小麥植株氮素營養(yǎng)無損監(jiān)測與精確調(diào)控研究.pdf

1、基于光譜的作物氮素營養(yǎng)無損監(jiān)測與精確調(diào)控技術(shù)對于高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效作物生產(chǎn)及精確氮肥管理具有重要的意義。本研究以不同年份、不同品種、不同密度、不同氮肥水平、不同播期和不同生態(tài)點(diǎn)的11個小麥田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用多種光譜儀獲取冠層反射光譜數(shù)據(jù)，確定小麥植株吸氮量核心波段、適宜帶寬和特征光譜指數(shù)，建立基于光譜指數(shù)的小麥植株吸氮量(plant nitrogen uptake，PNU)監(jiān)測模型，探尋小麥生育期快速監(jiān)測方法，構(gòu)建植株吸氮量和光譜指數(shù)適

2、宜動態(tài)模型，并集成建立植株氮素營養(yǎng)實(shí)時調(diào)控模型，研究結(jié)果為遙感技術(shù)在作物氮素營養(yǎng)管理上的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。
　　首先，提出了一種新的確定小麥植株吸氮量核心波段和適宜帶寬的方法。利用該方法，確定NDVI(807，736)是小麥植株吸氮量估測的最佳指數(shù)，定義為植株吸氮量指數(shù)（plant nitrogen uptake index，PNUI）?；谥仓晡恐笖?shù)構(gòu)建的監(jiān)測模型具有較高的準(zhǔn)確性，決定系數(shù)(R2)達(dá)到0.878，均

3、方根誤差（RMSE）為1.501gNm-2。獨(dú)立試驗(yàn)資料的檢驗(yàn)證明模型的穩(wěn)定性高，檢驗(yàn)的決定系數(shù)(R2)為0.834，均方根誤差（RMSE）為1.316gNm-2。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)不同的核心波段具有特定的最適帶寬，并且最適帶寬與其構(gòu)成植被指數(shù)的另一核心波段相關(guān)。NDVI(807，736)的核心波段807nm和736nm的最優(yōu)帶寬分別為71nm和18nm。
　　其次，比較了不同年份、品種及氮肥處理下植株吸氮量和植株吸氮量指數(shù)（PUNI

4、）的變化規(guī)律。根據(jù)小麥不同產(chǎn)量水平進(jìn)行聚類分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)成熟期植株吸氮量按照相應(yīng)的產(chǎn)量水平大致可以分為中產(chǎn)（Median yield，5250kg·hm-2）、高產(chǎn)（High yield，6750kg·hm-2）和超高產(chǎn)(Super high yield，8250kg·hm-2)。利用動態(tài)建模技術(shù)，建立了不同產(chǎn)量水平下的適宜植株吸氮量和植株吸氮量指數(shù)動態(tài)模型。擬合的定量模型具有較好的表現(xiàn)，植株吸氮量的Logistic模型的決定系數(shù)(R2

5、)均大于0.93，均方根誤差（RMSE）均小于0.56gNm-2;植株吸氮量指數(shù)的雙Logistic模型的決定系數(shù)(R2)均大于0.93，均方根誤差（RMSE）均小于0.005。
　　進(jìn)一步構(gòu)建了基于植被指數(shù)的小麥追氮調(diào)控模型，并設(shè)置了不同的基施氮肥試驗(yàn)，根據(jù)小麥精確追氮調(diào)控模型所計算出的適宜追氮量進(jìn)行調(diào)控，比較了各調(diào)控處理和相應(yīng)對照處理下的施氮量、生物量、植株吸氮量、產(chǎn)量及氮肥利用率。結(jié)果表明與相應(yīng)的對照處理相比，精確追氮調(diào)控處

6、理下的小麥產(chǎn)量分別提高了10.3％、2.9％和3.7％，總施氮量分別為對照處理的176.3％、103.7％和85.3％;氮肥利用率也得到了提高。
　　然后，基于不同施氮量、品種、播期和密度的六年小麥田間試驗(yàn)，利用GreenSeeker系統(tǒng)測定了不同處理下主要生育期的冠層反射光譜，通過分析冠層反射光譜與生育進(jìn)程之間的規(guī)律性關(guān)系，提出了一種快速監(jiān)測冬小麥生育期的新方法。結(jié)果表明，NDVI隨累積生長度日的變化規(guī)律可以通過雙Logisti

7、c方程來擬合;基于NDVI及其一階導(dǎo)數(shù)值(FD_NDVI)，通過Fisher線性判別函數(shù)，建立了小麥生育期監(jiān)測模型。研究結(jié)果表明，雙Logistic方程可以較好解釋不同處理下NDVI時間序列的變化規(guī)律，而建立的Fisher線性判別函數(shù)可以可靠地監(jiān)測生育期，精度達(dá)87.23％。
　　最后，比較和轉(zhuǎn)化了不同傳感器獲得的光譜反射率和植被指數(shù)數(shù)據(jù)。同步獲取的不同地面?zhèn)鞲衅?ASD，CropScan，GreenSeeker)光譜反射率數(shù)據(jù)的