基于高光谱遥感的小麦叶片氮积累量

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,因此叶片氮积累量的实时无损估测对作物生产的氮素管理具有重要意义.以多个小麦品种在不同施氮水平下的连续3a大田试验为基础,研究了小麦叶片氮积累量与冠层高光谱参数的定量关系.结果表明,冠层叶片氮积累量随着施氮水平的提高而增加,光谱反射率在不同叶片氮积累量水平下发生相应的变化.叶片氮积累量的敏感波段主要存在于近红外平台和可见光区,其中,"红边"区域表现最为显著.通过微分等技术构造多种植被指数,对高光谱参数和叶片氮积累量间进行相关回归分析,SDr/SDb、FD742和AVHRR-GVI 3个参数与叶片氮积累量关系最密切,方程拟合决定系数R2分别为0.9163、0.9097和0.9142,估计标准误差SE分别为1.165、1.079和1.077.经不同年际独立数据的检验表明,利用光谱参数FD742建立的模型对叶片氮积累量的估测精度为0.8449,预测的RMSE为0.984;红边位置REPIG对叶片氮积累量的估测精度和预测的RMSE分别为0.8394和1.014,表明预测值与观察值之间符合精度高,比较而言,FD742为自变量建立的模型可以更好地评估不同条件下叶片氮素积累状况.     

基于减量精细采样法估算小麦叶片氮积累量的最佳归一化光谱指数

基于6个小麦品种、5个施氮水平、4年田间试验条件下不同生育时期的小麦叶片高光谱反射率和相应的氮含量及生物量,采用减量精细采样法,系统构建了350～2500 nm范围内所有两两波段组成的归一化光谱指数［NDSI（i, j）］,综合分析了小麦叶片氮积累量(LNA, g N·m^-2)与NDSI（i, j）的定量关系,确定了估算叶片氮积累量的新高光谱特征波段和光谱指数,进而建立了小麦叶片氮积累量监测模型.结果表明：估算小麦叶片氮积累量的敏感波段主要存在于可见光区和近红外区,最佳特征波段组合为720 nm和860 nm;基于NDSI(860,720)的叶片氮积累量监测模型为LNA=26.34×［NDSI(860,720)］^1.887（R²=0.900,SE=1.327）.利用独立试验资料的检验结果表明,基于NDSI(860,720)建立的回归模型对小麦叶片氮积累量的估测精度为0.823,RMSE为0.991 g N·m^-2,模型预测值与观察值之间的符合度较高.可利用新的归一化高光谱参数NDSI(860,720)来估算小麦叶片氮积累量.     

基于作物生长监测诊断仪的双季稻叶片氮含量和氮积累量监测

为了验证作物生长监测诊断仪(CGMD)监测双季稻氮素营养指标的准确性和适用性,构建基于CGMD的双季稻叶片氮含量(LNC)和氮积累量(LNA)的监测模型。选用8个不同早、晚稻品种,设置4个不同施氮水平,利用CGMD采集冠层差值植被指数(DVI)、归一化植被指数(NDVI)和比值植被指数(RVI),同步利用ASD FH2高光谱仪采集冠层光谱反射率,并计算DVI、NDVI和RVI;通过比较CGMD和ASD FH2采集的冠层植被指数变化特征,验证CGMD的测量精度,构建基于CGMD的LNC和LNA监测模型,并利用独立试验数据对模型进行检验。结果表明: 早、晚稻LNC、LNA、DVI、NDVI和RVI随施氮水平的增加而增大,随生育进程的推进呈先升后降的趋势;CGMD与ASD FH2采集的DVI、NDVI和RVI间拟合的决定系数(R²)分别为0.9350、0.9436和0.9433,表明CGMD的测量精度较高,可替代ASD FH2采集冠层植被指数。基于CGMD的3个冠层植被指数相比,NDVI_CGMD与LNC的相关性最高,RVI_CGMD与LNA的相关性最高;基于NDVI_CGMD的指数模型可较准确地预测LNC,模型R²为0.8581～0.9318,模型检验的均方根误差(RMSE)、相对均方根误差(RRMSE)和相关系数(r)分别为0.1%～0.2%、4.0%～8.5%和0.9041～0.9854;基于RVI_CGMD的幂函数模型可较准确地预测LNA,模型R²为0.8684～0.9577,模型检验的RMSE、RRMSE和r分别为0.37～0.89 g·m^-2、6.7%～20.4%和0.9191～0.9851。与化学分析方法相比,利用CGMD可便捷准确地获取早、晚稻的LNC和LNA,在双季稻丰产高效栽培和氮肥精确管理中具有应用价值。     

