基于冠層反射光譜的水稻氮素營養(yǎng)與籽粒品質(zhì)監(jiān)測.pdf

1、氮素是植物生長的主要營養(yǎng)元素，在水稻產(chǎn)量品質(zhì)形成及栽培調(diào)控中起到重要的作用。利用遙感技術(shù)進行作物長勢、氮素營養(yǎng)狀況、生產(chǎn)力指標的實時監(jiān)測與快速診斷是信息農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)。本研究以系列田間試驗為依托，綜合運用現(xiàn)代遙感信息、生長分析、生理生化測試以及數(shù)理統(tǒng)計分析等手段，分析了不同條件下水稻冠層多光譜和高光譜特征及其與水稻氮素營養(yǎng)和籽粒品質(zhì)性狀的關(guān)系，明確了水稻葉片色素含量、植株氮素狀況及品質(zhì)指標的敏感光譜特征參量及定量反演模型，構(gòu)建了基于植

2、株特征光譜的水稻氮素營養(yǎng)和籽粒蛋白質(zhì)含量預(yù)測模型，為利用遙感技術(shù)監(jiān)測水稻植株生化組分和籽粒品質(zhì)等提供了理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。具體研究內(nèi)容與結(jié)果如下： 首先綜合運用多光譜和高光譜輻射儀，比較了不同氮素營養(yǎng)水平、不同生育時期和不同品種條件下兩種儀器獲得的水稻冠層光譜反射率的變化模式。結(jié)果表明，水稻冠層多光譜反射率曲線和高光譜在可見光部分幾乎重疊，在近紅外波段反射率值高光譜略高于多光譜。隨著施氮水平的提高，冠層反射光譜在近紅外反射平臺(

3、750-1300nm)的反射率呈上升趨勢，而可見光部分反射率則下降，并且冠層反射光譜的綠峰和紅邊位置也隨著施氮水平的提高分別向藍光方向(波長變短)和紅光方向(長波方向)移動。水稻從分蘗開始，隨生育期推進，冠層反射光譜在可見光波段的反射率先降低后升高，以抽穗期反射率最低，隨著葉片變黃反射率又增大，且綠光波段的反射峰逐漸消失。而近紅外區(qū)反射率則表現(xiàn)相反趨勢，以開花期為界先上升然后下降，直到成熟前降為最低。不同品種水稻冠層反射光譜隨氮肥和生育

4、期的變化趨勢相同，只是反射率值的大小不同。 系統(tǒng)分析了水稻葉片色素含量與對應(yīng)冠層多光譜及高光譜反射特征的定量關(guān)系。結(jié)果表明，不同品種、葉位的葉片色素組分含量均隨施氮水平增加而提高。葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)、總?cè)~綠素含量(Chlt)及總?cè)~綠素含量與類胡蘿卜紊含量之比(Chlt/Car)與可見光波段(350～710 nm)及短波近紅外波段(1400～2485 nm)反射率呈負相關(guān)，與近紅外波段(750～1300 n

5、m)反射率呈正相關(guān)；類胡蘿卜素含量(Car)及葉綠素a與葉綠素b的比值(Chla/Chlb)與冠層單波段反射率的相關(guān)趨勢與Chla剛好相反。多光譜植被指數(shù)RVI(660,460)可以較為準確地反演Chla和Chlt； NDVI(610，460)可以反演Chlb；NDVI(950，870)可以反演總?cè)~綠素含量與類胡蘿卜素含量的比值(Chlt/Car)。高光譜植被指數(shù)WI與Chla、Chlb和Chlt均存在極顯著線陛正相關(guān)關(guān)系；NDVI(6

