Show publication content!

PRA CE INSTY TU TU G EO D EZJI I K A R TO G R A FII
Т о т X X V , Z eszyt nr 3(60), 1978
Z B IG N IE W BO CH ENEK
M IECZYSŁAW P A RAD O W SKI
A n a l i z a
n a
w p ł y w u
c h a r a k t e r y s t y k i
[528.711.029.672/.674:771.534.26] :547.979.7:633-l/-2
k o n c e n t r a c j i
s p e k t r a l n e g o
chlorofilu
odbicia
roślin
1. W stęp
P roblem w łaściw ego w yżyw ienia ludz.kości sta je się zagadnieniem
coraz bardziej złożonym, stąd ostatnie lata przyniosły szeroki rozwój
badań zm ierzających do popraw y sy tu acji żywnościow ej w Polsce ja k
i na świecie. Do tego celu w ykorzystuje się osiągnięcia z różnych dzie­
dzin nauk, k tó re jeszcze kilkanaście lat tem u nie m iały w ielu pow iązań
z rolnictw em . M iędzy innym i badania idą w k ieru n k u w ykorzystania
zdjęć lotniczych i obrazów sa te litarn y c h dla potrzeb rolnictw a.
W ostatnim czasie nastąpił szeroki rozwój tego ty p u badań. W iąże
się on z w prow adzeniem now ych m etod re je stra c ji prom ieniow ania elek ­
trom agnetycznego oraz in te rp re ta c ji zdalnie pozyskiw anych danych.
W śród m etod szczególnie użytecznych do badań środow iska roślinnego
należy w ym ienić technikę fotografii w ielospektralnej. Um ożliw ia ona
reje strac ję prom ieniow ania w w ąskich zakresach spektrum , stw arzając
szansę w ychw ycenia różnic odbicia spektralnego w ystępujących pom ię­
dzy poszczególnym i typam i upraw i zasiewów.
Jed n ą z głów nych cech, k tóra decyduje o w yróżnialności upraw ro l­
niczych na zdjęciach lotniczych, jest barw a roślin. O barw ie tej decy­
dują barw niki z g rupy chlorofilów i karotenoidów , przy czym decydu­
jące znaczenie m ają chlorofile. Stężenie karotenoidów jest znacznie niż­
sze i dlatego ich obecność je st zw ykle m askow ana. B arw niki żółte stają
się widoczne dopiero po rozkładzie chlorofilu.
Poszczególne gatunki roślin w okresie w egetacji c h a ra k te ry z u ją się
różną zaw artością chlorofilu. Z m iany kon cen tracji tego b arw n ik a nie
zależą jednak tylko od g a tu n k u roślin i ich wieku. Istn ieje cały szereg
przyczyn, k tóre decydują o intensyw ności zabarw ienia roślin, a tym
sam ym o różnej zaw artości chlorofilu w obrębie poszczególnych g a tu n ­
ków.
58
Z. Bochenek, M. Paradowski
W obecnych czasach dają się zauw ażyć coraz częstsze przypadki
objaw ów niedoboru m ikroelem entów w roślinach. P roblem ten wyłonił
się w m iarę zw iększania daw ek naw ożenia m ineralnego. Z ew nętrzną
oznaką niedoboru w roślinach takich składników jak żelazo, m angan,
m iedź czy też cynk — jest chloroza, czyli rozkład chlorofilu. Chloroza objaw ia się, przy zm niejszonej zaw artości tego barw nika, jasn o ­
zielonym zabarw ieniem albo jasnym i plam am i lub paskam i na liściach.
P rzy całkow itym b rak u chlorofilu liście ch ara k te ry z u ją się barw ą żół­
tą o różnym stopniu natężenia. O bjaw y chlorozy w ystępują także u ro ­
ślin rosnących w w arunkach deficytu azotu lub m agnezu. P ierw iastk i
te wchodzą w skład cząsteczki chlorofilu, stąd ich b rak pociąga za sobą
w strzym anie syntezy tego barw nika.