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。     

基于实测光谱混合像元分解的苹果园地遥感提取技术

以山东省栖霞市为研究区,对苹果花期的TM影像进行混合像元分解,提取苹果园地信息.基于实测地物光谱端元,利用小波变换对线性分解模型进行改进,采用实测端元改进后线性分解模型、实测端元线性分解模型、TM影像端元线性分解模型分别提取研究区苹果园地信息,并以ALOS数据进行精度评价.结果表明:经过精确的大气及地形校正后,可以利用实测光谱端元进行混合像元分解,面积精度＞97％,对丰度图像的归一化植被指数(NDVI)值与ALOS数据的平均NDVI值进行回归分析,R2＞0.8;利用小波变换对线性分解模型进行改进,可在一定程度上提高分解精度.     

基于遥感估算方法的干旱区植被覆盖度适应性评价

与浓密植被覆盖区相比,半干旱、干旱地区因植被覆盖较少、空间分布零散的特点,致使利用遥感手段提取植被覆盖度(vegetation fractional coverage,VFC)的精度较低。针对上述问题,本文首先分别讨论了回归模型法、像元二分法和混合像元分解法3种典型的VFC提取方法在干旱区VFC反演应用中的适应性及限制性因素;然后通过分析干旱区纯土壤端元植被指数值(NDVIs)对植被覆盖度的敏感性,将基于地面光谱测量的NDVIs应用于传统方法进行改进,以新疆大黄山典型干旱区为例,使用Landsat-8 OLI数据,进行植被覆盖度反演实验,最后使用实测VFC数据对反演结果进行精度验证。验证结果表明:基于混合像元分解理论的全约束最小二乘法在干旱区植被覆盖度的反演精度最高,反演值与实测值间的相关性(R~2)达到0.989,其次为改进的像元二分法(R~2=0.848)和回归模型法(R~2=0.827)。     

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。     

测墒补灌条件下施氮量对小麦开花后13C同化物积累量和水氮利用效率的影响

为探究黄淮冬麦区测墒补灌节水条件下协同提高小麦产量和水氮利用效率的氮肥管理措施,以小麦品种‘烟农1212'为材料,在拔节期和开花期将各处理0～40 cm土层土壤相对含水量均补灌至70%条件下,设置3个施氮水平,即150(N₁)、210(N₂)和270 kg·hm^-2(黄淮冬麦区常规施氮量,N₃),研究施氮量对小麦开花后旗叶光合特性、¹³C同化物积累与转运及水氮利用效率的影响。结果表明: N₂和N₃处理开花后14～35 d旗叶光合能力显著高于N₁处理,N₂与N₃处理间差异不显著。¹³C同位素示踪结果显示,N₂处理开花后营养器官¹³C同化物转运量比N₁和N₃处理分别高12.1%和7.1%,成熟期¹³C同化物在籽粒中的分配量比N₁和N₃处理分别高10.1%和5.3%。施氮量亦调节了小麦不同生育阶段的耗水量、耗水模系数和总耗水量,小麦全生育期耗水量表现为N₂与N₃处理无显著差异,但均显著高于N₁处理,N₂处理拔节至成熟期阶段耗水量和耗水模系数均较高。N₂处理水分利用效率比N₃和N₁处理分别高7.5%和4.8%,籽粒产量比N₃和N₁处理分别高4.7%和10.9%,氮肥偏生产力比N₃处理高34.6%。综合考虑小麦籽粒产量和水氮利用效率,施氮量为210 kg·hm^-2处理为研究区测墒补灌节水条件下的最佳施氮量。     

