I. Исследование состояния сельскохозяйственных растительных покровов.

1.1. Анализ методов мониторинга сельскохозяйственных растительных покровов.

Несмотря на существенные морфологические и анатомические отличия, листья растений разных видов, содержащие только хлорофиллы и каротиноиды, обладают общими и, по-видимому, универсальными свойствами: коэффициенты их отражения в некоторых спектральных областях достаточно хорошо коррелирует между собой. Эти корреляции нарушаются в тех случаях, когда в листьях присутствуют или появляются дополнительные пигменты. Благодаря этому по спектрам отражения удается обнаружить признаки и оценить степень побурения и отмирания ткани. Побурение происходит в результате повреждения внутриклеточных структур клетки, наблюдается при ранении, старении и заболеваниях растений. По оптическим спектрам листьев можно выявить и количественно определить красные пигменты - антоцианы, синтез которых часто активируется в неблагоприятных условиях. Повреждение растений низкими и высокими температурами приводит к разрушению хлорофиллов, что сопровождается характерными изменениями оптических спектров. Кроме того, обнаружено, что действие высоких интенсивностей света (фотоокислительный стресс) вызывает определенные изменения в характере поглощения пигментов, что может быть использовано для выявления этого типа повреждений.

Как известно, часто старение листьев и созревание плодов сопровождаются сохранением значительной части каротиноидов или активацией их синтеза, что происходит на фоне разрушения хлорофилла. Эти изменения отчетливо проявляются в спектрах отражения и могут быть использованы для характеристики временных изменений.

Ещё одним применением зондирования можно считать исследование почв. Располагая на спутниках и самолетах радиометры СВЧ - диапазона, измеряют радиотепловое излучение различных участков почв и, анализируя его, определяют их физические характеристики.[5]

В частности, по интенсивности радиотеплового излучения можно судить о степени увлажнения почвы. Чем выше влажность грунта, тем ниже его излучательная способность в СВЧ-диапазоне. Такой радиометрический метод позволяет быстро определять качество полива на больших участках орошаемых земель и обеспечить оптимальный режим полива, сигнализировать о технических неполадках оросительных систем. Этим методом можно также определять степень засоленности почвенной влаги, поскольку концентрация растворенных в воде солей влияет на излучательную способность воды на разных частотах. Анализируя радиотепловое излучение исследуемого участка почвы на разных частотах СВЧ -диапазона в один и тот же момент времени, можно судить о степени засоленности почвенной влаги, что важно для предотвращения засоления почв. Активные радиофизические методы дистанционного зондирования применяются для эффективного поиска и обнаружения водоносных слоев и линз грунтовых волн. Это осуществляется радиолокаторами подповерхностного зондирования, работающими на дециметровых и метровых радиоволнах, примерно от 1 дм до 30 м. Выбор таких волн диктуется тем, что с увеличением длины волны увеличивается глубина обнаружения залегания подпочвенных водных образований. При длине волны порядка 1 м можно обнаружить воду под влажной почвой на глубине 20 м, а под сухой почвой — на глубине до 200 м. Оперативное подповерхностное зондирование особенно ценно для освоения засушливых местностей и пустынь.

В разных фазах вегетации злаковые и огородные культуры имеют различные значения излучательной способности. С помощью пассивного дистанционного наблюдения, анализируя интенсивность радиотеплового излучения, можно определять состояние всходов сельскохозяйственных культур и составлять соответствующие карты, контролировать рост биомассы, прогнозировать урожай. Значительно расширяют возможности контроля состояния сельскохозяйственных культур активные дистанционные методы. Однако стоит заострить внимание на одном из эффектов, благодаря которому может осуществляться зондирование. Поскольку отражательная способность растений в радиодиапазоне существенно зависит от величины зеленой массы: стеблей и листьев и характер этой зависимости различен для злаковых и огородных культур, радиолокационная аппаратура, установленная на спутниках и авиа судах, позволяет получать ценную дополнительную информацию о величине биомассы и ее свойствах. Таким путем, например, можно судить о заболеваниях растений. Отличать одни культуры от других можно, анализируя различную зависимость отражательной способности культуры от величины биомассы. Так, например, рост зеленой массы: стеблей и листьев пшеницы, ячменя, кукурузы уменьшает отражательную способность посевов этих культур в радиодиапазоне. Для корнеплодов (картофеля, свеклы) наблюдается обратная зависимость: с ростом биомассы растет отражательная способность в радиодиапазоне. Однако точность определения видов растений этим методом относительно небольшая. При различных видах заболеваниях, как правило, тоже изменяется отражательная способность растения.

Если речь зашла о диагностики заболеваний, то нужно вкратце рассказать и о болезнях растений. Существует четыре вида заболеваний растений: бактериальные, вирусные, грибковые болезни и болезни от нехватки питательных веществ. К бактериальным заболеваниям относятся различные виды гнили, пятнистости, ожоги. К вирусным относятся мозаики и желтухи. Грибковые – самые распространенные заболевания сельскохозяйственных растений, к ним относятся мучнистая роса, ржавчины и многие другие. Болезни недостатка питательных веществ проявляются, как правило, в различных биологических расстройствах нормального роста растений (уменьшенное количество хлорофилла в листьях и т.п.). Каждое заболевание характеризуется своей симптоматикой, но обычно все они ведут к смерти зараженного растения. Симптоматика же проявляется в основном в поражении листьев, стеблей, соцветьев в виде загнивания, увядания, высыпания и т.п. Все это ведет к органическим нарушениям в растении, что оказывает непосредственное влияние на его характеристики. На основе этого и основываются методы, обнаруживающие заболевания растений, в том числе и метод используемый в данной работе. Теперь более детально о самых распространенных заболеваниях.

