基于连续统去除法的冬小麦叶片氮积累量的高光谱评价

作物氮素状况是评价长势、提高产量和改善品质的重要指标,它对作物氮素诊断与管理具有重要意义。本文基于不同施氮水平下的冬小麦冠层光谱及相应的叶片氮积累量数据,将广泛应用于岩矿高光谱分析中的连续统去除法借用至作物冠层氮素营养状况评价。通过对550~760nm波段的冠层光谱进行连续统去除处理,提取了3个吸收特征。结果表明:在所有生育期中,叶片氮积累量均随着施氮量的增加而增大;在所有氮处理中,从起身期、拔节期、孕穗期到抽穗期,叶片氮积累量均呈先增加后减小的趋势,且在孕穗期达到峰值;在各生育期,吸收峰总面积、吸收峰左面积和吸收峰右面积均随着施氮量的增加而增大,面积归一化最大吸收深度均随着施氮量的增加而减小。通过相关分析发现:各吸收特征参数与叶片氮积累量之间均存在显著性相关,且面积归一化最大吸收深度参数的相关性最好;全生育期的相关性高于各单生育期;但从单生育期来看,孕穗期是监测叶片氮积累量最佳时期。回归分析结果发现,基于全生育期建立的叶片氮积累量评价模型均达到了极显著性水平。     

稻麦叶片氮积累量与冠层反射光谱的定量关系

作物氮素积累动态是评价作物群体长势及估测产量和品质的重要指标,对于作物氮素的实时监测和精确管理具有重要意义。该文以5个小麦(Triticum aestivum)品种和3个水稻(Oryza sativa)品种在不同施氮水平下的3年田间试验为基础,综合研究了稻麦叶片氮积累量与冠层反射光谱的定量关系。结果表明,不同试验中拔节后叶片氮积累量均随施氮水平呈上升趋势;稻麦冠层光谱反射率在不同施氮水平下存在明显差异,可见光区(460~710 nm)反射率一般随施氮水平的增加逐渐降低,近红外波段(760~1 220 nm)反射率却随施氮水平的增加逐渐升高;就单波段而言,810和870 nm处的冠层光谱反射率均与稻麦叶片氮积累量具有相对较高的相关性;在光谱参数中,比值植被指数(Ratio vegetation index, RVI)(870,660)和RVI(810,660)均与稻麦叶片氮积累量具有高度的相关性,且相关系数明显高于单波段反射率,尤其是水稻作物;对于小麦和水稻,均可以利用统一的波段和光谱指数来监测其叶片氮积累量,并可以采用统一的回归方程来描述其叶片氮积累量随单波段反射率和反射光谱参数的变化模式,但若采用单独的回归系数则可以提高稻麦叶片氮积累量估测的准确性。     

水稻氮素营养高光谱遥感诊断模型

对水稻氮素含量与原始光谱反射率、一阶微分光谱以及高光谱特征参数间的相关性进行了分析,并构建和验证了以遥感参数为自变量的水稻氮素营养诊断模型.结果表明：氮素含量在水稻各器官中总的变化趋势为茎<鞘<穗<叶;各器官在可见光波段的光谱反射能力为叶<穗<鞘<茎,在近红外波段则与此相反.以波长796.7 nm处的光谱反射率和738.4 nm处的一阶微分光谱反射率为自变量的线性模型和指数模型的决定系数（R²）分别为0.7996和0.8606,二者均能较好地诊断水稻氮素营养,但最适合诊断水稻氮素含量的拟合模型是以植被指数的归一化变量（SD_r-SD_b）/（SD_r+SD_b）为自变量构建的水稻氮素营养高光谱遥感诊断模型［y=365871+639323（SD_r-SD_b）/（SD_r+SD_b）,R₂＝0.8755,RMSE＝0.2372,相对误差＝11.36％］,该模型可定量诊断水稻氮素营养.     