基于高光谱混合像元分解的干旱地区稀疏植被覆盖度估测

以Hyperion高光谱影像为数据源,选取流沙、假戈壁(影像端元)及荒漠植被(实测光谱端元)3种端元,利用非受限及全受限的混合像元分解对甘肃省民勤绿洲-荒漠过渡带的稀疏植被覆盖度进行了估测.结果表明:全受限混合像元分解得到的荒漠植被分量准确地代表了地表真实稀疏植被覆盖情况,两者之间的偏差不超过5%、均方根误差RMSE为3.0681;而非受限的混合像元分解结果则明显小于地面实测植被覆盖度,两者之间虽具有一定相关性,但相关性不高(R2=0.5855);与McGwire等的相关研究相比,全受限混合像元分解对稀疏植被覆盖度的估测具有更高的精度及可靠性,具有广阔的应用前景.     

基于几何光学模型的毛竹林郁闭度无人机遥感定量反演

基于几何光学模型,探讨无人机遥感数据在毛竹林郁闭度定量反演中的应用,并分析了无约束和全约束两种混合像元分解对反演结果的影响.结果表明:利用无人机遥感数据与几何光学模型在一定程度上能够实现毛竹林郁闭度的估算,但不同混合像元分解方法反演精度差异较大;相对于无约束混合像元分解而言,全约束混合像元分解反演得到的郁闭度精度高,其反演郁闭度与野外实测数据的相关系数达显著水平,决定系数R2为0.63,且均方根误差也很小,为0.04左右,能够较真实地反映毛竹林的实际情况.     

喷灌对冬小麦植株氮素积累运转及籽粒蛋白质含量的影响

以百农矮抗58为试验材料,以地面灌溉为对照,采用大田试验的方法,研究了喷灌对冬小麦植株氮素积累运转及蛋白质含量的影响.结果表明： 拔节期喷灌条件下冬小麦植株氮素积累量与地面灌溉条件下相比没有显著差异;孕穗期至成熟期,喷灌条件下冬小麦植株氮素积累量显著高于地面灌溉条件.喷灌条件下叶片、茎鞘、颖壳开花前贮藏氮素的运转量和对籽粒氮素的贡献率均大于地面灌溉条件;而开花后同化氮素对籽粒的贡献率较地面灌溉条件降低.喷灌条件下冬小麦籽粒的蛋白质含量和蛋白质产量较地面灌溉条件显著提高.表明喷灌可明显调节冬小麦氮素物质运转和籽粒蛋白质积累.     

过量施氮对冬小麦生产力的影响

设置0、70、140、210和280 kg N·hm ^-2 5个施N梯度, 对冬小麦(Triticum aestivum)旗叶光合速率(A_leaf)、群体冠层光合速率(A_canopy)、作物生长速率(CGR)和籽粒产量(GY) 4个生产力水平进行综合观测研究, 结果发现: 在0-210 kg N·hm ^-2区间, A_leaf、A_canopy、CGR和GY都随施N量的增大而增大; 在施N量由210增加到280 kg N·hm ^-2时, GY没有显著变化, 而灌浆期A_leaf、开花期和灌浆期A_canopy、开花-成熟阶段CGR有显著减小。综合分析认为: 1)过量施N (280 kg N·hm ^-2)能显著降低灌浆期冬小麦A_leaf、A_canopy和CGR, 进而抑制GY; 2)过量施N对冬小麦光合生产力的抑制作用主要发生在灌浆期; 3)在A_leaf、A_canopy、CGR和GY 4个生产力指标中, A_canopy对过量施N的反应最敏感。     

