سه شنبه, ۲۴ فروردین ۱۴۰۰ ۱۱:۳۱ ۲۶۴
چچ
فنولوژی

فنولوژی

در این مطلب به معرفی فنولوژی که یکی از پارامترهای مهم اقلیمی قابل استخراج از داده‌ های سنجش از دور می باشد، می پردازیم.

یکی از مباحث گسترده علم اکولوژی، فنولوژی است. فنولوژی به مطالعه زمان وقوع رخداد های تکرارپذیر زندگی گیاهان در رابطه با عوامل زنده و غیر زنده می پردازد. مطالعه فنولوژی گیاهان کمک به فهم و درک زیست گیاهی گونه‌ ها، روابط متقابل گونه اقلیم و اثرات متقابل گونه‌ ها در جوامع را مشخص می‌ نماید. توسعه و توزیع حوادث زندگی گیاهان در طول زمان، از قبیل رشد رویشی، ظهور و ریزش برگ، گلدهی، بذردهی و ریزش بذر می‌ تواند در دراز مدت، سازگاریهای فردی و جمعی گونه‌ ها و بقای آن‌ ها را تحت تأثیر قرار دهد. تغییرات فصلی آب و هوا و رقابت بین گونه‌ ها، باعث ایجاد تنوع فنولوژیکی در گیاهان شده است. زمان وقوع دوره‌ های زندگی گیاهان تحت تأثیر تغییرات شرایط محیطی از قبیل بیماری‌ ها، خاک، رطوبت، مواد غذایی و سن گیاهان به صورت انفرادی قرار دارد. تنوع این عوامل در مناطق مختلف باعث تغییرات رشدی در گیاهان می‌ شود. از اینرو ارتباط دادن تاریخ بروز پدیده‌ های فنولوژیکی گیاه با متغیرهای اقلیمی به‌ ویژه دما می تواند در پیشبینی تاریخ‌ های ظهور آنها مهم و کارساز باشد. البته مطالعات زیادی در رابطه با بررسی فنولوژی گیاهان انجام شده است.


فنولوژی گیاه

شکل-1: فنولوژی گیاه


  • تعاریف

فنولوژی از واژه یونانی phanio، به معنی نشان دادن یا پدیدار شدن منشا گرفته است. پدیده‌ شناسی یا فنولوژی (Phenology‎) دانش مطالعه رویدادهای چرخه زیستی حیوانات و گیاهان دوره‌ای و چگونگی تاثیرپذیری آنها از تغییرات اقلیمی فصلی و میان‌سالی (در بازه چندین سال) است. مثال‌هایی مانند نخستین نشانه‌ ها از کوچ پرندگان، تاریخ گل‌دهی و برگ‌دهی اضطراری، تاریخ تغییر رنگ برگ‌ها و خزان گیاهان برگریز، نخستین پرواز پروانه‌ها، تاریخ تخم‌گذاری پرندگان و خزندگان نمونه‌های مطالعات پدیده‌شناختی هستند. از اطلاعات فنولوژیکی می‌توان جهت تعیین تاریخ کاشت گیاهان زراعی، پیش‌بینی زمان ظهور حشرات و شروع زمان مبارزه با آفات استفاده نمود. تقویم‌های فنولوژیکی، تاریخ وقوع فنوفازها و توالی در چرخه سالیانه را توصیف می‌نماید، در حالیکه فصل فنولوژیکی خصوصیات مراحل فنولوژیکی را نشان می‌دهد. فنولوژی، شاخه‌ای علمی است که درباره روابط میان اقلیم و پدیده‌های بیولوژیکی دوره‌ای بحث می‌کند.


