夏玉米叶片全氮、叶绿素及叶面积指数的光谱响应研究

在夏玉米的不同生长阶段,测定冠层光谱,结合农学参数(LTN、CHL．C、CHL．D、LAI),研究了农学参数的光谱响应规律及其与冠层光谱参量(反射率R、一阶微分光谱R′和红边位置REP)的相关性,并建立预测数学模型,结果表明,拔节一抽雄期,伴随着植株生长和群体壮大,红边斜率缓慢增加,红边位置呈逐渐偏向长波方向的“红移”,至抽雄期群体稳定后而停止;开花-乳熟期,随着个体衰老和群体减弱,红边斜率减小,红边位置又呈偏向短波方向的“蓝移”。利用一阶微分光谱和红边位置推算夏玉米冠层CHL．D不仅是可行的,而且反演精度较高,最适模型分别为指数(R^2=0．9487)和抛物线(R^2=0．9392)。     

基于机载高光谱影像的植被冠层叶绿素反演

利用黑龙江省伊春市带领区凉水国家级自然保护区机载高光谱数据,提取了红边面积、三角形植被指数、归一化植被指数等15个光谱参数,结合坡度、坡向、海拔、郁闭度和植被总盖度5个地理参数,并利用叶绿素计SPAD-502对研究区植被冠层叶绿素相对含量进行同步测量,分析了叶片光谱反射率、反射率的一阶导数及其他变形分别与SPAD值的相关性,采用基于核变换的偏最小二乘原理建立了叶绿素相对含量的估测模型,用该模型对研究区植被冠层叶绿素相对含量进行定量估算.结果表明:当分段数为3、提取的主成分数为10时,所建模型的效果较好,模型决定系数达到0.855,平均绝对百分误差为9.6％,预测精度为89.7％.     

冠层水平互花米草叶片光合色素含量的高光谱遥感估算模型

以闽江河口鳝鱼滩湿地互花米草(Spartina alterniflora)的实测冠层高光谱反射率和叶片光合色素含量(LPPC)为数据源,在分析LPPC与原始光谱反射率、一阶导数光谱反射率、22种已报道光谱指数和14种新构建的植被指数相关性的基础上,利用直线回归、指数回归、对数回归以及乘幂回归方法,系统地比较了36种植被指数在估算互花米草LPPC中的表现。研究表明:(1)一阶导数光谱反射率组合的植被指数用于估算互花米草的LPPC优于原始光谱反射率;(2)红边区域一阶导数光谱是估测互花米草LPPC的最佳波段;(3)对于单一色素含量的估算,叶绿素a(Chla)的最佳估算指数为FDNDVI[723,703];叶绿素b(Chlb)的最佳估算指数为FDRVI[723,525];类胡萝卜素(Cars)的最佳估算指数为FDNDVI[723,703];(4)对于使用统一参量同时估算Chla、Chlb、Cars,由FDRVI[723,703]建立的对数估算模型效果最佳。研究成果可为湿地植物生化参量反演提供参考,也可为闽江河口湿地入侵种互花米草的动态监测和生态评估管理提供有力的科学依据。     

Sh-2超甜玉米乳熟期籽粒大小糖分积累酶活性变化及其相关性分析

试验研究了夏季两个不同播期的sh-2超甜玉米乳熟期籽粒大小、糖分积累、酶活性的变化及其相关性．结果表明,由于籽粒乳熟后期脱水,籽粒长度、宽度、厚度、体积和可溶性总糖、果糖含量呈中间高,两头低的抛物线型;籽粒淀粉酶、过氧化物酶(POD)、超氧化物岐化酶(SOD)活性变化也均呈抛物线型;曲线符合方程=a bx cx2(y为籽粒大小、糖含量、酶活性,x为授粉后天数,a,b,c为参数)．相关分析表明,在播期一,α-淀粉酶、β- 淀粉酶、POD、SOD活性与籽粒长度、宽度、厚度、体积和可溶性总糖、果糖含量均无显著相关;在播期二,α-淀粉酶活性与籽粒长度、宽度、体积和可溶性总糖、果糖含量,SOD活性与籽粒长度、体积存在显著负相关．     