棉花冠层高光谱参数与叶片氮含量的定量关系

建立棉花(Gossypium hirsutum)氮素状况的光谱监测技术对于棉花营养诊断和长势估测具有重要意义。该研究利用冠层高光谱反射率及演变的多种高光谱参数,分析了不同施氮水平下不同棉花品种叶片氮含量与冠层反射光谱的定量关系,建立了棉花叶片氮含量的敏感光谱参数及预测方程。结果显示,棉花叶片氮含量和冠层高光谱反射率随不同施氮水平呈显著变化。棉花叶片氮含量的敏感光谱波段为600~700 nm的可见光波段和750~900 nm的近红外波段,且叶片氮含量与比值植被指数RVI [average (760~850), 700]有密切的定量关系,4个品种的平均决定系数在0.70左右。进一步分析表明,可以用统一的回归方程来描述不同品种、不同生育时期和不同氮素水平下棉花叶片氮含量随反射光谱参数的变化模式,从而为棉花氮素营养的监测诊断与精确施肥提供技术依据。     

利用高光谱参数反演水稻叶片类胡萝卜素含量

为了探讨快速、准确预测水稻(Oryza sativa)叶片类胡萝卜素(Car)含量的敏感光谱波段和光谱指数, 通过实施涉及不同年份、不同生态点、不同施氮水平和不同品种类型的4个田间试验, 于主要生育期同步测定了水稻顶部4张叶片的光谱反射率及Car含量, 系统分析了350-2 500 nm范围内任意两波段组合而成的比值(SR (λ1, λ2))、归一化(ND (λ1, λ2))及已报道的对Car敏感的光谱指数与水稻叶片Car含量间的定量关系。结果表明, 不同Car含量水平下水稻叶片光谱反射率存在着明显变化, 以绿光及红边波段对水稻叶片Car含量变化最为敏感。723 nm附近的波段与近红外波段的比值组合以及713 nm附近的波段与近红外波段的归一化组合可以较好地预测水稻叶片Car含量, 以SR (723, 770)和ND (770, 713)表现最好, 线性拟合R²分别达到0.897和0.898。基于独立的试验资料的检验表明, 预测值和实测值的拟合R²分别为0.856和0.858, 均方根差RMSE均为0.072, 平均相对误差RE分别为11.9%和12.0%, 表明SR (723,770)和ND (770, 713)可有效地估算水稻上部叶片的Car含量。     

利用红边面积形状参数估测水稻叶层氮浓度

研究红边面积参数与叶层氮素状况的定量关系, 有助于水稻(Oryza sativa)生长信息的实时无损获取及精确追氮管理。该研究基于多年不同施氮水平和不同水稻品种的冠层高光谱数据, 系统分析了水稻的红边区域光谱、面积形状特征及其与叶层氮浓度的定量关系。结果表明, 水稻冠层红边区域微分光谱随不同氮素水平变化出现“三峰”现象, 峰值分别出现在700、720和730 nm附近, 且3个波段的峰值高低发生交替变化; 同时, 以3个峰值波段为中心与x坐标轴组成的微分光谱面积和形状相应发生变化。发现基于两两峰值波段划分所得红边子面积所构成的比值(双峰对称度)、归一化差值(归一化对称度)参数与叶层氮浓度具有密切的定量关系, 可作为估测水稻叶层氮浓度的红边面积形状参数。经曲线拟合和模型检验的结果显示, 双峰对称度DPS (A_675-700, A_675-755), 即由675~700 nm区域面积与675~755 nm区域面积的比值, 和DPS (A_730-755,A_675-700) (由730~755 nm区域面积和675~700 nm区域面积的比值)对水稻叶层氮浓度的估测效果最好, 可用于不同水稻品种和生长条件下的叶层氮浓度估测。     

土壤镉污染对水稻叶片光谱反射特性的影响

水稻移栽于添加不同量镉(50、100、200和400 ppm)的土壤上,叶片反射光谱特性发生变化:可见光区反射率增加,其中550—680nm波段反射率的增加更突出;反射光谱的一次微分图和二次微分图上叶绿素吸收边缘明显蓝移。这些变化以分蘖期最为显著。镉害水稻可见光区反射特性的变化与叶片中叶绿素含量的降低相一致。初步确定几个波段可用于区分镉毒害的和正常的水稻的光谱反射特性。     

