A multispektrális távérzékelés növényélettani alapjai

A távolsági spektroszkópia vagy más néven a multispektrális távérzékelés előnyeinek megértéséhez fontos tisztázni a növényi stressz szakaszait, illetve az ezzel szoros kapcsolatban álló élettani folyamatokat, a növények által kibocsátott jeleket.

Növények stresszben: miért fontos nyomon követni a vegetáció állapotát?

A növényi stresszjelenségeket három fő szakaszra bonthatjuk (1.ábra). Az alapállapot a stresszmentes állapot, mely során a növény az egyensúlyi szinten van, fejlődése a lehető leggyorsabb. Ez azonban a gyakorlatban nehezen értelmezhető, ugyanis a környezeti stresszorok állandóan jelen vannak és befolyásolják a növények fejlődését. Stresszmentes állapotot kizárólag laboratóriumban tudunk előállítani, így szántóföldi körülmények között ez a fogalom inkább a növény kvázi zavartalan fejlődéséhez szükséges időjárási és tápanyag ellátottsági körülményeket jelenti.

Egy környezeti stresszor megjelenésekor a növényi szervezetben jellegzetes tünetek jelennek meg, amit gyűjtőnéven stressz-szindrómának nevezünk. A tünetegyüttes alapvetően három fő fázisra bontható. A vészreakció során, az extra környezeti terhelés hatására a növényi vitalitás lecsökken, mely során zavart szenvednek a felépítő anyagcsere folyamatok és a lebontó folyamatok kerülnek túlsúlyba. Ennek hátterében elsősorban az energiatermelést végző fotoszintetikus folyamatok zavara áll. Az ellenállási (rezisztencia) képesség minimum szintjének átlépésekor akut károsodás éri a növényt. Enyhébb stressz esetén a stresszválasz (stresszre adott molekuláris és élettani reakció) hatására az ellenállási szakaszban a növény megkísérli a stressz előtti állapotának helyreállítását. E folyamat során a növény sokszor „túllő a célon”, ami nem feltétlen probléma! Előbbi folyamatot hívjuk edződésnek, mely során a növény elérheti a genetikailag meghatározott ellenállási maximumát.

1. ábra Stressz-szindróma a növényekben

Abban az esetben, ha e fázisban megszűnnek a stresszt okozó körülmények a növény az „edződött” állapotot egy darabig még fenntartja. Ekkor minden, a védekezéshez szükséges anyagcseretermék a növény rendelkezésére áll, így az újabb környezeti terhelést felkészültebben várhatja. Az állapot a környezeti terhelés hatása nélkül, speciális kezelésekkel is elérhető. Tulajdonképpen a gyakorlatban ezt az edződési jelenséget használjuk ki a biológiailag aktív vegyületek, levéltrágyák, növénykondicionáló és talajkondicionáló szerek alkalmazásával.

Amennyiben a megterhelő körülmények tovább tartanak, akkor a kimerülési fázis következik, amikor a növény a „határait feszegetve” próbálja túlélni ezt az időszakot. A stressz megszűnése esetén a regenerálódás után új egyensúlyi állapot áll be, ellenkező esetben krónikus károsodás éri a növényt.

Összefoglalva a növényi stressz egy többszintű, jól meghatározott fázisokra bontható tünetegyüttes, aminek a korai felismerése elengedhetetlenül fontos a gyors és hatékony kezelési és védekezési stratégiák kidolgozásához (tápanyagellátási stratégiák kidolgozása, fertőzési gócpontok azonosítása, vetési problémák kimutatása, trágyázás hatása…stb). Sokszor azonban a hagyományos módszerekkel a kultúrában előforduló problémákat vagy akár egy kezelés hatását nem láthatjuk, így nem is számszerűsíthetők szabad szemmel. Az első tünetek a vészreakció, illetve a stresszválasz során jelennek meg, melyek nagy pontossággal laboratóriumi körülmények között főleg molekuláris módszerekkel és speciális műszerekkel (pl. fotométer, fluorometer) vizsgálhatóak. A nagy léptékű technikai fejlődés azonban lehetővé teszi, hogy e tüneteket a gyakorlatban is diagnosztizálhatjuk. A multispektrális távérzékelés során használt szenzor ezekhez a speciális műszerekhez hasonlítható méréseket végez. Ezáltal lehetővé teszi a kultúra fizikális és növényélettani vizsgálatát az egész szezon során. Tehát a drónok és speciális kamerák, illetve szenzorok segítségével olyan adatokat gyűjthetünk az adott táblán vetett kultúráról, amik eddig csak laboratóriumban voltak mérhetőek. Ez nem utolsósorban lehetővé teszi a problémák és beavatkozási időpontok azonosítását.

