تقدير شواهد محصوليه معينة وكمية ناتج بعض محاصيل الحقل من بيانات الانعكاس الطيفي
ناصر طرَّاف إبراهيم عين شمس الزراعة المحاصيل دكتوراه 2004
ملخص الدراسة:
تقدير شواهد محصوليه معينة وكمية ناتج بعض محاصيل الحقل من بيانات الانعكاس الطيفي
يهدف هذا البحث نحو دراسة الانعكاس الطيفي وقت الظهيرة عن نباتات القطن, فول الصويا وعباد الشمس في مراحل نمو مختلفة، ومن ثم محاولة تحديد مرحلة النمو ذات الارتباط الوثيق مع الإنتاجية النهائية وتقدير بعض الشواهد المحصولية لكل محصول اعتماداً على قيم الانعكاس الطيفي المسجل والدليل النباتي الخضريNDVI المشتق من قيم هذا الانعكاس، وكذلك من أجل محاولة توقع كمية المحصول النهائية بناءاً على قيم الدليل النباتي الخضريNDVI في مرحلة النمو المقترحة. إضافة إلى دراسة امكانية التمييز بين المحاصيل المدروسة اعتماداً على قيم انعكاسها الطيفي.
وتنفيذاً لما سبق تمَّ إقامة تجربتين حقليتين 2002 في كل من وحدة التجارب والبحوث الزراعية بشلقان عام 2001 ومزرعة كلية الزراعة جامعة عين شمس بشبرا الخيمة عام 2002 بـمحافظة القليوبية؛ وقد اشتملت كل تجربة على موعدي زراعة لكل من محصول القطن (جيزة 85), فول الصويا (جيزة 21) وعباد الشمس (ايروفلور) حيث زرع الموعد الأول في التاريخ الموصى به لكل محصول والثاني بعد شهر من الأول بمسافة 60 سم بين الخطوط في المحاصيل الثلاث، أما المسافة بين النباتات فكانت في القطن 20 سم ونباتين في الجورة, وفي فول الصويا 10 سم ونباتين في الجورة أيضاً أما في عباد الشمس 20 سم ونبات واحد في الجورة. وزعت كل تجربة في نظام القطاعات كاملة العشوائية في ست مكررات بمساحة 19.8 م2 لكل قطعة تجريبية.
ثُمَّ درست صفات النمو الخضري؛ مثل طول النبات، عدد، مساحة, وزن غض وجاف، وتركيز الكلوروفيل في الأوراق، الوزن الغض والجاف للساق والنبات، المحتوى المائي في الأوراق والنبات، دليل مساحة الأوراق(LAI)، المساحة النوعية للأوراق(SLA)، الوزن النوعي للأوراق(SLW) لكل محصول على حدة في مراحل النمو المختلفة (S). ففي محصول القطن عند كل من: مرحلة النمو الخضري (S1)، بداية تكون البرعم الزهري (S2)، مرحلة تكوين البراعم الزهرية (S3)، بداية الإزهار (S4)، الإزهار (S5)، التلويز (S6)، تفتح اللوز (S7)، تفتح 50 % من اللوز (S8)، تفتح معظم اللوز (S9) ثم اكتمال تفتح اللوز وسقوط الأوراق (S10) متزامنة مع 42، 58، 74، 90، 106، 122، 139, 156 و173 يوم من الزراعة في الموسمين معاً وأيضا بعد 190 يوم من الزراعة في الموسم الأول فقط. وفي محصول فول الصويا عند كل من: مرحلة النمو الخضري (S1)، بداية تكون الأزهار (S2)، بداية تكوين القرون (S3)، بداية تكون البذور (S4)، امتلاء البذور (S5) والنضج التام (S6) متزامناً مع 42، 59، 76، 92، 108و 125 يوم من الزراعة في الموسمين معاً. أما في محصول عباد الشمس عند كل من: مرحلة النمو الخضري (S1)، بداية تكون القرص (S2)، أوج الإزهار (S3)، امتلاء البذور (4), النضج الشمعي (S5) والنضج التام (S6) متزامناً مع 36، 52، 68، 84، 100و 117 يوم من الزراعة في الموسمين معاً. قدِّرت كمية المحصول ومكوناته بعد 190 , 125 و117 يوم من الزراعة لكل من القطن, فول الصويا وعباد الشمس على الترتيب.