  • دمای هوا و رشد گیاه

صرف‌نظر از اینکه تا چه اندازه شرایط گیاه از نظر نور یا رطوبت مناسب باشد، اگر دمای محیط گیاه از حداقل مشخصی کاهش یافته و یا از حداکثر معینی تجاوز کند رشد آن متوقف می‌شود. ما بین این دو حد یک درجه حرارت مطلوب و بهینه وجود دارد که گیاه در آن بیشترین رشد را خواهد داشت. این دماها را درجه حرارت‌های اصلی یا کاردینال می گویند. دماهای اصلی ممکن است در مراحل رشد گیاه تغییر نمایند. بعضی گیاهان در زمان جوانه‌زنی و مراحل ابتدایی رشد احتیاج به یک دوره با درجه حرارت پایین دارند. گیاهان دو ساله مانند چغندر قند برای تولید گل در سال دوم نیاز به مقداری سرما در اواخر سال اول دارند، زیرا برخی مواد که در دما های بالا از بین رفته‌اند برای شروع تولید مثل در طول سرما دوباره تجمع می‌کنند. سرما دادن به بذرهای جوانه زده قبل از کاشت را ورنالیزاسیون (vernalization) گویند. پدیده ورنالیزاسیون که توسط یک متخصص روسی به نام لی سنکو در سال ۱۹۲۵ ارائه شد کاربردهای علمی بسیاری دارد، زیرا با سرما دادن بذرهائی مانند گندم و چاودار زمستانه حتی اگر در بهار کشت شوند نیز به گل رفته و محصول خوبی می‌دهند.


  • تحقیقات اقلیم کشاورزی بر مبنای آستانه‌های فنولوژی

مطالعات اقلیم کشاورزی بر مبنای تعیین آستانه‌های دمایی (کمینه، بهینه و بیشینه) قرار دارد. با توجه به اهمیت شرایط اقلیمی بخصوص درجه حرارت در مراحل مختلف رشد و نمو گیاهان، در مطالعات اقلیم کشاورزی ضروری است که در انجام تحقیقات از داده‌های روزانه دیده‌بانی شده در ایستگاه‌های هواشناسی برای انجام تحقیقات استفاده شود. آستانه‌های دمایی در مراحل مختلف فنولوژیکی برای هر محصول را می توان از منابع کتابخانه‌ای، ایستگاه‌های تحقیقات هواشناسی کشاورزی و یا از طریق برداشت‌های میدانی در ایستگاه‌های تحقیقاتی مشخص نمود. البته مشخص نمودن این آستانه‌ها در مراحل فنولوژیکی هر محصول کار ساده‌ای نیست و نیازمند تجربه، تحقیق و بررسی می‌باشد. نبود ایستگاه تحقیقاتی برای محصولات باغی و زراعی در دانشگاه‌ ها و دانشکده‌ های ارائه‌ کننده دانش اقلیم کشاورزی، انجام کار بر روی آستانه‌های دمایی در مراحل فنولوژیکی را مشکل ساخته است. در مطالعات کشاورزی انجام کارهای میدانی با سهولت بیشتری انجام می‌شود، زیرا بخش عمده این مطالعات به صورت تجربی و میدانی در آزمایشگاه‌ ها و ایستگاه‌ های تحقیقاتی صورت می‌پذیرد. اما در دانش آب‌ و‌ هواشناسی کشاورزی، انجام کارهای میدانی با محدودیت‌ هایی چون عدم دانش کافی در انجام کارهای میدانی، نبود ایستگاه‌های تحقیقاتی وابسته به گروه‌های آموزشی و نبود ابزار های لازم مواجه می‌باشد. در حال حاضر استفاده از منابع تخصصی در زمینه محصولات مختلف و ایستگاه‌ های تحقیقاتی تا حدودی پاسخگوی تعیین آستانه‌ های فنولوژیکی برای تحقیقات اقلیم کشاورزی در محصولات مختلف می‌باشد، اما به دلیل محدودیت در این منابع، توسعه برداشت‌ های میدانی در ایستگاه‌های تحقیقاتی برای هر محصول در کنار آمار و اطلاعات دیده‌ بانی شده در ایستگاه‌ های هواشناسی زمینه‌ ساز پیشرفت‌ های علمی و غنی‌ تر در این زمینه خواهد بود. مطالعه بر روی آستانه‌ های فنولوژیکی برمبنای آمار دیده‌بانی روزانه در ایستگاه‌های هواشناسی، می‌تواند در شناسایی توانمندی‌ ها و محدودیت‌ های هر منطقه جغرافیایی در دراز مدت به منظور توسعه کشاورزی و استفاده بهینه از منابع، نقش سازنده‌ ای ایفا نماید. برخی از تحقیقات اقلیم کشاورزی برمبنای آمار روزانه و آستانه‌ های فنولوژیکی به صورت زیر می‌باشد:


