Klimatske promjene ugrožavaju održivu poljoprivrednu proizvodnju ne samo izravnim negativnim utjecajima na rast i razvoj usjeva, već i značajnim učincima na dinamiku i širenje štetnika i bolesti.
Brojni abiotički i biotički čimbenici stresa negativno utječu na rast i razvoj poljoprivrednih usjeva. Najznačajniji su abiotički čimbenici suša, toplinski stres i nedostatak dušika, a biotički štetni organizmi – kukci i uzročnici biljnih bolesti. Klimatske promjene imat će utjecaj na poljoprivrednu proizvodnju u obliku nižih prinosa, viših troškova i nužnog odstupanja od tradicionalnog uzgoja. Osim negativna utjecaja na rast i razvoj usjeva, klimatske promjene značajno intenziviraju pojavu i širenje štetnih organizama te brojni znanstvenici smatraju da će u budućnosti takve promjene biti još izraženije.
Daljinsko praćenje vegetacije i spektralna svojstva biljaka
Praćenje usjeva metodama daljinskih istraživanja tijekom vegetacije igra važnu ulogu pri donošenju specifičnih odluka i upravljanja agrotehničkim mjerama, ali također može poboljšati razumijevanje fizioloških procesa koji kontroliraju apsorpciju vode, dušika, razvoj biomase i konačan prinos. U današnje vrijeme brojni senzori sposobni su mjeriti spektralnu refleksiju biljaka, dajući pritom vegetacijske indekse korisne za procjenu biomase i zdravstvenog stanja usjeva. Većina daljinskih senzora koji se koriste u poljoprivredi temelji se na mjerenju dijela elektromagnetskog zračenja koje se pri interakciji s listom reflektira natrag prema senzoru, dok se ostatak zračenja apsorbira u fiziološke procese ili transmitira kroz biljno tkivo; upravo se omjeri refleksije, apsorpcije i transmisije koriste kao osnova za daljinsko i proksimalno praćenje stanja vegetacije.
Postoji nekoliko vrsta daljinskih senzorskih sustava koji se koriste u poljoprivredi, a najčešći su pasivni sustavi koji detektiraju Sunčevu elektromagnetsku energiju reflektiranu od biljaka. Daljinski senzori razlikuju se po osjetljivosti na različite valne duljine te po veličini objekata koje mogu registrirati, što se opisuje pojmovima spektralne i prostorne razlučivosti. Uz njih, važna je i vremenska razlučivost, koja određuje koliko se često mogu prikupljati podaci o istom području. Kombinacija navedenih razlučivosti definira prikladnost pojedinog sustava za specifične poljoprivredne primjene, poput praćenja rasta usjeva, procjene prinosa ili ranog otkrivanja stresa.
U praksi se najčešće koriste multispektralni i hiperspektralni senzori: multispektralni bilježe refleksiju u nekoliko širokih spektralnih pojaseva, dok hiperspektralni omogućuju detaljniju analizu zahvaljujući snimanju u velikom broju uskih valnih područja. Svaki materijal u prirodi (vegetacija, tlo, neživi objekti itd.) ima svoju jedinstvenu raspodjelu reflektiranog, apsorbiranog i transmitiranog elektromagnetskog zračenja. Ta se spektralna svojstva mogu koristiti za razlikovanje različitih materijala ili za dobivanje informacija o obliku, veličini i drugim fizikalnim i kemijskim svojstvima. Spektralna obilježja vegetacije značajno ovise o valnoj duljini. Na primjer, pigment klorofil u listu snažno apsorbira zračenje crvene i plave valne duljine, ali reflektira zelene valne duljine, dok je mjerenje i praćenje bliske infracrvene refleksije (NIR) jedan od načina na koji se može odrediti zdravstveno stanje vegetacije.
Spektroradiometri i razvoj senzorskih tehnologija
Spektroradiometri predstavljaju ključne instrumente u spektralnim istraživanjima jer omogućuju predviđanje prinosa, detekciju stresa uzrokovanog sušom, toplinom, štetnim organizmima ili nedostatkom hraniva te se mogu primjenjivati u poljskim i laboratorijskim uvjetima. Mjerenja se obično provode na razini lista ili sklopa (canopy razine). Analiza na razini lista manje je složena i često se izvodi u kontroliranim uvjetima, dok analiza na razini sklopa bolje odražava stvarne uvjete na polju. U posljednjim desetljećima broj istraživanja spektralnih otisaka biljaka znatno se povećao zahvaljujući razvoju multi- i hiperspektralnih kamera te modernih terenskih spektroradiometara, koji omogućuju precizno mjerenje cijelog elektromagnetskog spektra (350–2500 nm) i prikupljanje informacija o nizu morfoloških i fizioloških svojstava biljaka.
Spektroradiometri služe i kao referentni alat jer se podaci dobiveni na listu ili sklopu koriste za kalibraciju i validaciju satelitskih snimaka te onih snimljenih pomoću bespilotnih letjelica ili dronova. Na taj se način postiže poveznica između vrlo preciznih mjerenja u eksperimentalnim uvjetima i praćenja usjeva na velikim prostornim skalama, gdje sateliti i dronovi omogućuju pokrivanje cijelih poljoprivrednih površina ili regija.
Vegetacijski indeksi
Hiper- i multispektralni senzori mjere spektralnu refleksiju biljaka te pritom omogućuju izračun vegetacijskih indeksa. Vegetacijski indeksi mogu opisati zdravstveno stanje poljoprivrednih kultura, a svaki pojedini indeks koristi omjere i razlike između različitih dijelova elektromagnetskog spektra.