Oprócz w ym ienionych czynników chlorozę mogą w yw oływ ać rów ­
nież infekcje bak tery jn e, w irusow e i grzybow e, pew ne ow ady pasożyt­
nicze, odw odnienie m iękiszu zieleniowego oraz niedostateczny dopływ
tlen u do korzeni.
G eneralizując — roślina na większość niekorzystnych zm ian reaguje
zaburzeniam i w syntezie chlorofilu. Chloroza jest zw ykle pierw szym
objaw em zaburzeń w m etaboliźm ie rośliny. Ze w zględu na taką reak cję
roślin rozw ijających się w niekorzystnych w arunkach zaistniała po­
trzeba spraw dzenia korelacji m iędzy k oncentracją chlorofilu a w iel­
kością odbicia spektralnego, rejestrow anego za pomocą zdjęć w ielospektralnych. Możliwość uchw ycenia odchyleń w zaw artości chlorofilu okre­
ślonej upraw y pozwoliłaby na zlokalizow anie obszaru w ystępow ania
niekorzystnego czynnika, a następnie po pobraniu próbek w terenie,
dokładnego chem icznego oznaczenia czynników pow odujących chlorozę.
Oprócz tego istnieje przypuszczenie, iż chlorofil, a ściślej mówiąc jego
koncentracja, która jest ch arak tery sty czn a dla poszczególnych g a tu n ­
ków roślin, decyduje także o w yróżnialności upraw rolniczych.
W szystkie wyżej przedstaw ione zagadnienia zadecydow ały, iż po­
stanow iono dokładnie zbadać zależność korelacyjną pom iędzy koncen­
tra c ją chlorofilu w roślinie a wielkością odbicia w poszczególnych za­
kresach spektrum widzialnego i podczerw ieni fotograficznej.
P ro b lem aty k a dotycząca absorpcji, tran sm isji i odbicia prom ienio­
w ania w zależność: od koncentracji chlorofilu w roślinach była ju ż po­
ruszana w literatu rze, lecz w nioski w ynikające z tych badań b y ły czę­
sto niejednoznaczne.
G ausm an [3] i w spółpracow icy badali w pływ efektu niedoboru że­
laza w sorgo na odbicie spektralne. E fektem niedoboru tego pierw iastk a
jest chloroza, c h a rak tery zu jące się żółtym zabarw ieniem liści. Do ba­
dań w ybrano dwa poletka sorgo — z roślinam i zdrow ym i oraz w yka­
zującym i objaw y niedoboru żelaza. Zdjęcia lotnicze zostały w ykonane
Wpływ chlorofilu na charakterystyki spektralnego odbicia roślin
59
na film ie spektrostrefow ym . Po oznaczeniu zaw artości chlorofilu w w y­
b ran ej losowo próbie oraz re je stra c ji gęstości optycznej, określono
w spółczynniki korelacji m iędzy tym i p aram etram i. O trzym ano w a r­
tości r = 0,58. E fektem tych prób było stw ierdzenie, iż rośliny uszko­
dzone (chloroza) w porów naniu z roślinam i zdrow ym i, m ają wyższe od­
bicie w zakresie w idzialnym , zaś niższe w podczerw ieni.
W celu dokładniejszego w yjaśnienia zjaw iska zaobserw ow anego
w podczerw ieni G ausm an w ykonał szereg prób. R ejestrow ał odbicie
prom ieniow ania, w tym zakresie spektrum , dla liści w ielu gatunków
roślin. W ynikiem tych prac był wniosek, iż odbicie prom ieni podczer­
wonych uzależnione jest od zw artości liścia. I tak liście o dużych prze­
stw orach m iędzykom órkow ych odbijają dużo w ięcej prom ieni podczer­
wonych, niż liście o zw artej budowie. O ilości p rzestrzeni m iędzykom ór­
kowych decyduje głów nie s tru k tu ra m iękiszu gąbczastego. Tak więc ga­
tun ki roślin, których liście m ają stosunkow o zw arty m iękisz gąbczasty
odbijają m niej prom ieniow ania podczerwonego.