o برآورد تقویم کشت برای هر محصول به منظور استفاده بهینه از منابع
o برآورد توزیع زمانی و مکانی وقوع یخبندان های زودرس پاییزه و دیررس بهاره
o تعیین و برآورد نیاز آبی بر مبنای شرایط حرارتی به منظور استفاده بهینه از منابع آبی
o برآورد درجه روزهای رشد در مراحل فنولوژیکی مختلف
o تعیین نیاز سرمایی بر مبنای دمای کمینه
o برآورد و شناسایی مدل وقوع پیش بینی خسارت در محصولات مختلف برمبنای آستانه های دمایی
o تعیین پتانسیل گرمایی هر منطقه در آستانه های مختلف دمایی
o تعیین و شناسایی طول فصل رشد برمبنای آستانه های دمایی


  • روش‌ های بررسی فنولوژی

به منظور بررسی فنولوژی یا پدیده‌ شناسی در طول یک دوره رویشی گیاهان از اندازه‌گیری‌ های میدانی استفاده می‌گردد. در این روش، در کرت‌ هایی، گیاه مورد نظر کاشته می‌شود. سپس تعدادی پایه از گیاه مورد نظر را در داخل پلات بصورت تصادفی انتخاب نموده و مراحل مختلف فنولوژی یا پدیده‌ شناسی از قبیل آغاز جوانه زنی، رشد رویشی، رشد گل آذین تا گلدهی کامل، شروع دانه دهی تا رسیدن دانه، ریزش دانه، ریزش برگ و شروع رکود گیاه و ... را در طول یک دوره رویشی دیده‌ بانی نموده و تاریخ وقوع پدیده دقیق یادداشت می‌شود. پیش‌بینی صحیح مراحل فنولوژی گیاه زراعی برای بهینه‌سازی فعالیت‌ های مدیریتی در مزرعه و سـازگاری بهتر تقویم زراعی با سیستم‌ های اگرواکولوژیک خاص، بسیار مهم می‌باشد. فاصله زمانی کاشت تا گلدهی یکی از خصوصیات مهم برای پیش‌بینی عملکرد و دستیابی بـه عملکرد بالقوه گیاهان زراعی در منـاطق مختلف می‌ باشد. مرحله نمو هر گیاه نشان‌دهنده سن فیزیولوژیک آن گیاه می‌باشد که به وسیله اندام‌ های مختلف و ظهور آن‌ ها مشخص می‌گردد. مهم‌ترین تغییر فنولوژیکی گیاه، عبور از مرحله رویشی به زایشی است که موجب تغییر در جابجایی ماده خشک در اندام‌ های گیاه می‌شود. با توجه به اینکه تعداد زیادی از فرآیند های فیزیولوژیک و مورفولوژیک بـا مرحله فنولوژی گیـاه تغییر می‌کنند، کمی‌ کردن دقیق مراحل نمو فنولوژیک برای هر یک از مـدل‌ های شبیه‌ سازی رشد ضـروری است. امروزه استفاده از روش‌ های مدل‌سازی و شبیه‌سازی مـراحل رشد و نمو، به عنوان ابزاری کارآمد در مدیریت بهینه گیاهان زراعی در سراسر جهان شناخته شده است.


