Show publication content!
Transkrypt
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