G ausm an [2] w ykonał cały szereg bardzo dokładnych prób. Polegały
one na ekstrahow aniu z kom órek roślinnych poszczególnych organelli
kom órkow ych i re je stra c ji ich odbicia prom ieniow ania podczerwonego.
Je d n ak fak t stw ierdzenia zróżnicow anego odbicia prom ieniow ania
przez poszczególne elem enty kom órki czy też tk an k i m a znaczenie
drugorzędne. W pływ przestrzeni m iędzykom órkow ych jest tak silny, iż
odbicie spowodow ane przez inne elem enty ulega m askow aniu. G ausm an
stw ierdza, iż drugim czynnikiem , m ającym stosunkow o duży w pływ na
odbicie prom ieniow ania podczerwonego, są m em brany plazm atyczne.
Ja k w ynika z powyższego krótkiego przeglądu dotychczasow e b a ­
dania nie w y jaśn iają w pełni w pływ u zaw artości chlorofilu w rośli­
nach na c h a ra k te r odbicia prom ieniow ania w poszczególnych zakresach
spektrum . Z tego względu zdecydow ano się przeprow adzić ek sp ery m en t
m ający na celu dokładniejsze poznanie tego zagadnienia.
Omówienie założeń metodycznych, realizacji i wyników eksperymentu
Dla przeprow adzenia dośw iadczenia w ykorzystano roślinę o nazw ie
C hlorophytum . C h a ra k te ry z u je się ona dużą zm iennością zaw artości
chlorofilu, w obrębie jednego liścia. Na liściach widoczne są w yraźne
paski o różnych odcieniach zieleni.
Fotografow ano w w arunkach la b o ra to ry jn y c h pojedyńcze liście.
Zdjęcia w ykonano k am erą H asselblad na film ie panchrom atycznym
Kodak Tri X oraz na film ie uczulonym na podczerw ień — K odak In­
frared A erographie. Do ośw ietlenia fotografow anych liści użyto źródła
60
Z. Bochenek, M. Paradowski
o tem p e ra tu rz e barw ow ej około 5500° К. Dokonano re je stra c ji w czte­
rech zakresach spektrum : niebieskim , zielonym , czerw onym i podczer­
wonym . W ykorzystano w tym celu filtry selektyw ne K odak W ra tte n
o następujący ch przedziałach przepuszczalności prom ieniow ania:
1 ) N r 47 В — 410— 460 nm
2) N r 58 — 505— 560 nm
3) 25 — 600—-700 nm
4) 87 - 770— 900 nm
Sfotografow ane liście C hlorophytum pocięto na pasem ka c h a ra k te ­
ry zu jące się w m iarę jednolitą barw ą. Na podstaw ie tej b arw y można
było założyć, że zaw artość chlorofilu na całej pow ierzchni pasem ka jest
rów na. Po zm ierzeniu pow ierzchni tych pasem ek, oznaczono w nich
zaw artość chlorofilu. P om iaru dokonano na aparacie Spekol w Z akła­
dzie Fizjologii Roślin SGGW -AR. Dzięki tej analizie otrzym ano w yniki
dotyczące zaw artości chlorofilu a, chlorofilu b i chlorofilu ab. D ane te
podano w u g chlorofilu /m m 2 liścia.
Rów nocześnie w ykonano drugą część eksperym entu. U zyskany m a­
teriał zdjęciow y został poddany standardow ej obróbce fotochem icznej.
Poniżej przedstaw iono przykładow o dwa zdjęcia, na k tórych zostały
zarejestrow ane obrazy liścia w zielonym i podczerw onym zakresie spek­
trum .
Rys. 1. Z akres 505—560 nm
W pływ chlorofilu na charakterystyki spektralnego odbicia roślin
61
Na o trzym anych negatyw ach dokonano następnie pom iaru gęstości
optycznej poszczególnych fragm entów liści m etodą profili poprzecz­
nych. P om iary te zostały w ykonane na m ikrofotom etrze firm y Joyce-Loebl, um ożliw iającym autom atyczną re je stra c ję w yników .