بررسی فنولوژی گیاه با بازدیدهای میدانی

شکل-2: بررسی فنولوژی گیاه با بازدیدهای میدانی


بررسی فنولوژی گیاه با استفاده از اندازه‌گیری‌های میدانی

شکل-3: بررسی فنولوژی گیاه با استفاده از اندازه‌گیری‌های میدانی


یکی از روش‌ ها برای بالا بردن کیفیت محصولات کشاورزی، پایش فنولوژی محصولات کشاورزی با استفاده از فناوری‌ های نو مانند سنجش از دور است. ماهواره‌ های سنجش از دور ابزاری مناسب برای بدست آوردن نقشه پارامتر های محصولات گیاهی است و امکان تهیه این نقشه‌ها را در ابعاد وسیع فراهم می‌ کند. همچنین با استفاده از داده‌ های سری زمانی موجود در سنجش از دور می‌ توان به صورت مداوم و پویا محصولات کشاورزی را مورد نظارت و بررسی قرار داد. در سال‌ های اخیر، مطالعه فنولوژی محصولات زراعی با استفاده از داده‌ های ماهواره‌ای، گسترش فراوانی یافته است. از شاخص‌ های گیاهی نظیر NDVI، EVI، Greenness، Brightness و ... برای برآورد مراحل فنولوژی گیاهی استفاده می‌ گردد.


پایش فنولوژی با استفاده از  <strong class='sis-keyword'>سنجش از دور</strong> (سری زمانی شاخص گیاهی NDVI سنجنده MODI: سایت USGS)

شکل-4: پایش فنولوژی با استفاده از سنجش از دور (سری زمانی شاخص گیاهی NDVI سنجنده MODI: سایت USGS)


همچنین مدل ‌‎ها و پارامتر های مختلفی برای بازیابی مراحل مختلف فنولوژی محصولات کشاورزی با استفاده از داده‌ های پلاریمتری SAR ارائه و مورد استفاده قرار گرفته است که سعی در تقریب رفتار محصول دارند. تصاویر سری زمانی پلاریمتریک SAR در پایش محصولات کشاورزی، به دلیل داشتن حساسیت پلاریزاسیون به

1- ساختار گیاه مانند شکل، اندازه و جهت برگ، ساقه و میوه

2- ویژگی دی الکتریک تاج پوشش گیاه (آب درون گیاه)

3- ویژگی‌ های فیزیکی خاک زیرین گیاه مانند رطوبت خاک

مورد توجه است. داده‌های پلاریمتری SAR برای محصولات مختلف و یا محصول در مراحل رشد متفاوت، اثر متفاوت تولید می‌کنند، بنابراین می‌توان از این داده‌ ها برای پایش و بازیابی مراحل فنولوژی محصولات کشاورزی استفاده کرد.


مراجع:


1. Morison, J.I.L. Morecroft, M.D. 2006. Plant growth and climate change. Blackwell Publishing Ltd.P, 239.
2. Schwartz, M.D. 2003. Phenology: An integrative environment science. Kluwer Academic Publishers.
3. Dela haut,k.2002.Phenology.University of Wisconsin extention.

4. رشوند، س.، یگانه، ح.، سنایی، ا.، 1393. بررسی روند مراحل فنولوژی دو گونه tomentellus Bromus و ovina Festuca در ایستگاه الموت قزوین، مجله پژوهش‌ های گیاهی (مجله زیست‌ شناسی ایران)، جلد 27، شماره 4.
5. لاریجانی، ب.، طهماسبی، ز.، نعمت‌زاده، ق.، امیری، ا.، اصفهانی، م.، 1390. شبیه‌سازی مراحل نمو فنولوژیک و طول دوره رشد سه رقم برنج در سنین مختلف گیاهچه با استفاده از مدل ORYZA2000، مجله علوم زراعی ایران، جلد 13، شماره 3.
6. چراغی، ا.، مقصودی، ی.، صالحی، م.، 1398. بازیابی فنولوژی محصول با استفاده از امضای پلاریمتریک، نشریه علمی علوم و فنون نقشه برداری، دوره نهم، شماره 2.
7. میراحمدی، ا.، یزدان پناه، ح.، مومنی، م.، 1399. برآورد مراحل فنولوژی کلزا با استفاده از شاخص‌های گیاهی سنجش از دور و تصاویر دیجیتال دوربین عکاسی، نشریه تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی، دانشگاه خوارزمی.
8. علیزاده، ا.، 1389. اقلیم و هواشناسی کشاورزی. چاپ اول. انتشارات آستان قدس رضوی.
9. مظفری، غ.، 1382. اصول و مبانی هواشناسی کشاورزی. ترجمه. انتشارات نیک پندار.


آدرس کوتاه شده:
فهرست طبقات