Az AGRON-nál azon dolgozunk, hogy a drónokkal gyűjtött adatoknak értelmet adjunk és a gyakorlatban is hatékonyan használható döntéstámogatási rendszert építsünk. Ezzel el is jutottunk a következő nagy témakörhöz: milyen növényélettani jelenségeken alapulnak a mezőgazdasági monitoring és diagnosztika során alkalmazott módszereink?

A növények „jelei”: a multispektrális mérések alapjául szolgáló élettani jelenségek

A növények a fejlődésükhöz szükséges energiát a fotoszintetikus folyamataik segítségével termelik. A fotoszintézishez a legfontosabb a fény és a növények által termelt klorofill molekula. Utóbbi képes a fotoszintetikusan hasznosítható fény egy részét összegyűjteni, így speciális fehérjékkel együtt szakmai nyelven is antennának nevezett struktúrát alkot. A stresszfaktorok többek között ezen érzékeny struktúrákat is károsítják, így ez alapvetően határozza meg a növény élettani állapotát. Az anyagcsere egyensúlyának felborulásával pedig előbbi struktúrák pótlása is nehézzé válik, így szabad szemmel alapvetően a klorofilltartalom csökkenését láthatjuk. A stressz-szindrómából ez az egyik legmarkánsabb élettani tünet. A fotoszintetikus „teljesítmény” csökkenésével a növények növekedése is lelassul.

A fenti linken elérhető cikkben már részleteztük a növények reflektancia spektrumát. A látható tartományban a növény „jeleit” alapvetően azok klorofill tartalma határozza meg. A klorofillmolekula a kék és vörös tartományban hasznosítja a fényt, így a visszavert fény mennyisége minimális, a mért értékek alacsonyak. A zöld tartományban más színanyagok nyelnek el, amiket xantofillnak és karotinoidnak nevezünk. E molekulák többek között a túl sok fény károsító hatása ellen védik a növényt. A távoli vörös és közeli infravörös tartományban már a reflektancia kerül előtérbe. Az így mérhető értékek többek között a levélfelületről, nagyobb hullámhossz tartomány esetén a vízállapotról nyújtanak információt. A 2. ábrán jól látható, hogy a klorofilltartalom alapvetően a látható tartományban (400-700 nm) befolyásolja a mérhető paramétereket. Egyes hullámhossz tartományokban nagyobb elváltozások lehetnek, így a tág mérhető tartomány következtében a kisebb mértékű problémák is kimutathatóak.

2.ábra A reflektancia spektrum változása a klorofilltartalom függvényében

Drónokkal végezhető vizsgálatok az előbbi tünetek diagnosztizálását célozzák. Hagyományos kamerákkal vizsgálhatóak vetés előtt a tápanyaghiányt mutató talajfoltok, a tábla fedettsége, domborzati térképpel a növények növekedése. Multispektrális szenzorokkal mérhető a növények klorofilltartalma, becsülhető a nitrogénellátottsága. A paraméterek felhasználásával számszerűsíthető a kultúra egészségi állapota. Az újabb szenzorok segítségével pedig mérhetővé válhat fotoszintetikus hatékonyság, ami még korábbi és pontosabb detektálási időpontokat vetít előre.

Felhasznált irodalom:

Szigeti Z (2018): A növényi stresszel kapcsolatos felfogásunk változásai. Botanikai Közlemények. 105 (2) 1–14

Maes HW, Steppe K (2019): Perspectives for Remote Sensing with Unmanned Aerial Vehicles in Precision Agriculture, Trends in Plant Science, https://doi.org/10.1016/j.tplants.2018.11.007

AGRON Technologies Kft.

Minden jog fenntartva!