Sammenhenger mellom kornplanters refleksjonsspektra og overjordisk biomasse, N-innhold og kornavlinger

Transkript

1 A. Korsæth & T. Gaardløs / Grønn kunnskap 9 (1) 147 Sammenhenger mellom kornplanters refleksjonsspektra og overjordisk biomasse, N-innhold og kornavlinger Audun Korsæth & Torkel Gaardløs/ audun.korsaeth@planteforsk.no Planteforsk Apelsvoll forskingssenter Sammendrag To håndholdte, multispektrale refleksjonssensorer ble brukt til å registrere mønsteret i lys reflektert fra kornplanter i vekst. Sammenhenger mellom slike spektralmålinger og målinger av N- innhold og overjordisk biomasse i bygg, høst- og vårhvete ble analysert. I tillegg ble også sammenhenger mellom spektralmålinger i juni og avling og proteininnhold ved tresking for bygg og høsthvete undersøkt. Resultatene viste at en gjennom refleksjonsanalyse kunne ikere henholdsvis 17-87% og 54-93% av variasjonen i N-innhold og overjordisk, rå biomasse for de tre kornartene. Tilsvarende tall for kornavlinger og proteininnhold var 85-88% og 34-36%. Prediksjonene var best der variasjonen i de målte planteegenskapene var størst. Kombinasjonen av multispektrale målinger og PLS-analyse av data ser ut til å være en lovende metode. Innledning En sentral forskningsoppgave innenfor området presisjonsjordbruk er søken etter robuste metoder for å måle variasjon i plantebestand og vekstforhold, slik at denne informasjonen effektivt kan brukes til å optimalisere gjødselmengdene. Multi- og hyperspektral refleksjonsanalyse er en tilnærming som står i fokus for tiden. Målet med dette arbeidet var å undersøke sammenhenger mellom multispektrale målinger og overjordisk biomasse og N-innhold i kornplanter i vekstsesongen. Det var også et mål å se om slike spektralmålinger i vekstsesongen kan brukes til å forutsi avling og proteininnhold ved tresking.

2 148 A. Korsæth & T. Gaardløs / Grønn kunnskap 9 (1) Materiale og metoder I juni 24 ble målinger gjennomført i en vårhveteåker på Apelsvoll og i to pågående gjødslingsforsøk; i et byggforsøk på Apelsvoll og i et forsøk med høsthvete i Vestfold. For målinger av plantenes refleksjonsspektra var to håndholdte sensorer tilgjengelig; CropScan (versjon MSR 16 R, CropScan Inc., Rochester, USA) og en forsøksversjon av N-sensoren (Yara, Hanninghof, Tyskland). Førstnevnte var satt opp til å måle refleksjonen i åtte middels brede spektralbånd (ca. 1 nm) fra 56 til 95 nm, og i fem brede (> 5 nm) bånd (fra 485 til 165 nm). Målingene ble korrigert for solvinkel og sensortemperatur. Som CropScan, måler N-sensoren refleksjonen i det synlige og det nær-infrarøde (NIR) området i mange bånd, men instrumentet er forhåndsprogrammert og gir kun fire kalkulerte indekser. Spektralmålinger ble gjennomført 7. juni 24 i høsthveten (vekststadium: Z 48-5) og 29. juni i bygget (Z 45) og i vårhveten (Z 49-51). I vårhveten ble 2 punkt valgt ut langs ei linje i åkeren, hvor det ble målt med begge sensorer. Vårhveten hadde fått 1 kg N/daa ved såing den 3. mai, mens delgjødsling skjedde etter måletidspunktet. I byggfeltet ble det også valgt ut 2 målepunkt. Byggfeltet var 16 m langt, 12 m bredt og inneholdt 2 gjentak med fire N-gjødselnivå:, 6, 9, 12 og 15 kg N/daa (for detaljer se Riley, 22). All gjødsla ble gitt ved såing (1. mai). Spektralmålinger ble gjort i alle fem N-ledd i fire av gjentakene. Feltet med høsthvete hadde en forsøksplan som lignet byggfeltet, men her ble det gjødslet to ganger. På våren (1. april) ble hele feltet gjødslet med 1 kg N/daa, unntatt en stripe i midten som ikke ble gjødslet (nulleddet). Ved begynnende strekning (Z. 32, 14. mai) ble det delgjødslet med, 4, 8 og 12 kg N/daa, slik at total N-tilførsel var enten, 1, 14, 18 eller 22 kg N/daa. I høsthveten ble det i alt valgt ut 25 ruter (alle fem ledd i fem av gjentakene) for spektralmålinger. Umiddelbart etter spektralmålingene, ble det på de samme punktene/rutene tatt ut planteprøver ved å klippe ut kornplantene på,25 m 2 store ruter. Våt og tørr biomasse ble analysert ved veiing, før de tørre prøvene ble malt og analysert for total-n. Høsthveten og bygget ble høstet med forsøkstresker (henholdsvis 12. og 23. august) og kornprøvene analysert rutevis for vann- og proteininnhold. Det ble ikke gjort målinger i vårhveten i forbindelse med tresking. Resultatene ble analysert med regresjons- og PLS-analyse (PLS: partial least squares ). N-sensoren produserer fire ferdig kalkulerte indekser, der S1 og S2, som antas å være sammensatt av flere båndbredder, er relatert til henholdsvis plantenes N innhold og overjordiske biomasse. De øvrige indeksene IR/G og IR/R er enkle kvotienter av to bølgelengder. (IR: refleksjon i det nærinfrarøde området av spekteret, G: refleksjon i det grønne området og R: refleksjon i det røde området). Indeksene fra N-sen-