Гельминтоспориоз пшеницы: Проявляется в виде желто-коричневых овальных или веретеновидных пятен с темно-коричневой точкой в центре. Эти пятна имеют желтый ободок. По мере развития инфекции пятна сливаются друг с другом, что ведет к отмиранию и отпадению листа.

Карликовая головня пшеницы: Встречается в областях, где озимая пшеница стоит в течение долгого времени в незамерзшей почве под снежным покровом, редко встречается у озимой ржи. Яровая пшеница не подвержена этой болезни. Признаки карликовой головни отличаются от признаков пыльной (мокрой) головни пшеницы лишь укороченной высотой стебля (на 1/4-1/2 натуральной величины).

Мучнистая роса: Мучнистая роса наносит вред в первую очередь ячменю и пшенице. Однако ею могут быть поражены рожь и овес. Если для ячменя наибольшее значение имеет раннее поражение листьев, то у пшеницы инфекция флаговых листьев и колосьев также приводит к потере урожая. Раннее заражение ярового ячменя уже в течение первых 30 дней после появления всходов может иметь отрицательные последствия для урожая. Развитие болезни - сначала на пластинках листьев и листовых влагалищах, а также на колосковой чешуйке образуются небольшие белые ватообразные подушечки (пустулы мучнистой росы). Со временем налет становится сероватым или бурым и покрывается клейстотециями (плодовыми телами) в виде черных точек.

Ржавчина: Ржавчинные грибы уменьшают фотосинтез, ускоряют дыхание и испарение, так что даже при средней степени пораженное болезнью потери урожая составляют 15-30 %. При сильном поражении, например, желтой ржавчиной, ущерб может составлять свыше 50%. Виды ржавчины зависят от вида зерновых и географического положения района возделывания.

Спорынья: Чаще всего встречается на ржи, а в районах с большим увлажнением в период цветения растений проявляется на пшенице и ячмене. Склероции (рожки спорыньи) содержат различные алкалоиды, которые могут вызывать отравления человека и животных. После цветения злаков пораженных зерен образуются склероции, которые выступают на колосе. В зависимости от вида зерновых размер склероции спорыньи изменяется от нескольких миллиметров до 4 см (у ржи).

Твердая (мокрая) головня пшеницы: Рожь и некоторые злаковые травы также могут быть поражены этой болезнью. Пораженные колосья в прогрессирующей стадии болезни окрашены в сине-зеленый цвет. Твердая головня пшеницы развивается в зернах, точнее, под колосковыми чешуйками и придает им матовую серо-бурую окраску. При сдавливании из этих зерен появляется черная, пахнущая селедочным рассолом, порошкообразная масса. В период зрелости можно легко отличить здоровые золотисто-желтые или розоватые зерна от пораженных. В большинстве случаев инфицируются все зерна колоса. Заболевшие растения часто немного короче, чем здоровые.

Фузариоз колоса: Наряду с пшеницей в меньшей степени заболеванию фузариозом подвержены ячмень и рожь. В исключительных случаях весь колос становится бесплодным. Но, как правило, поражаются только отдельные колоски и части колосьев (частичная пустоколосица). Такие колоски имеют часто желтовато-розоватый налет или окрашены в красный цвет. При поражении грибом Gerlachia mvalis на чешуйках появляются четко очерченные коричневые пятна.

К вирусным заболеваниям относятся: Желтая карликовость ячменя и мозаичная желтуха ячменя.

При недостатке питательных веществ образуются следующие заболевания:

Магниевое голодание: Между жилками листа появляются жемчугообразные хлорофилловые дефекты. При длительном магниевом голодании эта крапчатость переходит в связанные с ней хлорозы, а позднее в некрозы; при этом листья могут оставаться зелеными длительное время. Магниевое голодание может встречаться в первую очередь в хозяйствах с интенсивным земледелием как следствие внесения повышенных доз калийных удобрений.

Фосфорное голодание: Растения, страдающие фосфорным голоданием, отстают в росте и истощаются. В первую очередь фосфорное голодание проявляется на более старых листьях в виде серо-зеленых, частично красноватых пятен. Фосфорное голодание зерновых культур ведет к уменьшению кущения и снижает количество зерен колоса.

Марганцевое голодание: Марганцевое голодание заметно в основном на молодых листьях или в зоне роста растений в форме хлорозов, причем жилки растений сохраняют зеленый цвет. В первую очередь поражаются листья, в которых происходит активный обмен веществ. У овса марганцевое голодание приводит к так называемой сухой пятнистости, которая к моменту наибольшего развития начинается в нижней трети листьев в форме точечнообразных хлорозов, увеличивающихся в дальнейшем до пятен. В результате этого лист ломается. При сильном марганцевом голодании метелка не образуется.

Медное голодание: Листья становятся вялыми, белеют их края и верхушки. Не происходит, полностью или частично, опыления и связанной с этим озерненности в колосьях и метелках (медное голодание растений на освоенных верховых торфяниках).

Это естественно не полный список заболеваний сельскохозяйственных растений, однако здесь перечислены наиболее часто встречающиеся. Как было сказано, из описания болезней следует, что все болезни деформируют либо стебли, либо листья. Тем самым, изменяя внутренние параметры растений, (отражательную, излучательную способности и т.п.), что в свою очередь приводит к возможности их дистанционного зондирования.