Vegetacijski indeksi temelje se na spektralnim razlikama u refleksiji i apsorpciji zračenja u različitim dijelovima elektromagnetskog spektra. Zelene biljke u procesu fotosinteze intenzivno koriste plavi (≈ 450 nm) i crveni dio spektra (≈ 670 nm), pri čemu se zračenje u tim valnim duljinama snažno apsorbira, a refleksija je niska. U zelenom području spektra (≈ 550 nm) apsorpcija je slabija, a refleksija veća, što listovima daje prepoznatljivu zelenu boju. U bliskom infracrvenom području (NIR ≈ 750–1300 nm) zdrave biljke pokazuju vrlo visoku refleksiju, jer unutarnja struktura lista intenzivno raspršuje zračenje.
Kod biljaka izloženih stresu dolazi do odstupanja od uobičajenog oblika spektralne krivulje. Promjene u refleksiji i apsorpciji jasno ukazuju na utjecaj stresa, a različiti abiotički i biotički čimbenici uzrokuju različite obrasce tih promjena. Biljni stres često dovodi do propadanja klorofila, što smanjuje sposobnost apsorpcije crvenog i plavog svjetla. Posljedica je kloroza – žućenje listova zbog smanjenja sadržaja klorofila i relativnog povećanja karotenoida.
Štetnici dodatno mijenjaju spektralne značajke vegetacije: grizenjem uzrokuju direktan gubitak biljnog tkiva, dok bodenjem i sisanjem iscrpljuju hraniva i vodu iz biljnih tkiva. Primjerice, lisne uši sišu floemske sokove iz pljevica na klasu pšenice, što posredno dovodi do smanjenja mase i kvalitete zrna. Praćenjem tih promjena i njihovih međusobnih odnosa moguće je dobiti vrijedne informacije o zdravstvenom stanju biljaka, sadržaju vode, biomasi i drugim važnim svojstvima vegetacije.
Brojni vegetacijski indeksi, temeljeni na valnim duljinama u vidljivom, bliskom infracrvenom i kratkovalnom infracrvenom dijelu spektra, koriste se u daljinskom istraživanjima. Najpoznatiji primjer je NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), koji kombinira crveno i NIR područje za procjenu relativne zelene mase, razvoja lišća, biomase i sadržaja klorofila. Danas je u literaturi opisano više stotina vegetacijskih indeksa, uključujući i specijalizirane indekse za pojedine tipove stresa ili različite razine mjerenja (list, sklop).Uz NDVI, često se koriste i EVI (Enhanced Vegetation Index) ili SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index), prilagođeni različitim uvjetima i razinama vegetacije.
Primjena vegetacijskih indeksa
Informacije o stanju usjeva danas se mogu prikupljati pomoću bespilotnih letjelica (dronova) opremljenih multispektralnim kamerama ili uz pomoć javno dostupnih satelitskih snimaka, poput programa Sentinel Europske svemirske agencije (European Space Agency – ESA) ili Landsat misija Američke svemirske agencije (National Aeronautics and Space Administration – NASA).
Uz razvoj digitalnih alata, jačanje informacijske pismenosti među poljoprivrednicima te poboljšanje internetske povezanosti u ruralnim područjima, očekuje se značajan napredak u primjeni ovih tehnologija u svakodnevnoj poljoprivrednoj praksi.
Vegetacijski indeksi u tom su kontekstu vrijedan alat jer omogućuju procjenu razine sušnog i toplinskog stresa, rano otkrivanje napada štetnih organizama, određivanje statusa dušika u usjevima te procjenu biomase, indeksa lisne površine (LAI) i konačnog prinosa. Na taj način povezuju spektralna mjerenja s praktičnim potrebama proizvodnje i stvaraju osnovu za donošenje preciznih i pravodobnih odluka. Njihova primjena omogućuje prostorno diferenciranu upotrebu poljoprivrednih inputa – gnojiva, vode za navodnjavanje i sredstava za zaštitu bilja – samo na onim dijelovima polja gdje su potrebni. Takav pristup smanjuje troškove proizvodnje, povećava učinkovitost korištenja resursa i ograničava negativan utjecaj na okoliš, čime se ostvaruju načela precizne i održive poljoprivrede.
U znanstvenim istraživanjima sve se veća pažnja posvećuje razumijevanju kako različiti čimbenici stresa djeluju na različite poljoprivredne kulture. Dobivena saznanja važna su za razvoj optimalnih strategija upravljanja usjevima u doba klimatskih promjena, kad su stresni čimbenici sve učestaliji i izraženiji te ozbiljno ugrožavaju stabilnost prinosa i sigurnost proizvodnje. Takva se istraživanja provode i na Agronomskom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu u okviru različitih projekata.
Posebno se ističe projekt Napredna i prediktivna poljoprivreda za otpornost klimatskim promjenama (AgroSPARC), proveden u suradnji s Fakultetom elektrotehnike i računarstva i ICENT-om (Inovacijski centar Nikola Tesla). Projekt je pokazao važnost interdisciplinarnog pristupa, u kojem se agronomija povezuje s elektrotehnikom i informacijskim tehnologijama, a ostvareni rezultati i razvijene metodologije predstavljaju osnovu za nova istraživanja, inovacije te razvoj rješenja za preciznu i održivu poljoprivredu.
Foto: Shutterstock