氮肥运筹对晚播冬小麦氮素和干物质积累与转运的影响

氮素平衡对干物质积累与分配的影响是农业生态系统研究的重要内容,在保障产量前提下减少氮肥施用量可减少环境污染与温室气体排放。以晚播冬小麦为研究对象,设置4个施氮量水平:0 kg/hm2(N0)、168.75 kg/hm2(N1)、225 kg/hm2(N2)、281.25 kg/hm2(N3),每个施氮量水平下设置2个追氮时期处理:拔节期(S1)、拔节期+开花期(S2),研究了氮肥运筹对晚播冬小麦氮素和干物质积累与转运及氮肥利用率的影响。结果表明:拔节期追施氮肥(S1)条件下,在225 kg/hm2(N2)基础上增施25%氮肥(N3)对开花期氮素积累总量和营养器官氮素转运量无显著影响;拔节期+开花期追施氮肥(S2)条件下,随施氮量增加,开花期氮素积累总量和花后营养器官氮素转运量升高;S2较S1显著提高成熟期籽粒及营养器官氮素积累量、花后籽粒氮素积累量及其对籽粒氮素积累的贡献率。同一施氮量条件下,S2较S1提高了成熟期的干物质积累量、开花至成熟阶段干物质积累强度和花后籽粒干物质积累量。同一追氮时期条件下,籽粒产量N2与N3无显著差异,氮肥偏生产力随施氮量增加而降低;同一施氮量条件下,S2较S1提高了晚播冬小麦的籽粒产量和氮肥吸收利用率。拔节期+开花期追施氮肥,总施氮量225kg/hm2为有利于实现晚播冬小麦高产和高效的最优氮肥运筹模式。     

测墒补灌对冬小麦氮素积累与转运及籽粒产量的影响

2007-2009年,在田间条件下,以冬小麦品种济麦22为材料,以0-140 cm土层平均土壤相对含水量为指标设计4个测墒补灌试验处理:W0(土壤相对含水量为播种期80%+拔节期65%+开花期65%)、W1(土壤相对含水量为播种期80%+拔节期70%+开花期70%)、W2(土壤相对含水量为播种期80%+拔节期80%+开花期80%)和W3(土壤相对含水量为播种期90%+拔节期80%+开花期80%),研究不同水分处理对冬小麦氮素积累与转运、籽粒产量、水分利用效率及土壤硝态氮含量的影响。结果表明:(1)成熟期小麦植株氮素积累量为W1处理最高,W3处理次之,W0和W2处理最低,W0和W2处理间无显著差异;氮素向籽粒的分配比例为W2处理显著低于W1处理,W0、W1、W3处理间无显著差异。开花期和成熟期营养器官氮素积累量、营养器官氮素向籽粒中的转移量、成熟期籽粒氮素积累量均为W1>W3>W2>W0,各处理间差异显著。(2)随着小麦生育进程的推进,0-200 cm土层土壤硝态氮含量先降低后回升再降低,在拔节期最低。成熟期W0和W1处理0-200 cm土层土壤硝态氮含量较低,W2和W3处理120-200 cm土层土壤硝态氮含量较高。(3)W0处理小麦氮素吸收效率、利用效率和氮肥偏生产力最低;随灌水量的增加,氮素利用效率呈先升高后降低趋势;W1处理小麦对氮素的吸收效率和利用效率较高,氮肥偏生产力最高。W0处理水分利用效率较高,但籽粒产量最低;灌水处理籽粒产量、灌溉水利用效率和灌溉效益两年度均随测墒补灌量的增加而显著降低。在本试验条件下,综合氮素利用、籽粒产量、灌溉水利用效率及土壤中硝态氮的淋溶,W1是高产节水的最佳灌溉处理,在2007-2008年和2008-2009年度补灌量分别为43.83 mm和13.77 mm。     

5-氨基乙酰丙酸(ALA)对冬小麦花后干物质生产和旗叶衰老的影响

以百农矮抗58小麦为材料,采用大田试验的方法,研究了始穗期喷施不同浓度(0,10、30、50 mg·L-1)的5-氨基乙酰丙酸(ALA)对冬小麦花后干物质生产和旗叶衰老的影响.结果表明:10～50 mg·L-1 ALA处理有利于植株对干物质的积累,至成熟期其干物质总量明显高于对照(0 mg·L-1);10～50 mg·L-1 ALA处理各器官干物质的分配率与对照没有显著性差异,但其花后生产的干物质对产量的贡献率显著高于对照;在开花期,10～50 mg·L-1ALA处理的叶面积指数与对照没有显著性差异,但在乳熟期和腊熟期,叶面积指数显著高于对照.从开花期至蜡熟期,10～50 mg·L-1 ALA处理的旗叶SPAD值和净光合速率均高于对照;在灌浆后期,ALA处理降低了旗叶丙二醛(MDA)含量和相对电导率.与对照相比,10～50mg·L-1 ALA处理冬小麦的穗粒数、千粒重和产量显著增加,其中以30 mg·L-1 ALA处理增产效果最大.     

不同栽培模式对冬小麦-夏玉米轮作系统产量、氮素累积和平衡的影响

以河北山前平原区秸秆还田条件下小麦-玉米轮作体系为研究对象,设置农民习惯、高产高效、再高产和再高产高效4个模式,通过定位试验探讨各栽培模式对3个轮作周期作物产量、土壤硝态氮累积量及氮平衡的影响.结果表明: 小麦、玉米产量均以再高产模式最高,高产高效和再高产高效模式次之,均显著高于农民习惯模式;小麦季和玉米季氮肥利用效率(PFP)均以高产高效模式最高,显著高于其他模式;0～400 cm土体硝态氮累积量在 768.4～1133.3 kg·hm^-2之间,其中80%～85%累积在根下90～400 cm土层;4种模式的土壤硝态氮均有明显向下淋移现象,120～150 cm和270～330 cm处均出现了累积峰,以270～330 cm土层硝态氮累积量最大;高产高效模式的土壤硝态氮含量整体水平均低于其他模式,浓度基本维持在30 mg·kg^-1以下,在一定程度上能有效缓解环境压力;冬小麦季0～90 cm土体氮素盈余量均小于夏玉米季,并以高产高效模式的氮素表观损失量最低,显著低于其他模式.综合考虑产量、氮肥利用效率、硝态氮累积和氮平衡,以高产高效模式表现最优,但还有一定的提升空间.     

旱地冬小麦吸收氮,磷的营养特征

通过田间试验,研究了不同施肥水平条件下冬小麦吸收氮、磷的营养特征。结果表明,不同施肥水平冬小麦返青前吸收氮、磷均很少,返青后迅速增多,至孕穗一灌浆初期达全生育期吸收的高峰（Ｎ０Ｐ０吸氮在拔节一孕穗阶段达高峰）,且峰值随施肥水平提高而增大。灌浆以后,氮磷营养不同,氮素积累减少２８．２７％－３１．１９％,减少绝对量随前期吸氮增大而增加。相对量则是施肥低于对照;而磷素于灌浆中期一成熟阶段还有１吸收高峰（     

不同播期冬小麦氮素出籽效率与氮素利用及转运的相关性

为探讨不同播期冬小麦氮素出籽效率与氮素利用及转运的关系,在2014—2016年2个生长季,比较了不同播期(S₁:9月24日;S₂:10月1日;S₃:10月8日;S₄:10月15日;S₅:10月22日)冬小麦氮素出籽效率、氮素利用和转运的差异及相互间的关系.结果表明: 籽粒产量和单位面积粒数在不同播期处理间未发生显著差异.推迟播期降低了地上部氮素积累量和穗部氮素积累量,从而降低了氮素吸收效率,但明显提高了氮素利用效率和氮素出籽效率.氮素出籽效率与氮素利用效率呈正相关,而与氮素吸收效率呈负相关,与氮素利用率无显著相关关系.氮素营养指数随播期推迟趋于最佳状态,与氮素出籽效率的改善展现出同步性.推迟播期显著降低了花前营养器官氮素转移量和花后氮素积累量,但明显改善了花前营养器官氮素转运效率.氮素出籽效率与氮素转运效率之间存在正相关关系,说明氮素转运效率的改善一定程度上有利于穗部氮素生产籽粒能力的提升.综合来看,适当推迟播期减少了氮素吸收,但提高了氮素利用效率和氮素出籽效率,改善了氮素供应状态.研究结果为本地区冬小麦生产中氮素减施增效的实施提供了理论依据.