Важный инструмент для точного земледелия: Новый метод измерения индекса фотохимического отражения

Точное земледелие, основанное на пространственно неоднородном внесении удобрений, биологически активных соединений, пестицидов и т.д., — одно из ведущих направлений современной сельскохозяйственной науки.

Необходимым условием такого земледелия является быстрый дистанционный анализ состояния растений на полях и в теплицах. Для решения этой задачи широко используются различные спектральные индексы, основанные на измерениях отражённого света в узких спектральных диапазонах. Один из таких индексов, на котором сейчас сосредоточены исследователи Университета Лобачевского, — индекс фотохимического отражения (PRI).

Индекс фотохимического отражения определяется путём измерения отражённого света на двух длинах волн в жёлто-зелёном спектральном диапазоне, на 531 и 570 нм, что осуществляется с помощью специальных детекторов или мультиспектральных камер.

Уникальная особенность PRI — его чувствительность даже к слабым, связанным со стрессом изменениям состояния фотосинтетического аппарата. Это открывает потенциальную возможность использования индекса для ранней и дистанционной диагностики влияния неблагоприятных факторов на растения. Однако использование PRI имеет ряд серьёзных ограничений, одно из которых — высокая чувствительность индекса к условиям освещения, что особенно важно при измерениях в условиях солнечного освещения.

Новый метод измерения

Для решения этой проблемы учёные Университета Лобачевского предложили идею, которая потенциально может снизить чувствительность PRI к условиям освещения. Она основана на использовании периодического освещения растения импульсами жёлто-зелёного измерительного света от источника с известными спектральными характеристиками.

Интенсивность отражённого света рассчитывается как разность между отражённым светом во время каждого импульса жёлто-зелёного света и до такого импульса. Это позволяет исключить влияние других источников света на результаты измерений. Исследования доказали, что использование импульсов жёлто-зелёного света устраняет искажающее влияние других источников света на измерение PRI и, следовательно, повышает точность его определения.

Связь со стрессом и результаты

Далее индекс фотохимического отражения определяли в условиях стрессовых интенсивностей света у ряда сельскохозяйственных растений и сравнивали с общепринятым индикатором фотосинтетического стресса — нефотохимическим тушением флуоресценции хлорофилла.

Оба показателя тесно связаны, что подтверждает возможность использования PRI, измеренного с помощью импульсов жёлто-зелёного света, для оценки степени фотосинтетического стресса у сельскохозяйственных растений. Особенно эффективным индикатором является величина изменения PRI, которая линейно связана с интенсивностью стресса у исследуемых растений.

В целом исследователи получили два значимых результата:

1. Показано, что использование периодических импульсов жёлто-зелёного света снижает погрешность измерения PRI.
2. Установлено, что изменение PRI на свету является более надёжным показателем степени фотосинтетического стресса у растения, чем его абсолютная величина.

Перспективы и разработки

Эти результаты лежат в основе нового подхода к измерению PRI, который предполагает импульсное освещение исследуемых растительных объектов. Реализация этого подхода открывает новые перспективы в дистанционном мониторинге состояния сельскохозяйственных растений, что сделает метод важным инструментом в точном земледелии.

В настоящее время учёные Университета Лобачевского и их коллеги из Института прикладной физики РАН работают над дальнейшим развитием предложенного метода и его адаптацией для измерения пространственного распределения индекса фотохимического отражения.

В частности, уже разработана и проходит тестирование система визуализации PRI, основанная на освещении исследуемых объектов импульсами жёлто-зелёного света. Ожидается, что созданный прототип станет основой для коммерческой системы оценки состояния растений на основе измерения пространственного распределения PRI.