拔节期干旱和复水对春玉米物候的影响及其生理生态机制

物候不仅是气候变化的指示指标,也是作物模型的关键参数。现有研究主要关注物候变化与气候环境因子的关系,关于植物物候变化的生理生态机制研究很少。基于春玉米拔节期干旱与不同时间(抽雄期和吐丝期)复水的田间模拟试验分析表明:(1)不同时间复水均使灌浆期延长,乳熟期推迟(9d),表明物候对前期水分胁迫存在记忆。(2)干旱条件下叶片净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)和相对叶绿素含量(SPAD)均随物候进程呈先降后升再降趋势,且均在抽雄期达到极小值;不同时间复水均使P_n、T_r和G_s在吐丝期达到极大值,而SPAD则在灌浆期达到极大值;叶水势(LWP)随干旱进程整体呈下降趋势,不同时间复水均只是减缓了其下降速度,表明LWP可用于描述物候对前期水分胁迫的记忆。(3)通径分析和决策系数分析表明,P_n是最主要的物候影响因子,而影响LWP的土壤相对湿度(RSWC)则是物候的主要控制因子,物候的变化是由P_n的累积变化引起,表明存在P_n的物候触发阈值。研究结果为春玉米物候变化的准确预测提供了依据。     

不同施肥条件下夏玉米光谱特征与叶绿素含量和LAI的相关性

在不同施肥方式下研究了长期试验地夏玉米在4个典型生育期的叶绿素相对含量(SPAD)、叶面积指数(LAI)和冠层光谱特征,系统分析了单波段以及由可见光和近红外波段组成的归一化差异植被指数(NDVI)与叶片叶绿素含量和LAI的相关性.结果表明:在同一个生育期,NK、PK处理和CK的光谱曲线特征相似,NPK、NP、OM、1/2OM1/2NPK处理的光谱特征曲线相似.除460nm外,其它单波段反射率与叶绿素含量和LAI都显著相关,尤其在510~1100nm波段相关性最为密切;不同波段组合的NDVI与这2个指标也显著相关,且相关系数大于单波段.从拔节期到乳熟期,绝大部分NDVI都可以有效地拟合叶绿素含量和LAI的变化,选用NDVI(560,950)和NDVI(660,760)建立拟合模型(R2>0.60),并以NDVI(560,950)拟合效果最佳(R2>0.80).可见,不同施肥方式条件下长期试验地夏玉米冠层光谱特征与叶绿素含量、LAI都具有良好的相关性,可以为夏玉米肥料管理提供科学依据.     

水稻叶片光谱对亚铁胁迫的响应

在湖泊富营养化治理过程中,除了要注意控制氮、磷的输入,还应考虑铁（Fe）的调控作用．本文基于“Fe^2＋假说”,探索性地将植物光谱效应应用于湖泊水体富营养化遥感预警机制研究．在水培条件下分析了亚铁（Fe^2＋）胁迫对水稻（Oryza sativa L．）体内Fe含量、叶绿素浓度及可见一近红外特征光谱的影响,并对其相关关系进行了深入探讨;同时,应用3个光谱定量化指标A1（Fe^2＋胁迫水稻叶片在460～670nm波段反射率变化积分值）、A2（Fe^2＋胁迫水稻叶片在760～1000nm波段反射率变化积分值）、S（Fe^2＋胁迫水稻叶片光谱曲线红边“蓝移”强度）分别建立了水稻叶片Fe含量与叶片光谱之间的定量相关关系模型．结果表明,随培养液中Fe^2＋浓度的升高,水稻体内Fe含量逐渐增加,叶绿素浓度降低,叶片光谱反射率在可见光波段升高,在近红外波段降低,同时红边发生“蓝移”．水稻叶片的3个光谱指标A1,A2,S与叶片中Fe含量都具有显著相关性,相关系数分别为0．933（P〈0．01）,-0．965（P〈0．01）和0．946（P〈0．01）,且A1,A2和S3个参数都能够较好地模拟（复相关系数R^2〉0．96）和估测水稻叶片Fe含量。     

翅果油树叶面积和叶重的预测模型

数学模型对于非破坏性地研究和预测植物的生长状况非常方便有效。以山西省翅果油树自然保护区翅果油树（Elaeagnus moles）叶片为研究对象,利用简单易测的叶长（L）、叶宽（w）和叶绿素含量（SPAD）及其不同的组合作为模型拟合参数,建立了关于叶面积（LA）、叶饱和鲜重（SFW）和叶干重（DW）的预测模型共10个,选择拟合度最好的模型作为LA、SFW和DW的预测模型,这3个模型分别为：LA=3．647＋0．383LW＋0．001LWS（R=0．968）,SFW=-0．464＋0．081L＋0．00008LV／S（R=0．963）,DW=-0．094＋0．032W＋0．0001LS（R=0．960）,并用实测值对模型进行了验证,结果表明LA、SFW和DW的预测值与实测值分别达到了高度一致,能够用于对实际未知叶片LA、SFW和DW的预测。     

控制大田和自然大田稻纵卷叶螟危害水稻生理生态参数估算模型

为了准确监测和客观评估稻纵卷叶螟对水稻生长发育和产量形成的危害,利用ASD Field Spec3地物波谱仪和SPAD-502叶绿素仪分别采集控制大田试验（2015年和2019年）和自然大田试验（2020年）在各生育期（拔节期、孕穗期、灌浆期、成熟期）水稻的冠层高光谱数据和SPAD值,调查采集样点的虫量和水稻卷叶率,对比分析两种试验中稻纵卷叶螟的虫害发生特征、水稻冠层光谱特征和水稻生理生态参数特征,建立基于高光谱参数的水稻受稻纵卷叶螟危害的生理生态参数估算模型。结果表明,（1）两种试验的水稻SPAD值和冠层的红边至近红外波段的反射率均随着稻纵卷叶螟虫害程度的加重而降低,而可见光波段的反射率则相反;（2）自然大田试验的SPAD值和红光至近红外波段的冠层反射率在水稻生长发育前期要显著低于控制大田试验,而到了后期则反而要略高于控制大田试验;（3）综合分析筛选出自然大田试验和控制大田试验中的多个虫害特征参数和植被指数分别构建出了SPAD的单因子和多因子估算模型,各模型均达到了较好的估算效果,在单因子模型中EVI的二项式函数模拟效果最好,而多因子线性回归估测模型的模拟效果优于所有的单因子模型;（4）通过2021年对这些模型的应用检验发现：这些模型中基于虫量、卷叶率、OSAVI、EVI和DVI的单因子估算模型的SPAD估算值与实测值拟合度很高,其R_v²均超过了0.8,达到了比较理想的估算效果,这为稻纵卷叶螟危害下的水稻SPAD值估测提供了一种精度较高且可行的估算方法。     

基于高光谱的苹果果期冠层光谱特征及其果量估测

苹果冠层光谱特征是苹果树遥感生理监测和生产管理的重要依据。对栖霞市苹果果期的冠层反射光谱进行实测,结合数码照相技术探明了苹果果期的反射光谱特性和敏感波段,并通过敏感波段与果树比指标建立回归模型,实现了对苹果冠层果量(果树比)的无损估测。结果表明:苹果树果期冠层光谱曲线总体表现为对蓝光和红光的吸收及对绿光的反射,在近红外750—1300nm之间表现为强烈的反射,且在1650nm和2200nm附近呈现两个反射峰。选择435、670、730、940、1140nm和1480nm等6个波段为苹果果期的敏感波段。利用这些波段分别构建了差值、比值及归一化植被指数,筛选了最佳光谱参数,进而构建了果量(果树比)估测模型,经筛选验证确定苹果果量的最佳估测模型为:y=0.0086[NDVI(940,730)]2-1.0934NDVI(940,730)+0.3209。模型为苹果果期果量的精确估测提供了比较快捷的方法途径。     

干旱对东北春玉米生长发育和产量的影响

选取玉米品种丹玉39为供试材料,利用大型农田水分控制试验场,采用大田池栽方式,在玉米三叶-拔节期、拔节-吐丝期、吐丝-乳熟期分别开展中度干旱胁迫及复水控制对比试验,分析3个关键生育时期干旱胁迫对春玉米生长发育和产量的影响.结果表明：与水分适宜对照（CK）相比,三叶-拔节期遭受干旱胁迫后,全生育期推迟13 d,至拔节普遍期,株高偏低29.8%,叶面积偏小41.2%,复水后,株高和产量得到较大程度恢复,果穗性状和最终产量差异不大;拔节-吐丝期遭受干旱胁迫后,全生育期缩短7 d,至吐丝普遍期,株高偏低18.6%,叶面积偏小14.1%,果穗长、穗粒数、果穗干质量、穗粒质量分别下降6.9%、19.1%、28.1%和29.4%,空秆率增加13.3%;吐丝-乳熟期遭受干旱胁迫后,全生育期缩短15 d,生长至乳熟普遍期,株高偏低2.3%,叶面积偏小37.3%,果穗长、穗粒数、果穗干质量、穗粒质量分别下降9.2%、24.1%、30.8%和27.9%,空秆率增加24.5%.拔节-吐丝期、吐丝-乳熟期干旱胁迫处理并复水后,玉米株高恢复不明显,产量降幅显著.     

不同类型饲用玉米群体光合生理特性的研究

对两种类型饲用玉米的群体生理特性进行了研究,结果表明：青贮型玉米的叶面积和叶面积系数较大,吐丝前叶面积增长快,吐丝后叶片衰老略快,拔节至吐丝25d期间作物生长率较高,光合势和干物质积累量大,是决定生物学产量的关键时期,青贮型玉米科多8号的适宜密度在67500株／hm^2左右;粮饲兼用型玉米叶面积和叶面积系数较小,吐丝前叶面积增长较快,吐丝后叶片衰亡较慢,吐丝后至成熟期期间干物质积累量和光合势大,作物生长率高,是决定其生物学产量和籽粒产量的关键时期,粮饲兼用型玉米陕单310的耐密性较好。     

土壤水分胁迫对玉米形态发育及产量的影响

未来气候变化可能加剧的干旱化将对我国主要粮食和最重要的饲料作物玉米产生严重影响。为增进玉米对干旱化响应与适应的理解及制定应对策略 ,利用大型活动遮雨棚及池栽对玉米进行了全程水分控制试验研究。对不同土壤水分胁迫下的玉米形态表征、生长发育及产量的分析表明 ,玉米受干旱胁迫的影响程度因受旱轻重、持续时间以及生育进程的不同而不同 ,受旱越重 ,持续时间越长 ,影响越甚。大喇叭口期前 ,玉米株高和生物产量受有限供水或轻度干旱影响不算很大 ,但从大喇叭口期后直至抽雄和灌浆期 ,轻度干旱胁迫持续久了也会对株高和生物产量产生较大不良影响。严重干旱胁迫则从拔节始至灌浆期均对株高和生物产量影响更为不利。进而引起果穗性状恶化 ,穗粒数和百粒重减小 ,最终导致经济产量大幅下降。说明玉米生育前期(大喇叭口期前 )进行有限的控水可行。而玉米生育前期干旱胁迫将使生育进程明显延缓 ,严重干旱胁迫可使抽雄、吐丝期较水分充足滞后 4 d左右 ,并引起成熟期推迟     

干旱条件下夏玉米地-气温差的影响因素及其模拟

地-气温差指标表征作物水分亏缺状况已经被广泛研究,但地-气温差随作物生育进程的变化特征及其影响因子的观测研究仍较少,制约着地-气温差的准确模拟.基于夏玉米2014年三叶期和2015年拔节期的5个灌溉水分控制试验资料的研究表明: 随着夏玉米生育进程的推进,土壤水分的变化显著影响了夏玉米农田的地-气温差,土壤水分亏缺越严重,地-气温差越高.在整个水分处理期间,归一化植被指数是地-气温差的主要影响因子且两者呈显著的线性关系,但不同生育期地-气温差还受其他因子的影响:三叶期后受冠层吸收光合有效辐射比影响且呈显著的线性关系,三叶期至拔节期则受土壤相对湿度和空气相对湿度的影响且呈显著的线性关系.在此基础上,基于2014年试验资料建立了夏玉米全生育期地-气温差模拟模型、营养生长期地-气温差模拟模型和生殖生长期地-气温差模拟模型,并利用2015年夏玉米拔节期5个灌溉水分控制试验资料进行了模型验证,结果表明,夏玉米全生育期地-气温差模型可以解释2015年地-气温差变异的63%,但地-气温差分生育期模拟模型,即营养生长期地-气温差模拟模型和生殖生长期地-气温差模拟模型综合的模拟结果则可解释2015年地-气温差变异的79%.研究结果为基于地-气温差的作物干旱指标定量评估作物干旱提供了依据.     

弱光胁迫对不同耐荫型玉米果穗发育及内源激素含量的影响

2010—2011年以耐荫性较弱的玉米杂交种豫玉22和耐荫性较强的玉米杂交种郑单958为材料,在抽雄前3 d开始进行弱光胁迫处理,吐丝后10 d恢复自然光照,研究弱光胁迫及光恢复对不同耐荫型玉米果穗生长发育及其内源激素含量的影响。结果表明:弱光胁迫下,玉米果穗生长发育明显减缓,穗长、穗粗和果穗干物质积累显著减小,秃尖度变大;穗行数、穗粒数和籽粒库容显著降低;吐丝期果穗顶部小穗子房发育停滞,已有败育迹象的籽粒在恢复自然光照后无明显改善;豫玉22果穗和籽粒性状在处理间的差异程度均大于郑单958。弱光胁迫下,两玉米杂交种果穗的ABA和ZR含量均升高,而GA含量和GA/ABA比值均降低;IAA含量和IAA/ABA比值在郑单958果穗中表现为升高,而豫玉22则表现为下降。     

基于叶片干物质的滴灌玉米临界氮稀释曲线构建

建立宁夏引黄灌区滴灌玉米临界氮浓度稀释曲线,采用临界氮浓度模型对滴灌玉米氮营养状况进行分析,探讨基于此模型推导的氮营养指数用于诊断氮营养的可行性,为实现滴灌玉米氮肥精准管理和生态环境保护提供理论参考。试验以‘天赐19’玉米为材料,设置6个氮素水平(0、90、180、270、360和450 kg·hm^-2),在2年田间定位试验的基础上构建基于叶片干物质(LDM)的滴灌玉米临界氮浓度(N_c)稀释曲线和氮营养指数模型。结果表明: 1)滴灌玉米叶片干物质和氮浓度之间呈负幂函数关系,其模型表达式分为2部分: 当LDM<1.15 t·hm^-2时,N_c=3.2%;当LDM≥1.15 t·hm^-2时,N_c=3.29LDM^-0.29;2)拟合模型的评价指标均方根误差(RMSE)和标准化均方根误差(n-RMSE)分别为0.203、8.0%,年度间具有较好的稳定性;3)不同氮素处理下,氮营养指数(NNI)在0.47~1.44。不同生长阶段NNI与产量呈显著正相关,与氮肥农学利用效率呈显著负相关,故NNI可进一步解释滴灌玉米在限氮和非限氮条件下的产量变化。本研究基于叶片干物质构建的临界氮浓度稀释曲线可在滴灌玉米拔节期至吐丝期提供准确的氮素营养状况估测。     

甘肃省黄土高原旱作玉米水分适宜性评估

运用甘肃省天水、西峰农业气象试验站1981—2008年玉米观测资料及两地相应时段的气象资料,利用FAOPenman-Monteith公式及作物系数对玉米各生育阶段的需水量进行估算,建立了玉米水分适宜度计算模型,对1981—2008年玉米全生育期及各生育阶段的水分适宜度进行了计算,分析了玉米产量与水分适宜度的相关性。结果表明,甘肃省黄土高原种植玉米的水分条件比较优越,年平均水分适宜度均在0.50以上。陇西黄土高原(天水)与陇东黄土高原(西峰)水分适宜度相关程度较好,变化趋势比较一致。1995年是水分适宜度的转折年份,1981—1995年陇西黄土高原水分适宜度以0.12/10a的趋势降低,陇东黄土高原以0.11/10a的趋势下降;1995—2008年陇西黄土高原水分适宜度以0.18/10a的趋势升高,陇东黄土高原以0.06/10a的趋势上升。水分适宜程度以成熟期较好,降水量可满足玉米需水的70%以上,旺盛生长阶段水分适宜程度较差,降水量只能满足玉米生理需水的49%—55%,初始生长阶段耗水较少,大气降水对需水的满足程度在50%以上。出苗期—七叶期、拔节期—抽雄期、抽雄期—乳熟期、乳熟期—成熟期的水分适宜度呈20世纪80年代较高,90年代较低,21世纪初较高的趋势变化;七叶期—拔节期水分适宜度从20世纪80年代到21世纪初持续降低。陇东黄土高原各个生长阶段的水分适宜度比陇西黄土高原偏高约0.1。除成熟生长阶段外,陇西黄土高原的需水量均大于陇东黄土高原。水分适宜度与玉米产量相关性最显著的时期为七叶期—拔节期,其次为拔节期—抽雄期,出苗期—七叶期、抽雄期—乳熟期及乳熟期—成熟期的水分适宜度与玉米产量相关性不显著。利用建立的水分适宜度模型可对甘肃省黄土高原旱作玉米的水分适宜性进行评价,为当地玉米种植区划及科学管理提供依据。     

石羊河流域武威绿洲春玉米水氮耦合效应

为探讨西北旱区春玉米最佳的水氮耦合模式,在甘肃石羊河流域武威绿洲边缘进行田间正交试验,研究不同生育阶段水量分配及施氮量对春玉米群体产量和水氮利用的影响.结果表明：石羊河流域武威绿洲春玉米籽粒产量随施氮量的增加而增加;施氮量为300 kg·hm^-2、拔节期灌水136 mm时的籽粒产量最大.籽粒灌溉水利用效率随灌水量的增加而降低;全生育期灌水340 mm时增施氮肥可使籽粒产量和籽粒灌溉水利用效率同时提高;施氮量为300 kg·hm^-2、苗期和灌浆期分别灌水34 mm时籽粒灌溉水利用效率最大.各因素对玉米植株全氮累积总量的影响由大到小依次为：施氮量、拔节期灌水、苗期灌水、灌浆期灌水和抽穗期灌水.石羊河流域武威绿洲春玉米水氮耦合最佳模式为：施氮量300 kg·hm^-2,苗期、拔节期、抽穗期和灌浆期分别灌水34、136、68和102 mm.     

内蒙古河套灌区春玉米苗期光温指标

利用2012-2013年在内蒙古河套灌区巴彦淖尔市的春玉米分期播种试验数据,结合农业气象站多年的作物观测资料,分析了河套灌区光温条件变化对春玉米苗期生长发育的影响,得到不同适宜度光温指标体系,并应用多项式拟合方法将温度指标插值到苗期生长的每一天,形成动态连续温度指标曲线,可以更客观和精细地反映温度对春玉米苗期生长发育的影响.结果表明: 播种 出苗期和出苗 拔节期温度每上升1 ℃,出苗速率和发育速率分别约提升11%和12%,生物学下限温度分别为7.4和11.9 ℃;播种 出苗期适宜温度为16.0～18.0 ℃,三叶期叶面积指数可达0.0172以上;出苗-拔节阶段适宜温度为21.6～23.0 ℃,气温越高,地上部光合作用越强,叶片和植株生长越快,拔节期叶面积指数和株高分别可达2.15和120 cm以上;出苗 拔节阶段日照百分率≥74%、平均日照时数≥11.0 h·d^-1或总日照时数≥540 h,植株叶片干质量可达34 g以上.