不同氮水平和種植模式下大豆氮營養(yǎng)光譜估測研究.pdf

1、高光譜遙感是精準農(nóng)業(yè)重要的技術(shù)手段之一，為農(nóng)業(yè)中的定量分析和應(yīng)用開辟了良好的前景，受到研究者們的重視。大豆是我國重要的蛋白質(zhì)和油脂原料，在人們飲食結(jié)構(gòu)中占有重要地位，但近年來，大豆種植面積不斷下降，對外依存度大，產(chǎn)業(yè)形勢嚴峻，而間套作大豆可以有效的增加大豆種植面積和產(chǎn)量，提高土地利用率和產(chǎn)出率。大豆作為豆科作物，具有固氮作用，但無法滿足生長需求，氮素施用量和施用時間難以準確把握，利用高光譜遙感技術(shù)對大豆進行氮素營養(yǎng)的實時監(jiān)測估測研究，建

2、立一種適合于凈作和間套作的氮素積累量(LNA)估測模型，為高光譜技術(shù)在大豆上的應(yīng)用提供科學依據(jù)和理論技術(shù)的支持，從而推進精準農(nóng)業(yè)和數(shù)字農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和應(yīng)用推廣。
　　本研究采用凈作和套作兩種種植模式，0、60、120、180kgN/kg四個氮肥水平，不同施氮水平下大豆冠層葉片氮素積累量在生育期內(nèi)呈單峰變化趨勢，在結(jié)莢期達到最大值，2013年和2014年分別為9.08g/m2和8.01g/m2，而凈作大豆生育前期各施氮處理葉片氮素積

3、累量均高于套作，兩年規(guī)律表現(xiàn)一致。大豆的冠層光譜在綠峰區(qū)域和近紅外光區(qū)差異最大，其他光譜波段差異較小，其中凈作大豆冠層光譜反射率在400-1000nm波長范圍內(nèi)要高于套作，隨著生育時期的增加，在400-700nm可見光范圍內(nèi)，冠層光譜變化規(guī)律不明顯，700-1000nm近紅外光區(qū)的光譜也呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律，與冠層葉片氮素狀況變化規(guī)律一致。一階導數(shù)光譜隨著生育時期的增加，紅邊位置出現(xiàn)了紅移和藍移，紅邊幅值先增加后減小，不同施氮水平紅邊

4、位置平均值差異不大，不同種植模式呈現(xiàn)出相同規(guī)律，導數(shù)光譜的紅邊參數(shù)變化規(guī)律與大豆冠層氮素狀況的變化規(guī)律相同。
　　通過對不同種植模式、不同施氮水平下大豆葉片氮素積累量與冠層原始光譜、導數(shù)光譜、植被指數(shù)、光譜指數(shù)進行相關(guān)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn):原始光譜與LNA在700-1000nm近紅外光區(qū)呈正相關(guān)，可見光區(qū)呈負相關(guān)，在近紅外光區(qū)的相關(guān)系數(shù)要高于可見光區(qū)，其中一階導數(shù)光譜紅邊參數(shù)與冠層葉片氮素狀況相關(guān)性最高，達到0.8以上。基于光譜面積的光

5、譜參數(shù)與LNA的相關(guān)性除黃邊面積外，其余均達到了顯著或極顯著水平，特別是基于紅邊面積的光譜參數(shù)。通過選取前人研究與氮含量相關(guān)的植被指數(shù)與LNA進行分析，大部分特定植被指數(shù)都達到了顯著或極顯著水平，以地面葉綠素指數(shù)(MTCI)最高為0.88。系統(tǒng)分析原始光譜和一階導數(shù)光譜400-1000nm所有范圍內(nèi)光譜波段自由組合的光譜指數(shù)（比值光譜指數(shù)RSI、差值光譜指數(shù)DSI、歸一化光譜指數(shù)NDSI）與LNA的相關(guān)性，最高相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)在光譜指數(shù)DS

6、I(771，755)，相關(guān)系數(shù)為0.92;大豆葉片氮素積累量的敏感區(qū)域主要位于原始光譜的500-800nm和700-1000nm相交的光譜區(qū)域，導數(shù)光譜的700-800nm波段，而導數(shù)光譜相關(guān)系數(shù)較高的區(qū)域面積要小于原始光譜;通過小波變換分析，不同小波基函數(shù)、不同尺度和波段范圍分解的光譜變量對LNA相關(guān)性的大小和方向影響不一致，在紅邊和近紅外光區(qū)小波分解的光譜變量對LNA的相關(guān)性較好。
　　通過線性、非線性模型、逐步回歸和PLS方

7、法對所選的光譜變量構(gòu)建大豆冠層葉片氮素狀況預測模型。光譜指數(shù)DSI(771，755)、逐步回歸、偏最小二乘法篩選的光譜變量建立的回歸模型檢驗精度較高;采用1-256尺度分解下的不同小波函數(shù)對原始光譜數(shù)據(jù)進行處理，提取了特定的小波基函數(shù)sym8，它在210分解尺度、735nm下篩選的光譜變量所構(gòu)建的回歸模型檢驗精度也較高?；谛〔ǚ治鰳?gòu)建的模型檢驗的RPD值要大于其他方法，本文所建立的幾個模型的RPD值均大于2，說明這些模型均能對冠層葉片