Poniżej podano przykładow o dwa w ykresy m ikrofotom etryczne dla
obrazów liści przedstaw ionych na zam ieszczonych w yżej zdjęciach.
1,50
1,20
0,90-
0,60
Г
i
0,30'
0,00m m
Rys. 3
Rys. 4
Rys. 3. M ikrofotogram liścia w zak resie 505—560 nm
Rys. 4. M ikrofotogram liścia w zak resie 770—900 nm
Z w ykresów m ikrofotom etrycznych odczytano w artości gęstości
optycznej dla poszczególnych fragm entów liści i zestaw iono je w ta b li­
cy zbiorczej — łącznie z w ynikam i dotyczącym i zaw artości chlorofilu.
D ane te opracow ano statystycznie. Obliczono w spółczynniki k o re­
lacji liniowej m iędzy zaw artością chlorofilu, a w artościam i gęstości op­
tycznej w poszczególnych wyciągach. W yznaczone w spółczynniki kore­
lacji przedstaw ione zostały w tablicy 1 .
Z danych zam ieszczonych w tablicy w ynika, że w spółczynniki ko­
relacji są wysokie dla w idzialnego przedziału spektrum . D otyczy to
zwłaszcza w yciągu zielonego. N atom iast w w yciągu niebieskim stw ier­
dzono nieco niższą zależność k o relacyjną m iędzy badanym i cecham i.
Z. Bochenek, M. Paradowski
62
Tablica 1
Tablica współczynników korelacji (r) między zawartością chlorofilu a gęsto­
ściami optycznymi negatywów
Zakres spektrum
Barwnik
chlorofil a
chlorofil b
chlorofil ab
Współczynniki korelacji
niebieski
zielony
czerwony
podczerwony
0,88
0,80
0.78
0,93
0,92
0,93
0,88
0,86
0,87
0,19
0,18
0.19
N ależy tu zaznaczyć, iż praw dopodobieństw o przypadkow ego o trz y ­
m ania takich w artości w spółczynnika korelacji w ynosi poniżej 0 , 1 %,
stąd w artości tych w spółczynników są wysoko istotne.
Nie stw ierdzono w yraźnych różnic w korelacji m iędzy zaw artością
poszczególnych rodzajów chlorofilu a w artościam i gęstości optycznej.
Jed y n ie w w yciągu niebieskim , zaznaczyła się nieco wyższa korelacja
dla chlorofilu a, niż dla innych rodzajów tego barw nika.
W przypadku zdjęć w podczerw ieni otrzym ano bardzo niską zależ­
ność korelacyjną koncentracji chlorofilu w liściach a zm ierzonym i w a r­
tościam i gęstości optycznej. W tym zakresie spektrum liście na całej
swej pow ierzchni w ykazyw ały podobną w artość gęstości optycznej bez
w zględu na zaw artość chlorofilu. Ilu stru ją to zamieszczone pow yżej
zdjęcia i w ykres m ikrofotom etryczny.
Wnioski końcowe
W ydaje się, iż w yniki są bardzo interesujące. W ysokie w spółczyn­
niki korelacji m iędzy koncentracją chlorofilu a gęstościam i optycznym i
negatyw ów w zakresie w idzialnym sugerują potencjalne możliwości w y­
korzystania tej zależności.
Dzięki wysokiej korelacji m iędzy tym i param etram i mogą być re ­
jestrow ane na zdjęciach lotniczych stosunkow o niew ielkie odchylenia
w zaw artości chlorofilu. Może to być w stępna inform acja co do uszko­
dzeń roślin, czy też niedoboru składników pokarm ow ych w danej glebie.
Należy jed n ak wziąć pod uw agę to, iż eksperym ent został w yko­
nany w w arunkach lab o rato ry jn y ch — stąd istnieje potrzeba rozszerze­
nia tego zakresu badań na w arunki terenow e.
Na podstaw ie zależności korelacyjnych m ożna stw ierdzić, że do te ­
go typu badań najbardziej p rzy d atn y będzie zakres sp ek tru m odpow ia­
dający barw ie zielonej.