基于高光谱指数的塔里木河上游胡杨和灰叶胡杨叶片氮素含量估测

采用高光谱技术,以胡杨、灰叶胡杨为实验材料,利用野外地物光谱辐射计获得了塔里木河上游胡杨、灰叶胡杨叶片的光谱反射率数据,同时进行叶片的采集并分析其氮素含量。结果表明:(1)以原始光谱反射率与叶片氮素含量的最大相关波段处的反射率为自变量,氮素含量为因变量,拟合的线性模型灰叶胡杨的决定系数大于胡杨,胡杨在657 nm处和灰叶胡杨689 nm处所构建的模型在叶片氮素预测模型中较为理想;(2)以光谱特征变量、植被指数及红边位置为自变量,叶片氮素含量为因变量所构建的线性模型拟合效果较好,其中叶片氮素与植被指数构建的模型其决定系数值较高,说明其具有较高的预测能力;(3)基于光谱面积的预测变量在监测叶片营养状况中也有较大的潜力。研究认为,利用高光谱反射率数据及其光谱变换参数来估测胡杨、灰叶胡杨的氮素含量是可行的。     

水稻冠层高光谱特征变量与叶片叶绿素含量的相关性研究

为了探讨水稻冠层光谱对叶片叶绿素含量的响应规律,以双季早稻为材料,设置不同施氮量处理的田间试验,测定水稻冠层光谱和叶片叶绿素含量,计算基于冠层反射光谱的特征变量,研究水稻冠层高光谱特征变量与叶片叶绿素含量之间的关系。结果表明:施用氮肥对反射光谱有明显的影响,在可见光范围内,不施氮处理的反射率高于施氮处理,尤其在波长550 nm左右的绿峰处显著增加,在近红外区反射率随施氮量的增加而增加;与叶绿素含量相关性较好的光谱位置参数是红边位置和红谷反射率,随着叶绿素含量的增加,红谷反射率降低,红边位置向长波方向移动;比值植被指数R800/R550、R750/R553和R990/R553,以及色素比值指数PSSRa、PSSRb与chla、chlb、chl(a+b)呈极显著正相关,可以作为水稻冠层叶片叶绿素监测的特征变量。     

太行山南麓栓皮栎和刺槐光合作用-CO2响应模拟

采用便携式光合仪(Li-6400XT)对太行山南麓栓皮栎、刺槐2个树种叶片光合作用-CO₂响应曲线进行测定,利用直角双曲线模型(RH)、非直角双曲线模型(NRH)以及直角双曲线的修正模型—叶子飘模型(YZP)进行曲线拟合,并对3种光合模型的拟合参数(最大净光合能力A_max、初始羧化速率η、光呼吸速率R_p、CO₂补偿点CCP和CO₂饱和点CSP)进行比较.结果表明: 与NRH和YZP模型相比,RH模型所得的A_max、η、R_p和CCP较高,分别高出实测值59.8%、128.6%、133.4%和19.8%.与RH模型和YZP模型相比,NRH模型拟合得出的A_max较大,高于实测值11.1%,η、R_p和CCP接近于实测值.YZP模型能较好地模拟光合作用对CO₂的饱和现象,在A_max和CSP的拟合效果上较好.栓皮栎阴叶的A_max、R_p和CCP比阳叶分别低31.3%、5.2%和14.3%.刺槐阴叶的A_max、R_p和CCP分别高出阳叶23.5%、11.0%和5.4%.栓皮栎、刺槐阴叶的η分别比阳叶高6.9%和7.0%.刺槐叶片的R_p和CCP与温度、光强均具有显著线性关系,η与气孔导度(g_s)具有显著线性关系.栓皮栎叶片的η与光强和气孔导度具有显著线性关系,CCP主要受温度和湿度影响.栓皮栎叶片的A_max与相对湿度和g_s具有显著的正线性相关关系.     

供氮水平对盐胁迫下水稻叶片光合及叶绿素荧光特性的影响

为了解供氮水平对不同时期盐胁迫下水稻(Oryza sativa)叶片光合及叶绿素荧光特性的影响, 以2个北方常规粳稻(Oryza sativa subsp. japonica)品种为材料, 在5个氮水平下进行培养, 于分蘖期、孕穗期和抽穗期分别进行盐胁迫处理, 测定分析了水稻叶片光合及叶绿素荧光参数的变化。结果表明, 与对照相比, 盐胁迫下水稻叶片的净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)和表观叶肉导度(AMC)均显著降低, 在分蘖期、孕穗期和抽穗期分别以2N、1N和1/2N水平下降低的百分率最小; 气孔限制值(L_s)则显著增加, 分别以2N、1N和1/2N水平下增加的百分率最大。盐胁迫下, 与对照相比, PSII的实际光合效率(ΦPSII)、表观光合量子传递效率(ETR)和光化学淬灭(qP)均显著降低, 在分蘖期、孕穗期和抽穗期分别以2N、1N和1/2N水平下降低的百分率最小; 非光化学淬灭(NPQ)呈增加的变化趋势, 与对照相比, 分别以2N、1N和1/2N水平下增加的百分率最小。以上结果说明盐胁迫下水稻孕穗后, 供氮水平适量降低有利于减缓叶片光合作用的下降, 提高其抵御盐害能力。     