دُرست صفات الانعكاس الطيفي بأطوال موجية تماثل تلك المستخدمة في الماسح الغرضيThematic Mapper (TM)المحمول على سلسلة التوابع الصنعية الأمريكية LANDSAT في المجالات الطيفية التالية:
1. TM1 (0,45 to 0,52 µm)
2. TM2 (0,52 to 0,60 µm)
3. TM3 (0,63 to 0,69 µm)
4. TM4 (0,76 to 0,90 µm)
والدليل النباتي الخضري NDVI = (TM4-TM3)/(TM4+TM3) عند كل مرحلة نباتية ولكل محصول.
وفيما يلي بيان بأهم النتائج:
1- انخفضت قيم TM1 , TM2 وTM3 خلال تطور النبات حتى مرحلة النمو الخضري الأعظم ثم أخذت في الازدياد باتجاه مرحلة الحصاد في كل من المحاصيل الثلاثة, القطن, فول الصويا وعباد الشمس.
2- ازدادت قيم TM4 وNDVI خلال تطور النبات حتى مرحلة النمو الخضري الأعظم ثم أخذت في الانخفاض باتجاه مرحلة الحصاد في كل من المحاصيل الثلاثة,أيضاً.
3- امكن استخدام مؤشرات الانعكاس الطيفي في التمييز بين المراحل الرئيسة للمحاصيل الثلاثة.
4- بلغت الانعكاسات الطيفية قيمها الحدية (العظمى والصغرى) عند 106 و91 يوم من الزراعة للقطن وفول الصويا, على التوالي وعند 52-68 يوم من الزراعة في عباد الشمس.
5- كانت قيم NDVI في الموعد الأول أعلى منها في الموعد الثاني لنباتات فول الصويا, بينما حصل العكس لنباتات القطن حيث كانت قيم NDVI في الموعد الثاني أعلى منها في الموعد الأول. أما في عباد الشمس فكانت متماثلة تقريباً بين الموعدين.
6- كانت قيم انعكاس طيف الامتصاص الضوئي المرئي (TM1 TM2,و TM3) من قبل النبات في الموعد الأول أعلى منها في الموعد الثاني لنباتات القطن, بينما حصل العكس لنباتات فول الصويا حيث كانت قيم NDVI في الموعد الثاني أعلى منها في الموعد الأول, بدرجة لم تصل إلى حدود المعنوية.
7- تفوقت صفات النمو في الموعد الثاني عليها في الموعد الأول للقطن, ومن هذه الصفات: طول النبات, عدد، مساحة, وزن غض وجاف، وتركيز الكلوروفيل في الأوراق، الوزن الغض والجاف للساق والنبات، المحتوى المائي في الأوراق والنبات، دليل مساحة الأوراق (LAI)، والمساحة النوعية للأوراق(SLA) عدا الوزن النوعي للأوراق(SLW).
8- وصلت صفات النمو إلى قيم حدية ثم عكست مسارها بعد 68 و92 يوم من الزراعة (S3 وS4) بالنسبة لصفات: عدد، مساحة, وزن غض وجاف والمحتوى المائي في الأوراق, دليل مساحة الأوراق، المساحة النوعية للأوراق والوزن النوعي للأوراق وبعد 84 و108 يوم من الزراعة (S4 وS5) بالنسبة لصفات وزن غض وجاف للنبات والمحتوى المائي بالنبات لكل من فول الصويا وعباد الشمس, على التوالي.
9- يعتبر دليل مساحة الأوراق(LAI) مؤشراً هاماً لفعالية التمثيل الضوئي للنبات في وحدة المساحة لأن قيمته ترافقت مع الأوراق الخضراء الفعالة ضوئياً ومع المحتوى المائي العالي في أنسجة النبات.