Wpływ chlorofilu na charakterystyki spektralnego odbicia roślin
63
Niska korelacja m iędzy zaw artością chlorofilu a gęstościam i optycz­
nym i w zakresie podczerw ieni, stała się niejako potw ierdzeniem w cześ­
n iejszych spotrzeżeń G aum ana. Odbicie prom ieniow ania podczerw onego
w liściach uzależniał on głów nie od przestrzen i m iędzykom órkow ych
m iękiszu gąbczastego. Szczegółowa analiza przeprow adzona przez tego
badacza w ykazała, że chloroplasty w bardzo m ałym stopniu odbijają
prom ieniow anie podczerwone. N ależy tu zaznaczyć, że w dośw iadcze­
niu z C hlorophytum fotografow ano zdrow y liść, w k tórym oprócz zm ian
w zaw artości chlorofilu nie było żadnych objaw ów chorobotw órczych.
Pozwoliło to na w yjaśnienie, iż obserw ow ane często różnice w odbiciu
prom ieniow ania podczerwonego roślin zdrow ych i chorych p rzypisy­
w ane zm ianom zaw artości chlorofilu nie są w yw ołane stopniem kon­
ce n trac ji tego barw nika. O tych różnicach decydują przypuszczalnie ta ­
kie czynniki jak zm iany stru k tu ra ln e kom órek, tk an ek czy też ich od­
wodnienie.
BIBLIOGRAFIA
[1] G a t e s D. M.: R em ote Sensing W ith Special Reference to A griculture and
Forestry. N ational A cadem y of Sciences, W ashington, D. C. 1970
[2] G a u s m a n H. W.: L eaf Reflectane of Near Infrared. P h o to g ram m etric E n­
gineering 2/1974.
[3] G a u s m a n H., C a r d e n a s R., G e b o r m a n A.: Plant Size, etc. and Aerial
Films. P h o tog ram m etric E ngineering 1/1974.
R ecenzow ał doc. d r hab. A ndrzej Ciołkosz
64
Z. Bochenek, M. Paradowski
ЗБУГН ЕВ БО Х ЕН ЕК
МЕЧИСЛАВ ПАРАДОВСКИ
А Н А Л И З ВЛИЯНИЯ КО Н Ц ЕН ТРА Ц И И Х Л О РО Ф И ЛЛ А
НА Х А РА К ТЕРИ С ТИ К И СПЕКТРАЛЬНО ГО О ТРА Ж ЕН И Я
РАСТЕНИЙ
Р е з юме
Р абота эта имеет целью проверку корреляционной зависимости меж ду к о н ­
центрацией хлоро ф и л л а в ли стьях и величиной отраж ен и я в отдельны х д и ап а­
зонах спектра.
О пыт произведено в лаборатории. Ф отограф ированы бы ли отдельны е ли стья
C hlorophytum . Снимки выполнено в четы рёх ди апазонах спектра: голубом, зе ­
лёном, красном и близком инфракрасном у.
Н аивы сш ие ко эф ф и ц и ен ты корреляц и и между концентрацией хлор о ф и л л а
и оптическими плотностями установлено в зелёном диапазоне. В близком и н ф р а­
красном диапазоне не подтверж дено корреляционной зависимости м еж ду этими
параметрами.
Перевод: Róża Tołstikow a
Z B IG N IE W BOCHENEK
M IE C Z Y S Ł A W P A R A D O W S K I
ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF CHLOROPHYLL
CONCENTRATION OF CHARACTERISTIC OF SPECTRAL
REFLECTION OF PLANTS
Summar y
The aim of this elaboration is to check the correlation betw een chlorophyll
concentration in leaves and m agnitude of reflection in p articu la r sp e ctral bands.
E xperim en t was carried out in laboratory. Single leaves of C hlorophytum w ere
photographed. The photographs w ere taken in fo u r sp ectral bands: blue, green,
red and n e a r infrared.
The highest correlation factors betw een chlorophyle concentration an d op tical
d ensities w ere found in green band. No correlation connections betw een these
param eters w ere found in n ear infrared.
T ranslation: Jacek D om ański