两系法杂交水稻抽穗结实期持水量和叶绿素含量的动态变化及其与籽粒产量关系研究

对25个两系法杂交水稻抽穗结实期持水量和叶绿素含量的动态变化及其与籽粒产量关系的研究表明,杂种水分持有量变化存在因组合不同而异的特点,总体上叶片和茎鞘水分持有量抽穗结实期间表现为下降趋势,穗部水分持有量表现为先升后降的特点,以抽穗后第7d,即籽粒灌浆高峰期最大;叶、茎鞘部水分持有量所占比例呈下降趋势,穗部所占比例则一直呈上升趋势,茎鞘部始终是水分的主要贮存场所;单茎植株水分总持有量抽穗后第1天多数组合表现为正向父本优势,尔后多转为负向父本优势;籽粒产量与抽穗后各期片水分持有量呈正相关,与抽穗后第1d茎鞘水分持有量呈正相关,自第7d始转为弱负相关,与抽穗后穗部水分持有量呈正相关,与抽穗后单茎植株水分总持有量呈正相关,籽粒产量与水分持有量在各器官中分配的相关和籽粒产量与各器官水分持有量的相关趋势总体一致;两系杂交稻叶绿素含量表现为先升后降的特点,以抽穗后第7天最高,与常规稻父本相比,两系杂交稻叶绿素含量各期大多数组合低于常规稻父本,且下降速度快于常规稻父本.对于两系法杂交水稻,育种上应优先考虑选择灌浆前、中期植株水分持量优势较强、叶绿素含量较高、后期茎叶物质转运优势明显的组合;栽培上应注意保证灌浆前、中期水分及营养元素,特别是氮素的供应,还要注意后期的及时控氮脱水防贪青,促进茎叶贮存物质向籽粒运转.     

半湿润地区氮磷钾配施对强筋小麦功能叶光合速率的影响

选用优质强筋小麦品种陕253为材料,研究了不同氮磷钾肥水平及组合对小麦生育后期主茎、主茎分蘖Ⅰ和主茎分蘖Ⅱ功能叶净光合速率的影响,结果表明:在不同的NPK肥配比处理中,功能叶净光合速率在蘖位、叶位间差异均极其显著,不同生育期间存在明显差异,具体表现为:孕穗期高于灌浆期,主茎>主茎分蘖Ⅰ>主茎分蘖Ⅱ,旗叶高于倒二叶.孕穗期以N225P120K120处理对茎蘖功能叶光合速率影响最为明显,分别比CK1和CK2增加20.41%和25.76%;灌浆期以N135P225K120处理对茎蘖旗叶净光合速率作用显著,分别比CK1和CK2增加43.48%和10.83%.研究发现,在一定磷钾肥基础上通过调节氮肥可以调节孕穗期茎蘖功能叶净叶光合速率,提高钾肥用量有利于提高灌浆期各茎蘖功能叶的净光合速率.     

水稻纹枯病菌营养及寄主资源生态位

由于IPM概念的局限性,有害生物生态调控（EPM）理论和方法的提出发展了IPM,生态位原则是有害生物生态调控（EPM）的重要原则之一,生态位研究为EPM的具体实施提供了依据。应用可持续农业和EPM理论及生态位理论研究了水稻纹枯病的生态位,分析了水稻纹枯病菌氮肥营养生态位和寄主品种资源生态位,结果表明：以相对侵染效率作为指标,在水稻不同生育期,纹枯病的氮肥营养生态位宽度不同,其中以孕穗期的生态位宽度最小,为0.6979,拔节期、抽穗期、灌浆期和乳熟期的生态位宽度分别是0.9741,0.8884,0.7974和0.9815,表明水稻纹枯病在水稻不同生育阶段利用氮肥的效能不同。寄主品种资源生态位宽度在拔节期、孕穗期、抽穗期、乳熟期分别为0.9348,0.7677,0.8875和0.9962。以病情指数为指标,氮肥营养生态位宽度在拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期和乳熟期分别为0.9379,0.9696,0.6775,0.6729和0.7691。其氮肥营养生态位宽度在拔节期与孕穗期最大,生态位宽度指数接近于1。寄主品种资源生态位宽度在各生育期均接近1,表明寄主品种资源生态位宽度在各生育期是相似的,即说明水长期稻纹枯病菌利用品种资源各状态的选择和利用效能是相似的。     

生育前期遮光对水稻灌浆期剑叶生理特性及籽粒生长的影响

通过盆栽试验研究了生育前期（插秧至孕穗期）遮光对水稻分蘖、灌浆期剑叶生理特性、籽粒生长、产量及其构成因素的影响.结果表明：前期遮光使水稻分蘖数明显降低（降低26.72%）,齐穗期与成熟期发生延迟;遮光结束后,水稻灌浆期剑叶叶面积、可溶性糖含量分别比对照增加了33.86%和30.23%;每穗实粒数、千粒重、籽粒终极生长量、最大灌浆速率、平均灌浆速率分别比对照降低了8.65%、4.81%、9.74%、20.22%和19.13%;有效穗数与产量分别降低了25.26%和39.56%,差异显著;灌浆速率峰值的出现时间提前了1.66 d,实际灌浆时间延长了6.80 d.与弱耐荫水稻品种相比,耐荫品种灌浆前中期的剑叶叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b)含量增加,灌浆期的剑叶叶面积增加幅度大,蛋白氮、可溶性糖含量及叶绿素 a/b升高,籽粒终极生长量及千粒重接近对照,减产幅度相对较低.     

开放式二氧化碳浓度提高对武香粳14叶片硝酸还原酶活力的影响

大田栽培条件下,研究了开放式大气CO₂浓度提高（FACE）200 μmol·mol^-1对粳稻品种武香粳14各生育期功能叶片硝酸还原酶活力(NRA)的影响.结果表明,FACE明显提高了各生育期功能叶片NRA,拔节期、孕穗期、抽穗期、穗后10 d、穗后20 d水稻功能叶片NRA平均值分别比对照提高了50%、20%、60%、80%和30%,其中,FACE处理对拔节期、抽穗期和穗后10 d水稻功能叶片NRA水平影响较大.施氮处理明显影响了FACE条件下水稻功能叶片NRA,并且在不同生育期存在不同的趋势：拔节期,中氮＞低氮＞高氮;孕穗期和抽穗期,高氮＞中氮＞低氮;而穗后10 d及20 d则为中氮＞高氮＞低氮.FACE处理与施氮量对NRA存在互作效应,拔节期及穗后20 d两者互作效应达极显著水平,穗后10 d达显著水平,而孕穗期及抽穗期互作效应不显著.     

Effects of Delaying Transplanting on Agronomic Traits and Grain Yield of Rice under Mechanical Transplantation Pattern

A delay in the mechanical transplantation (MT) of rice seedlings frequently occurs in Huanghuai wheat-rice rotation cropping districts of China, due to the late harvest of wheat, the poor weather conditions and the insufficiency of transplanters, missing the optimum transplanting time and causing seedlings to age. To identify how delaying transplanting rice affects the agronomic characteristics including the growth duration, photosynthetic productivity and dry matter remobilization efficiency and the grain yield under mechanical transplanting pattern, an experiment with a split-plot design was conducted over two consecutive years. The main plot includes two types of cultivation: mechanical transplanting and artificial transplanting (AT). The subplot comprises four japonica rice cultivars. The results indicate that the rice jointing, booting, heading and maturity stages were postponed under MT when using AT as a control. The tiller occurrence number, dry matter weight per tiller, accumulative dry matter for the population, leaf area index, crop growth rate, photosynthetic potential, and dry matter remobilization efficiency of the leaf under MT significantly decreased compared to those under AT. In contrast, the reduction rate of the leaf area during the heading-maturity stage was markedly enhanced under MT. The numbers of effective panicles and filled grains per panicle and the grain yield significantly decreased under MT. A significant correlation was observed between the dry matter production, remobilization and distribution characteristics and the grain yield. We infer that, as with rice from old seedlings, the decrease in the tiller occurrence, the photosynthetic productivity and the assimilate remobilization efficiency may be important agronomic traits that are responsible for the reduced grain yield under MT.     

陇中黄土高原春小麦光谱反射特征

通过田间小区试验,测定了3个春小麦品种(高原602、陇春8139和定西24)在不同生育期和不同种植密度的光谱反射率及对应叶面积指数(LAI)和地上生物量,分析了其光谱反射的一般特征和红边参数特征以及光谱变量与LAI和地上生物量的相关性.结果表明:在整个波段内,春小麦冠层光谱表现为高原602＞陇春8139＞定西24,其叶片光谱表现为定西24＞陇春8139＞高原602;春小麦冠层光谱在可见光波段和中红外波段成熟期明显大于孕穗期,而叶片光谱在近红外波段孕穗期明显大于成熟期;随着种植密度的提高,在近红外波段冠层和叶片的光谱反射率逐渐增加;冠层光谱的红边均具有"双峰"现象,从孕穗期到成熟期,冠层红边位置呈现"蓝移"现象;LAI和地上生物量与冠层光谱变量之间存在较好的相关性.     

Metabolic Profiling and Physiological Analysis of a Novel Rice Introgression Line with Broad Leaf Size

A rice introgression line, NIL-SS1, and its recurrent parent, Teqing, were used to investigate the influence of the introgression segment on plant growth. The current research showed NIL-SS1 had an increased flag leaf width, total leaf area, spikelet number per panicle and grain yield, but a decreased photosynthetic rate. The metabolite differences in NIL-SS1 and Teqing at different developmental stages were assessed using gas chromatography—mass spectrometry technology. Significant metabolite differences were observed across the different stages. NIL-SS1 increased the plant leaf nitrogen content, and the greatest differences between NIL-SS1 and Teqing occurred at the booting stage. Compared to Teqing, the metabolic phenotype of NIL-SS1 at the booting stage has closer association with those at the flowering stage. The introgression segment induced more active competition for sugars and organic acids (OAs) from leaves to the growing young spikes, which resulted in more spikelet number per plant (SNP). The results indicated the introgression segment could improve rice grain yield by increasing the SNP and total leaf area per plant, which resulted from the higher plant nitrogen content across growth stages and stronger competition for sugars and OAs of young spikes at the booting stage.     

Estimation of leaf nitrogen content from spectral characteristics of rice canopy

Ground-based remotely sensed reflectance spectra of hyperspectral resolution were monitored during the growing period of rice under various nitrogen application rates. It was found that reflectance spectrum of rice canopy changed in both wavelength and reflectance as the plants developed. Fifteen characteristic wavebands were identified from the apparent peaks and valleys of spectral reflectance curves, in accordance with the results of the first-order differentiation, measured over the growing season of rice. The bandwidths and center wavelengths of these characteristic wavebands were different among nitrogen treatments. The simplified features by connecting these 15 characteristic wavelengths may be considered as spectral signatures of rice canopy, but spectral signatures varied with developmental age and nitrogen application rates. Among these characteristic wavebands, the changes of the wavelength in band 11 showed a positive linear relationship with application rates of nitrogen fertilizer, while it was a negative linear relationship in band 5. Mean reflectance of wavelengths in bands 1, 2, 3, 5, 11, and 15 was significantly correlated with application rates. Reflectance of these six wavelengths changed nonlinearly after transplanting and could be used in combination to distinguish rice plants subjected to different nitrogen application rates. From the correlation analyses, there are a variety of correlation coefficients for spectral reflectance to leaf nitrogen content in the range of 350-2400 nm. Reflectance of most wavelengths exhibited an inverse correlation with leaf nitrogen content, with the largest negative value (r = -0.581) located at about 1376 nm. Changes in reflectance at 1376 nm to leaf nitrogen content during the growing period were closely related and were best fitted to a nonlinear function. This relationship may be used to estimate and to monitor nitrogen content of rice leaves during rice growth. Reflectance of red light minimum and near-infrared peak and leaf nitrogen content were correlated nonlinearly.