10- تؤدي الزراعة المبكرة إلى زيادة الانتاجية عن الزراعة المتأخرة في القطن, فول الصويا وعباد الشمس.
11- تحققت أفضل قيم للارتباط بين صفات الانعكاس الطيفي وصفات النمو الخضري للمحاصيل الثلاثة, القطن, فول الصويا وعباد الشمس عند 106, 91 و84 يوم من الزراعة, على الترتيب.
12- وجد أن الدليل النباتي الطيفي NDVI من أفضل المؤشرات الطيفية المدروسة في الارتباط مع صفات النمو والانتاجية ومكوناتها.
13- كما وجد أن أفضل الصفات النباتية في الارتباط مع الانعكاس الطيفي هي تركيز الكلوروفيل, الكتلة الحيوية ودليل مساحة الأوراق LAI.
14- أشارت النتنائج على ضرورة تحديد موعد أخذ القراءة كعامل مساعد في الفصل بين موعدي الزراعة لكل محصول نظراً لصعوبة الفصل بينهما اعتماداً على قيم الانعكاس الطيفي فقط.
15- وجد اختلاف بين المراحل 52 –68 يوم من الزراعة (S2 وS3) التي تحقق قيم انعكاس حدية وتلك التي تحقق ارتباط جيد مع صفات النمو 84 يوم من الزراعة (S4) في عباد الشمس.
16- تزداد معنوية الارتباط بين الانعكاس الطيفي وصفات النمو بتقدم عمر النبات حيث تصل أفضلها في المرحلة S4 (92 يوم من الزراعة) في كل من فول الصويا وعباد الشمس، على الترتيب.
17- تم التوصل إلى بعض المعادلات الرياضية التي تقدر دليل مساحة الأوراق (LAI) اعتماداً على قيم الانعكاس الطيفي في المجالات TM3, TM4 أوNDVI بالصيغ التالية:
- القطن
LAI = 10.018e-4.9187TM3
LAI = 5.2754e0.7857TM4
LAI = 2.0294e1.7642NDVI
- فول الصويا
LAI = 9.1189e-6.8226TM3
LAI = 3.7889e1.0599TM4
LAI = 1.6377e1.7916NDVI
- عباد الشمس
LAI = 6.4456e-2.1044TM3
LAI = 4.7235e0.3363TM4
LAI = 3.3956e0.6884NDVI
مع ملاحظة أن دقة هذه المعادلات تزداد بازدياد قيمة LAI عن 3.5 في القطن و2.5 في كل من فول الصويا وعباد الشمس.
18- كما تم اقتراح بعض المعادلات ثنائية البعد لمحاولة رفع دقة المعادلات أحادية البعد السابقة في تقدير قيمة LAI بالصيغ التالية:
- القطن
LAI = 0.32e3.92TM3e3.36NDVI + 0.0145e3.36NDVI –0.48e3.92TM3 + 3.084
- فول الصويا
LAI = 0.51e2.73TM3e2.9NDVI – 0.02e2.9NDVI + 0.97e2.73TM3 + 0.111
- عباد الشمس
LAI = 2.613e-0.392TM3e0.421NDVI + 2.626e0.421NDVI - 0.095e-0.392TM3 -1.313
مع ملاحظة أن دقة هذه المعادلات تزداد بازدياد قيمة LAI عن 3.5 في القطن و2.5 في كل من فول الصويا وعباد الشمس, أيضاً.
19- يعتبر المحصول الاقتصادي والمحصول البيولوجي من أفضل الصفات المحصولية ارتباطاً مع مؤشرات الانعكاس الطيفي.
20- وجدت علاقة عكسية بين الانعكاس الطيفي في المجال المرئي (TM2, TM1و TM3) عند 106 إلى 122 يوم من الزراعة مع المحصول البيولوجي عند الحصاد في القطن.