3 A. Korsæth & T. Gaardløs / Grønn kunnskap 9 (1) 149 soren ble testet enkeltvis med lineære regresjonsmodeller. Data fra CropScan, med sine 13 målte bånd, ble analysert med stegvis regresjon (bare iktorer som bidro signifikant og som ikke var sterkt interkorrelert ble tatt med) og med PLS-analyse. For å evaluere resultatene ble R 2 for iksjon (R 2 ) kalkulert ved kryssvalidering. Mens vanlig R 2 sier noe om hvor godt en modell er tilpasset data, indikerer R 2 hvor godt modellen kan ikere nye observasjoner. Kryssvalideringen ble gjennomført ved gjentatt å utelate en observasjon, mens modellen rekalkuleres uten denne ene observasjonen, helt til alle observasjonene har blitt utelatt en gang ( leave-one-out -metoden). Resultater Det var nokså stor variasjon i målingene på feltene med ulik gjødsling (bygg og høsthvete), mens variasjonen var mindre for vårhveten, som ble gjødslet likt overalt (Fig. 1). For alle kornartene var variasjonen størst for rå biomasse, mens proteinmålingene hadde lavest variasjon av de målte variablene (bygg- og hvetefeltet). Bygget hadde størst variasjonen i overjordisk biomasse og kornavling, mens høsthveten viste størst variasjon i innholdet av plante-n og kornprotein. 5 Bygg Høsthvete Vårhvete 4 3 CV% 2 1 Total-N Biomasse rå Biomasse tørr Avling Protein Figur 1. Variasjonskoeffisienten (CV) av målingene gjort på kornplantene i vekstsesongen (Total-N, rå og tørr biomasse) og ved tresking (avling og protein) Det var meget god sammenheng mellom de målte byggegenskapene og CropScanmålingene, mens indeksene målt med N-sensoren var mindre egnet til en slik iksjon. Det var imidlertid klare forskjeller mellom de ulike planteegenskapene med hensyn til hvor godt de ble ikert. Rå biomasse ga høyest mens proteininnholdet ga lavest R 2.

4 15 A. Korsæth & T. Gaardløs / Grønn kunnskap 9 (1) R 2 iksjon Bygg, z 45 Total-N Biomasse, rå Biomasse, tørr Avling Protein 2 S1 S2 IR/G IR/R Stegvis regresjon PLS N-sensor CropScan Figur 2. Prediksjon av målte planteegenskaper hos bygg basert på spektralmålinger med N-sensor og CropScan kombinert med ulike regresjonsmodeller Målingene i høsthvete viste jevnt over meget gode sammenhenger mellom spektralmålinger og planteegenskaper, både for N-sensorens indekser, og kombinasjonen av CropScan og regresjonsmodeller (Fig. 3). Plantenes N-innhold på måletidspunktet og proteininnholdet i kornet ved tresking var vanskeligst å ikere ved hjelp av spektralmålingene. Det var påfallende små forskjeller mellom de mer avanserte indeksene S1 og S2 og de enkle kvotientene IR/G og IR/R. 1 Total-N Biomasse, rå Biomasse, tørr Avling Protein Høsthvete, z R 2 iksjon S1 S2 IR/G IR/R Stegvis regresjon N-sensor CropScan PLS Figur 3. Prediksjon av målte planteegenskaper hos høsthvete basert på spektralmålinger med N- sensor og CropScan kombinert med ulike regresjonsmodeller