6、10，460)與Chlt/Car存在極顯著線性負相關(guān)關(guān)系。利用不同試驗條件下的觀測數(shù)據(jù)對多光譜參數(shù)建立的模型進行檢驗，Chla、Chlb、Chlt和Chit/Car，預(yù)測值和實測值的擬合斜率(slope)分別為1.062、0.930、1.036和0.983，根均方差(RMSE)均小于20％表明模型預(yù)測值與實測值之間符合度較高，對水稻色素含量具有較好的預(yù)測性。綜合分析了水稻葉片及地上部植株氮素狀況與冠層反射光譜的定量關(guān)系，建立了水稻葉片及

7、植株氮素含量和積累量的光譜監(jiān)測模型。結(jié)果顯示，不同粳稻品種和生育時期的水稻葉片氮素含量可以用歸一化植被指數(shù)NDVI(1220,710)進行反演，水稻葉片氮積累量可以用比值植被指數(shù)RVI(1100,560)進行估測，植株氮素積累量的最佳反演光譜參數(shù)是差值植被指數(shù)DVI(1220,870)，葉片氮積累量反演的決定系數(shù)最高，其次為植株氮積累量和葉片全氮含量。利用不同粳稻品種和水肥處理的觀測資料對監(jiān)測方程進行了檢驗，根均方差均小于20％，擬合斜

8、率為0.908～1.016，表明預(yù)測值與實測值之間符合度較高，對不同栽培條件下的水稻氮素指標具有較好的預(yù)測性。 在分析水稻葉片糖氮比值隨施氮水平變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了不同生育時期水稻葉片糖氮比與冠層高光譜反射特征的定量關(guān)系。結(jié)果表明，葉片糖氮比與拔節(jié)后不同生育時期冠層原始反射率的相關(guān)性趨勢一致，進一步建立了高光譜參數(shù)ND<,672>與冠層葉片糖氮比(LCNR)的線性回歸方程(LCNR=788.33×ND<,672>-4.432

9、6)為水稻冠層葉片碳氮比的最佳監(jiān)測模型。模型經(jīng)過不同生育時期數(shù)據(jù)的交叉測試和獨立試驗資料的檢驗，得出對冠層葉片碳氮比的預(yù)測精確度范圍為0.687-0.986，準確度為0.907-1.126，RMSE為7.07-18.25，表明水稻冠層高光譜特征可以用來定量估測不同栽培條件下葉片碳氮比的變化狀況。 在分析不同年份、品種和氮素水平下水稻籽粒蛋白質(zhì)含量和積累量差異的基礎(chǔ)上，研究了水稻籽粒蛋白質(zhì)指標與不同時期冠層反射光譜及葉片和地上部植

10、株氮素狀況的關(guān)系。成熟籽粒蛋白質(zhì)含量與不同時期冠層反射光譜的相關(guān)分析表明，孕穗期冠層單波段反射率與成熟籽粒蛋白質(zhì)含量的相關(guān)性最高，在16個波段中以760 nm波段反射率與籽粒蛋白質(zhì)含量的擬合效果最好，建立了水稻成熟籽粒蛋白質(zhì)含量(GPC)監(jiān)測模型，GPC=-0.15×DVI(1500，950)+3.00。利用不同年份不同品種及不同施氮水平下的觀測數(shù)據(jù)對模型的檢驗顯示，模型預(yù)測值與實測值之間符合度較高，對水稻成熟籽粒蛋白質(zhì)含量具有較好的預(yù)

11、測性。此外，利用前期植株氮素狀況可以預(yù)測成熟期籽粒蛋白質(zhì)水平，但不同植株氮素指標對籽粒蛋白質(zhì)的預(yù)測能力和最佳時期有所不同。另外，同一植株氮素指標對籽粒蛋白質(zhì)含量和積累量的監(jiān)測時期也不完全相同?？傮w上，不同品種不同氮素水平下水稻從孕穗到灌漿中期的植株氮素狀況都能用來反映最終籽粒蛋白質(zhì)性狀。 通過分析冠層多光譜水稻籽粒淀粉含量及其他品質(zhì)性狀的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)利用冠層反射光譜可以定量反演籽粒直鏈淀粉含量、堊白米率和堊白度，而對其他籽粒品質(zhì)