21- بينما كانت هذه العلاقة طردية في نفس المرحلة (عند 106 إلى 122 يوم من الزراعة) بين كل من TM4و NDVI مع المحصول البيولوجي عند الحصاد في القطن, أيضاً.
22- كانت العلاقة موجبة بين كل من TM4 وNVDI مع محصول القطن الزهر خلال المراحل المبكرة ثم أصبحت عكسية خلال المراحل المتأخرة للنمو (بعد 156 يوم من الزراعة).
23- وجدت علاقة موجبة بين قيم TM3 بعد 156 يوم من الزراعة ومحصول القطن الزهر.
24- تحقق أعلى ارتباط موجب بين NDVI والمحصول الاقتصادي والبيولوجي في المرحلة S4 أي بعد 92 يوم من الزراعة في فول الصويا, وبعد 84 يوم من الزراعة في عباد الشمس, وبالمقابل تحقق عند نفس المرحلة أعلى ارتباط سالب بين TM2 ,TM1 وTM3وبين المحصول الاقتصادي والمحصول البيولوجي.
25- تم اقتراح نموذج معادلات رياضية لتوقع كل من المحصول البيولوجي وكمية الانتاج اعتماداً على قيم NDVI في مرحلة نمو معينة بالصيغ التالية:
- القطن
By = 3890.9 NDVIS5 + 8220.77
Sy = -453.08 NDVIS8 + 1095
حيث (By, Sy) المحصول البيولوجي النهائي ومحصول القطن الزهر المتوقعين (كجم/فدان)،NDVIS5 وNDVIS8 قيم NDVI بعد 106 و156 يوم من الزراعة على التوالي في كل منهما.
- فول الصويا
By = 285.4e2.8624NDVIs4
Sy = 40.762e3.9005NDVIs4
حيث (By, Sy) المحصول البيولوجي النهائي ومحصول فول الصويا البذر المتوقعين (كجم/فدان) على التوالي وNDVIS4 قيم NDVI بعد 92 يوم من الزراعة.
- عباد الشمس
By = 1597.4NDVIs4 + 2915.5
Sy = 664.87NDVIs4 + 825.62
حيث (By, Sy) المحصول البيولوجي النهائي ومحصول عباد الشمس البذر المتوقعين (كجم/فدان) على التوالي وNDVIS4 قيم NDVI بعد 84 يوم من الزراعة.
26- يمكن تمييز القطن عن فول الصويا وعباد الشمس من خلال بيانات الانعكاس الطيفي في تاريخ 16 يونيه (90 يوم من زراعة القطن) حيث يتميز القطن بانعكاس منخفض في مجال الأشعة المرئية (,TM1 TM2و TM3) ومرتفع في مجال الأشعة تحت الحمراء القريبة (TM4) وارتفاع قيم NDVI عن المحصولين الآخرين.
Summary
This search aims to study the spectral reflectance at midday from cotton, soybean and sunflower plants in different growth stages, ability to distinguish between these crops, detect the growth stage that correlates with the final yield, also estimating the growth characteristics and forecasting the yield depending on data base of spectral reflectance (TM1, TM2, TM3 and TM4) and Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Landsat thematic mapper (TM) bands that measured: TM1 (0,45 to 0,52 µm), TM2 (0,52 to 0,60 µm), TM3 (0,63 to 0,69 µm) and TM4 (0,76 to 0,90 µm), also NDVI = (TM4-TM3) / (TM4+TM3).
Two field trials were undertaken at the Experimental Farm of the Faculty of Agriculture, Ain Shams University at Shalakan, Khalubia Governorate during 2001 and 2002 growing seasons and only cotton crop at the campus area of the Faculty of Agriculture, Ain Shams University at Shoubra Elkheima, Khalubia Governorate in 2002 season.