5 A. Korsæth & T. Gaardløs / Grønn kunnskap 9 (1) 151 For vårhveten var det svært liten sammenheng mellom spektralmålingene og N- sensor-verdiene. CropScan kunne forklare omtrent 6% av variasjonen i både N-innhold og rå biomasse, men iksjonen (R 2 ) var vesentlig lavere, særlig for total-n (Figur 4). Total-N Biomasse, rå Biomasse, tørr 1 Vårhvete, z R 2 iksjon S1 S2 IR/G IR/R Stegvis regresjon N-sensor CropScan PLS Figur 4. Prediksjon av målte planteegenskaper hos vårhvete basert på spektralmålinger med N-sensor og CropScan kombinert med ulike regresjonsmodeller Diskusjon Nitrogen er som kjent plantens viktigste næringsstoff, og nest etter vann den mest vekstbegrensende faktor. Stor variasjon i N-innhold, overjordisk biomasse og avling er dermed å forvente når en tilfører fra til 15 kg N/daa i bygg og fra til 22 kg N/ daa i høsthvete. Til tross for lik gjødsling av vårhveten, var det likevel en del variasjon i målingene også her (Fig. 1). Plasseringen av målepunktene i vårhveten ble da også forsøkt lagt slik at en fikk med den variasjonen i vekst som var mulig å se med det blotte øyet på måletidspunktet. Delgjødsling av bygg praktiseres bare i liten grad foreløpig, men ny forskning er på gang. Det ser ut til å være en fordel med relativt tidlig delgjødsling til bygg. Målingene i dette forsøket skjedde ved Z 45, altså lenge etter at en normalt ville delgjødslet bygget. N-sensoren er kalibrert for delgjødsling av bygg, men ikke for bruk så sent i vekstsesongen. En direkte sammenligning av N-sensoren og CropScan blir dermed ikke helt korrekt. Et annet moment som vanskeliggjør en direkte sammenligning er den statistiske etterbehandlingen. Mens N-sensorens indekser (S1 og S2) må betraktes som ferdig kalkulerte, står en fritt til å etterprosessere CropScan-målingene. Resultatene illustrere likevel godt potensialet ved bruk av indirekte målinger for å estimere sentrale planteegenskaper. Det er blant annet verdt å merke seg at hele 85% av avlingsvariasjonen mellom byggrutene kunne ikeres allerede ved begynnende skyting.

6 152 A. Korsæth & T. Gaardløs / Grønn kunnskap 9 (1) En fikk et relativt bedre resultat med N-sensoren i høsthveten enn i bygget. Hvis høsthveten delgjødsles to ganger, skjer dette vanligvis ved begynnende strekning (Z 31) og ved skyting (Z 55). N-sensoren blir brukt i praksis ved begge disse stadier til å styre delgjødslingsmengden. Målingene i høstkornet ble gjort ved Z 48-5, og en del av plantene var dermed i gang med å skyte. Dette er et kritisk stadium for refleksjonsmålinger, siden refleksjonsbildet endres nokså mye ved skyting, og dette kan dermed gi mye støy i målingene. Resultatene kunne dermed kanskje vært enda bedre for høsthveten, hvis målingene hadde skjedd på et noe tidligere eller senere stadium. Slik det ble, var S1 (indikator for N-innhold) bare litt bedre enn S2 (indikator for biomasse) til å ikere N-innholdet i høstkornplantene, og S1 og S2 var omtrent like gode til å ikere biomasse. At de enkle kvotientene faktisk ga bedre iksjon, både for N-innhold (IR/G) og biomasse (IR/R) enn de avanserte S1 og S2, kan tyde på at N-sensorens potensial ikke ble helt utnyttet. Kombinasjonen av CropScan og regresjonsmodeller kom også for høsthveten best ut med hensyn til å ikere kornplantenes egenskaper. Metoden vil derfor utvikles videre, der en åpner for å ta inn enda flere bånd i analysene. Det var vanskeligst å ikere de målte planteegenskapene i vårhveten. Normalt stadium for delgjødsling av vårhvete er Z 49, og en god iksjon av sentrale egenskaper på dette tidspunktet er dermed ønskelig. En del av vårhveteplantene i denne undersøkelsen hadde imidlertid passert dette stadiet og begynt å skyte på måletidspunktet. Som allerede nevnt for høsthveten, kan dette ha bidratt til økt støy i målingene. Dessuten var variasjonen i planteegenskaper mye mindre her enn i byggog høsthvetefeltet (Fig. 1), og dette har nok bidratt til en dårligere modelltilpasning. N-sensorens S1 og S2 verdier ble brukt til å kalkulere anbefalt N-gjødslingsmengde. Kalkulert anbefaling varierte så lite (standardavvik:,6 kg N/daa) at de svake sammenhengene mellom spektralmålinger og planteegenskaper ikke ville hatt stor betydning i praksis, dersom N-sensoren hadde blitt brukt til å styre delgjødslingen. CropScan klarte å fange opp noe av den variasjonen som faktisk ble målt, men det var nokså stor forskjell på R 2 og R 2. Dette tyder på at modellen som ble tilpasset data var overtilpasset. En slik modell vil dermed fungere dårligere på andre data enn de som er benyttet i tilpasningen.

7 A. Korsæth & T. Gaardløs / Grønn kunnskap 9 (1) 153 Konklusjoner Det var god sammenheng mellom multispektrale målinger og overjordisk biomasse, N-innhold og kornavlinger. Prediksjonen var best der variasjonen av de målte planteegenskapene var størst. Kombinasjonen av reflektansmålinger i mange bånd og etterfølgende PLS-analyse ser ut til å være en lovende metode for å skaffe relevant informasjon på en effektiv måte, og det vil bli arbeidet videre med å utvikle metoden. Referanser Riley, H. 22. Nitrogengjødsling til bygg; effekter av jordvariasjon i to forsøk i 21. Grønn forskning 1: