الاستشعار عن بعد فائق الطيف وعكس المعايير البيوكيميائية على مستوى الورقة والغطاء النباتي

تؤدي النظم البيئية دورًا حيويًا في تبادل الماء والطاقة والغازات الدفيئة بين التربة والنباتات والغلاف الجوي. وتُعدّ القدرة على رصد التغيرات في عمليات النظام البيئي، مثل احتجاز الكربون، ودورة المغذيات، والإنتاجية الأولية الصافية، وتحلل المخلفات النباتية، عنصرًا أساسيًا في تحديد الدورات البيوجيوكيميائية العالمية ورصد تغير المناخ. وفي نماذج النظم البيئية للغابات، ترتبط هذه العمليات بالمحتوى البيوكيميائي للغطاء النباتي، ولا سيما تركيزات النيتروجين واللجنين والسليلوز.

لذلك، يُعد فهم الأصباغ الموجودة في أوراق النبات شرطًا أساسيًا لتحسين تقييم وتحديد كمية فسيولوجيا النبات وحيويته.نظراً لأن تقدير التركيب الكيميائي للغطاء النباتي باستخدام أساليب أخذ العينات الميدانية التقليدية يستغرق وقتاً طويلاً وغير مناسب للدراسات الإقليمية والعالمية واسعة النطاق، فإن تقنية الاستشعار عن بعد للكيمياء الحيوية للأوراق (المغذيات والأصباغ)، كمؤشر على ظواهر الإجهاد أو الآفات وأمراض النباتات والكوارث الأخرى، لطالما كانت موضع اهتمام مديري الغابات وعلماء البيئة.

الشكل 1. الكشف عن المعايير البيوكيميائية على مستوى الغابة ومستوى الغطاء النباتي.

تُحدد ثلاثة أنواع من الأصباغ لون الأوراق من خلال امتصاص الضوء الانتقائي: الكلوروفيل (نوعان رئيسيان في النباتات الراقية، الكلوروفيل أ والكلوروفيل ب)، والكاروتينات (بما في ذلك بيتا كاروتين والزانثوفيل)، والأنثوسيانين. يرتبط محتوى هذه الأصباغ وتركيبها بالحالة الفيزيولوجية للأوراق، وتوجد بنسب مختلفة خلال مراحل تمايز الأوراق وشيخوختها. قد تعيق بعض الظروف تكوينها، مثل نقص العناصر الغذائية وتأثيرات الإجهادات اللاأحيائية - تلوث الهواء بالأوزون أو ثاني أكسيد الكبريت، والمعادن الثقيلة، والهجمات الفيروسية، أو نقص المياه - مما قد يؤدي إلى تغييرات في الخصائص البصرية للنباتات. يشير تركيز الكلوروفيل إلى عملية التمثيل الضوئي ومعدل امتصاص ثاني أكسيد الكربون الأقصى المحتمل. تساعد الكاروتينات على امتصاص الضوء، ولكنها تلعب أيضًا دورًا وقائيًا ضوئيًا، مما يشير إلى انخفاض عملية التمثيل الضوئي.يرتبط النيتروجين واللجنين بتوزيع الكربون ومعدلات دورة المغذيات، على التوالي، من خلال تأثيرهما على معدلات التحلل. كما يرتبط تركيز الكلوروفيل ارتباطًا وثيقًا بالنيتروجين، مما جعله معيارًا أساسيًا لدراسة غطاء النبات.

أظهرت دراسات عديدة وجود علاقة بين البيانات التي تم الحصول عليها بواسطة أجهزة قياس الطيف التصويرية والخصائص البيوكيميائية للأوراق. استخدمت الأبحاث المبكرة بشكل أساسي الانحدار التدريجي لتحديد العلاقات التنبؤية بين بيانات الاستشعار عن بعد ذات النطاق الطيفي الضيق والمتغيرات البيوكيميائية ذات الأهمية (مثل السليلوز، والكلوروفيل، واللجنين، والنيتروجين، والنشا). واقترحت دراسات لاحقة تقنيات بديلة، وهي تقدير المتغيرات البيوكيميائية باستخدام نماذج الانعكاس.

يُحدث الانتقال من مستوى الورقة إلى مستوى الغطاء النباتي تأثيرات تداخل قوية، مثل تأثير بنية الغطاء النباتي (مؤشر مساحة الورقة، وتوزيع زاوية الورقة) وخلفية التربة. وبالمقارنة مع ظروف المختبر المُحكمة، تتأثر البيانات المحمولة جوًا أو فضائيًا بعوامل أخرى، مثل تغيرات ضوء الشمس والظروف الجوية، فضلًا عن خصائص الجهاز (نسبة الإشارة إلى الضوضاء، وعرض النطاق الطيفي، وهندسة الرصد). وتؤدي هذه العوامل مجتمعةً إلى العديد من المشكلات في تحديد التركيب الكيميائي الحيوي للأوراق باستخدام بيانات الاستشعار عن بُعد. ومع ذلك، فقد أظهرت الدراسات ذات الصلة أن قياسات الإشعاع الطيفي للأغطية النباتية ترتبط بتغيرات في التركيب الكيميائي للغطاء النباتي، بما في ذلك تركيزات اللجنين والنيتروجين والسليلوز.

الشكل 2. مخطط التشتت الذي يوضح العلاقة بين مؤشرات الانعكاس المختلفة ومحتوى الكلوروفيل الكلي.