The changes of soil coverage and quantity of biomass and other growth characteristics at one time were realized through three crops and temporal sequence of growth by two sowing dates, the first was in the recommended date in the region and the other date was one month later. At every planting date, i.e. 21 March and 21 April, seeds of cotton were planted in hills at 20 cm apart on one side of ridge 60 cm width. Seeds of soybean were planted, i.e. 6 May and 6 Jun, in hills at 10 cm apart in rows 60 cm width. Seeds of sunflower were planted, i.e. 6 May and 6 Jun, in hills at 20 cm in rows 60 cm apart leaving one plant per hill. Such treatments realized 70, 140, 35-thouthend plants/faddan for cotton, soybean and sunflower, respectively. These treatments were applied in the two aforementioned growing seasons. A field trial was established for every crop. The two sowing dates were arranged in complete randomized block design in six replications. Seeds of cotton [Gossypium barbadense (L.) cv. Giza 85], soybean [Glycine max L. (Merr.) cv. Giza 21] and sunflower [Helianthus annuus (L.) cv. Euroflor] cultivars were used.
Growth characteristics and spectral reflectance characteristics (TMs and NDVI) in the different growth stages and agronomic characteristics at harvest were studied. The growth stages were after 42, 58, 74, 90, 106, 122, 139, 156 and 173 day from planting for cotton; 42, 59, 76, 92 an, 108 day from planting for soybean and 36, 52, 68, 84 and 100 day from planting for sunflower. In addition to data obtained at harvest date, i.e. 190, 125 and 117 day from planting for cotton, soybean and sunflower, respectively, in both growing seasons.
The encountered results can be listed as follows:
1- TM1, TM2 and TM3 values showed a slight decrease with magnitude of the growth stages up to maximum of vegetative growth and then increased up to harvest stage of cotton, soybean and sunflower.
2- TM4 and NDVI values increased considerably with age up to the maximum vegetative growth and then decreased, also in the three crops.
3- Spectral reflectance parameters may be used to distinguish between major stages of crops studied.
4- Spectral reflectance characteristics were changed considerably during different growth stages and reached critical values at 106 and 91 days from planting in cotton and soybean, respectively, and at 52-68 day from planting of sunflower.
5- NDVI value at second sowing date was significantly higher than that in the first date at each stage of cotton plants.
6- NDVI value at first sowing date was higher than those at second sowing date growing season at each stage of soybean plants.
7- NDVI value at first sowing date was similar to those of second sowing date in the two growing seasons at each stage of sunflower plants.
8- The spectral reflectance of first sowing date were higher than those of second sowing date for TM1, TM2 and TM3 of cotton plants, but the opposite took place with soybean plants with nonsignificant difference.
9- In the second growing season all values of growth characteristics, except SLW, in the second sowing date were higher than those in the first sowing date i.e. plant height, number, area, fresh weight and chlorophyll concentration of leaves, dry weight of stem, fresh and dry weight of biomass, water content in leaves, leaf area index, specific leaf area and biological yield (kg/fad) of cotton plants, but opposite trend was realized for soybean and sunflower plants.
10- Most growth characteristics reached a critical value then they inversed their path i.e. number, area, fresh and dry weight of leave, water content in leave, LAI, SLW and SLA at 92 days (S4) and 68 days from planting (S3) for soybean and sunflower, respectively. For characteristics of fresh and dry biomass and plant water content were at 108 days (S5) and 84 days from planting (S4) for soybean and sunflower, respectively.
11- LAI proved to be very important indicator to active photosynthesis in plant per area unit where associated exactly with most active photosythiticaly green leaves and high water content in it organs.
12- Early sowing date of cotton, soybean and sunflower lead to higher yield per unit area.
13- Highly significant correlations between the spectral reflectance and growth characteristics were found at 106, 91 and 84 day from planting in cotton, soybean and sunflower plants, respectively.
14- NDVI showed to be most reliable indicator than other spectral reflectance parameters in reflecting the growth characteristics, yield and yield attributes.
15- Growth characteristics that most correlated with spectral reflectance parameters were chlorophyll concentration, biomass fresh weight and LAI.
16- It was difficult to distinguish between the two sowing date of crops depending only on values of the spectral reflectance parameters and it is recommended to take another factor as measuring time.
