовому максимумі її графіка в області 670.- 730 нм; А - коефіцієнт при І дов./Ікор.; В - вільний член лінійного рівняння регресії. Як виявив математичний аналіз та модельні експерименти, запропонована спектральна характеристика є практично нечутливою до величини проективного покриття грунту рослинністю І типів існуюючих грунтів (табл. 1). Методика одержання рівняння регресії. Відбирали листя з різним вмістом хлорофілу і вимірювали спектри відбиття на спектрофотометрі СФ-18 у цифровому вигляді з кроком 1 нм. Обчислювали першу похідну від таких цифрових масивів у діапазоні довжин хвиль 670 - 730 нм. Графік першої похідної у цій області характеризувався двома максимумами (мал. 1), відносна інтесивність яких яких І дов./І кор.) як виявилось, залежить від концентрації хлорофілу в листках. В цих же листках визначали вміст хлорофілу по методу Арнона (Arnon D.I. Copper enzymes In Isolated chloroplasts. Polyphenoloxldase in Beta vuigaris. Plant Physlol., 1949, 24, N 1, 1-15), який полягає у вимірюванні коефіцієнтів екстинкції ацетонових екстрактів з листків при l= 652нм І обчисленні за формулою концентрації хлорофілу. Після цього зображували графічно вміст хлорофілу в залежності від величини спектрального параметру (І дов./І кор.). Одержана таким чином залежність була близькою до прямолінійної. Коефіцієнт кореляції вираховували згідно формули (Зайцев Г.Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике. Издво "Наука", Μ. 61984, 424 α): де r - коефіцієнт кореляції, відображаючий кількісно силу зв'язку між двома спряженими ознаками, χ спектральна характеристика, яка являє собою відношення значень амплітуд в максимумах (І дов./І кор.) графіка першої похідної спектрального розподілу світлового потоку, відбитого від посіву у діапазоні 670 - 730 нм, у вміст хлорофілу у посіві, n - кількість вимірювань. Коефіцієнт лінійної кореляції вибірки становив 0,90 ± 0,20 при рівні значимості 0,05. Коефіцієнти лінійного рівняння регресії у = ах + b обчислювали по формулах: Для озимої пшениці нами отримано рівняння регресії; де Хл - вміст хлорофілу в мг на 1 дм2 листкової поверхні. Похибка рівняння регресії становила +0,5 мг/дм2. Суть винаходу пояснюється конкретними прикладами здійснення. Записували у цифровому вигляді спектральний розподіл Інтенсивності відбитого вверх від посіву озимої пшениці світлового потоку, виміряного спектрометром високої спектральної роздільної здатності з борту вертольота Ка-26. В поле зору приладу попадала площадка близько 600 м2. Обчислювали перші похідні від спектральних кривих. Визначали величину відношення значень першої похідної в довгохвильовому та короткохвильовому максимумах (І дов./Ікор.) її графіка в діапазоні 670 - 730 нм. Одержані значення підставляли у рівняння регресії І обчислювали величину вмісту хлорофілу, виміряну в мг на 1 дм2 листкової поверхні. В табл. 2 наведені результати обчислень хлорофілу за рівнянням регресії по спектральному параметру І дов./Ікор.. а також, для порівняння, дані по визначенню хлорофілу способом прототипу І методом Арнона. Як видно з даних, приведених в табл. 2, запропонований спосіб однаково добре "працює" для визначення хлорофілу як на ранніх стадіях вегетації, коли посіви незімкнуті (фаза кущіння, вихід в трубку), так І в посівах з повним проектним покриттям (фаза колосіння). Що стосується визначення хлорофілу по способу-прототипу, то воно задовільне лише для фази колосіння, коли посіви були зімкнуті, і непридатне для посівів з неповним проективним покриттям (фази кущіння І вихід в трубку), де похибки складають більше 1 мг/дм2. Таким чином, запропонований спосіб у порівнянні з прототипом має слідуючі переваги: 1. Принципіально підвищує точність дистанційної оцінки хлорофілу в листках на ранніх фазах розвитку рослин (сходи, кущіння, вихід в трубку - коли посіви не утворюють зімкнутий покрив), а також в зріджених посівах незалежно від фази вегетації рослин.