17- In sunflower plants, a difference between the stages that achieved a critical reflectance values (S2 and S3) and that achieved a significant correlation with growth characteristics (S4) were found.
18- With aged plant towards maturity stage, the correlations between the spectral reflectance and growth characteristics go to the higher values, and the recommended stage was 92 days (S4) and 84 days from planting (S4) for soybean and sunflower plants, respectively.
19- The equations that estimated LAI depending on TM3, TM4 or NDVI values are:
a) Cotton plants
LAI = 10.018e-4.9187TM3
LAI = 5.2754e0.7857TM4
LAI = 2.0294e1.7642NDVI
b) Soybean plants
LAI = 9.1189e-6.8226TM3
LAI = 3.7889e1.0599TM4
LAI = 1.6377e1.7916NDVI
c) Sunflower plants
LAI = 6.4456e-2.1044TM3
LAI = 4.7235e0.3363TM4
LAI = 3.3956e0.6884NDVI
The accuracy of these equations increased whenever LAI value exceeds 3.5 in cotton and 2.5 in sunflower and soybean plants.
20- It has been suggested a model to estimate LAI depending on two dimension of red and NIR wavelength to increase the accuracy of LAI estimation as follow:
a) Cotton plants
LAI = 0.32e3.92TM3e3.36NDVI + 0.0145e3.36NDVI –0.48e3.92TM3 + 3.084
b) Soybean plants
LAI = 0.51e2.73TM3e2.9NDVI – 0.02e2.9NDVI + 0.97e2.73TM3 + 0.111
c) Sunflower plants
LAI = 2.613e-0.392TM3e0.421NDVI + 2.626e0.421NDVI - 0.095e-0.392TM3 - 1.313
Also, the accuracy of these equations increased whenever LAI value exceeds 3.5 in cotton and 2.5 in sunflower and soybean plants.
21- Biological and economic yields were well correlated with spectral reflectance parameters than other yield attributes in soybean and sunflower.
22- Biological yield at harvest per faddan was negatively correlated with TM1, TM2 and TM3 at 106 and 122 day from planting of cotton.
23- At 106 and 122 days from planting, high positive correlation was achieved between biological yield and NVDI.
24- Seed cotton yield at harvest stage was negatively correlated with TM1,2,3 values in the early stage. But the correlation was positive at late stage and achieved a significant level after 156 days from planting (S8).
25- TM4 and NVDI were positively correlated with cotton yield at early stage, and inversed to negative relationship at late stages.
26- At 156 days from planting (S8), high positive correlation was achieved between seed cotton yield and TM3.
27- At S4 (92 and 84 days from planting) for soybean and sunflower plants, respectively; the high positive correlation was achieved between yield and biological yield with NVDI and in negative direction between yield and biological yield with TM1, TM2 and TM3.
28- Models were suggested to forecast yield and biological yield per faddan at harvest using data of NDVI at certain stage, and the equations that describe such models are:
a) Cotton
By = 3890.9 NDVIS5 + 8220.77
Sy = -453.08 NDVIS8 + 1095
Where: By and Sy are Biological and Seed cotton yield (kg/ fad). NDVIS5 and NDVIS8 are NDVI values at 106 and 156 days from planting, respectively.
b) Soybean
By = 285.4e2.8624NDVIs4
Sy = 40.762e3.9005NDVIs4
Where: By and Sy are Biological and Seed yield (kg/ fad) of soybean. NDVIS4 is NDVI values at 92 day from planting.
c) Sunflower
By = 1597.4NDVIs4 + 2915.5
Sy = 664.87NDVIs4 + 825.62
Where: By and Sy are Biological and Seed yield (kg/ fad) of soybean. NDVIS4 is NDVI values at 84 day from planting.
29- At 16th June (90 days from cotton planting), one can distinguish cotton crop from soybean and sunflower by spectral reflectance, where cotton have the lowest reflectance of visible light (TM1, TM2 and TM3) and the highest of NDVI and TM4 reflectance.
مشاركة عبر
أخر الإضافات
أخر الملخصات المضافة