冬油菜氮素營(yíng)養(yǎng)高光譜特異性及定量診斷模型構(gòu)建與推薦追肥研究.pdf

1、氮素實(shí)時(shí)和精準(zhǔn)管理是以作物高產(chǎn)、養(yǎng)分高效為目標(biāo)的冬油菜生產(chǎn)實(shí)際中最為關(guān)鍵的養(yǎng)分管理措施之一;利用油菜的高光譜特異性對(duì)其氮營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)和精確診斷一直是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和實(shí)時(shí)實(shí)地養(yǎng)分集成管理與應(yīng)用中的研究熱點(diǎn)。基于此，本文以冬油菜為研究對(duì)象，以氮素營(yíng)養(yǎng)特性為根本出發(fā)點(diǎn)，以氮肥田間試驗(yàn)為測(cè)試平臺(tái)，綜合利用多年(2012-2017)、多點(diǎn)（湖北省武漢市、武穴市和沙洋縣）、多品種（華油雜9號(hào)、華油雜62號(hào)和中油雜12號(hào)）、多栽培模式（移栽和直播）

2、、多生育期（苗期～角果期）和多氮肥梯度（0～360kgN/hm2）的冬油菜高光譜測(cè)試數(shù)據(jù)并同步結(jié)合氮營(yíng)養(yǎng)生化分析，分別從群體（冠層）、個(gè)體（葉片）、氮營(yíng)養(yǎng)高光譜內(nèi)在診斷機(jī)制、氮營(yíng)養(yǎng)高光譜診斷專一性和基于高光譜的氮肥實(shí)時(shí)追施與推廣應(yīng)用等五個(gè)方面較為全面地探究了高光譜技術(shù)在冬油菜氮營(yíng)養(yǎng)診斷的可行性與精準(zhǔn)性，獲得了相對(duì)理想的研究結(jié)果。主要結(jié)論如下:
　　(1)在群體尺度上:利用冬油菜冠層高光譜數(shù)據(jù)確定了其群體氮營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)植株氮素積累量和葉

3、綠素密度的最佳光譜參數(shù);明晰了基于角果期冠層高光譜的冬油菜產(chǎn)量提早預(yù)測(cè)的最優(yōu)診斷因子與有效波段;構(gòu)建了高光譜定量診斷模型。對(duì)于植株氮素積累量，利用植被指數(shù)的光譜分析技術(shù)，確定由一階微分光譜參數(shù)FD742和自身所構(gòu)建比值光譜參數(shù)R1259/R492而確立的指數(shù)方程來(lái)定量診斷該指標(biāo)，決定系數(shù)(r2)分別為0.98和0.98，相對(duì)分析誤差(MRE)則分別為14.42和10.31％;對(duì)于葉綠素密度，基于本試驗(yàn)條件新構(gòu)建光譜紅邊面積參數(shù)，DIDR

4、mid（紅邊右峰與左峰一階微分之和差值）為最優(yōu)指標(biāo)。獨(dú)立試驗(yàn)驗(yàn)證精度顯示，苗期、蕾薹期、花期和全生育期基于該參數(shù)的冬油菜葉綠素密度預(yù)測(cè)精度MRE分別為7.93、6.06、7.52和7.22％，效果較為理想。對(duì)于產(chǎn)量效應(yīng)，利用偏最小二乘回歸(PLS)的整體光譜分析方法，確定基于全波段的一階微分變換光譜-PLS(FDR-PLS)回歸模型定量預(yù)測(cè)冬油菜產(chǎn)量和角果數(shù)精確性整體優(yōu)于原初光譜-PLS模型(R-PLS)，驗(yàn)證集r2val分別為0.90

5、和0.91，相對(duì)分析誤差(RPDval)分別為3.11和3.12;并由此確定冬油菜產(chǎn)量高光譜監(jiān)測(cè)有效波段分別為628、753、882、935、1061和1224nm;角果數(shù)有效波段分別為628、758、935、1063、1457和1600nm。此外，基于上述有效波段新構(gòu)建FDR-PLS模型同樣獲得了較理想的預(yù)測(cè)精度，r2val分別為0.91和0.87，RPDval分別為2.34和2.52。
　　(2)在個(gè)體尺度上:首先明確了基于葉

6、綠素計(jì)SPAD儀的冬油菜氮營(yíng)養(yǎng)診斷最佳葉位和葉片部位;此后，進(jìn)一步闡明了基于上述敏感葉位的冬油菜葉片氮含量(g m-2)高光譜特異性。綜合各生育期分析結(jié)果，不同葉位間，油菜主莖頂4葉與冬油菜各氮素營(yíng)養(yǎng)參數(shù)（葉綠素濃度、葉片氮濃度、植株氮濃度）相關(guān)性最高，可作為敏感葉位選擇;同一葉片不同部位間，葉片中部則可較為準(zhǔn)確反映植株氮營(yíng)養(yǎng)豐缺狀況，為敏感部位選擇。該葉位高光譜氮營(yíng)養(yǎng)特性方面，隨施氮量增加，可見(jiàn)光波段(350～720nm)光譜反射率逐

7、步下降，近紅外(720～1300nm)則與此相反;此外，基于全波段的FDR-PLS定量反演油菜LNC精度整體上優(yōu)于R-PLS、倒數(shù)之對(duì)數(shù)變換光譜(Log(1/R)）-PLS和連續(xù)統(tǒng)去除變換光譜(CR)-PLS監(jiān)測(cè)模型，其驗(yàn)證集r2val為0.97，RPDval為5.49;最后，確定油菜LNC有效波段分別為432、467、519、614、772、912和1072nm。同時(shí)，基于上述有效波段的油菜LNC模型檢驗(yàn)同樣獲得了較好的預(yù)測(cè)精度，r2

8、val和RPDval分別為0.88和2.97。
　　(3)在氮營(yíng)養(yǎng)高光譜內(nèi)在診斷機(jī)制方面:明晰了冬油菜葉片氮濃度(LNC，％)空間垂向異質(zhì)性分布規(guī)律及冠層高光譜診斷內(nèi)在機(jī)制，確定了不同葉層LNC(％)有效波段分布異同性，構(gòu)建了符合氮營(yíng)養(yǎng)特性的高光譜診斷模型。苗期～蕾薹期，冬油菜LNC冠層空間分布具有典型的垂向異質(zhì)性變化規(guī)律，即上層最高，下層最低，且中上層LNC為冠層高光譜監(jiān)測(cè)的有效葉層;綜合兩兩相關(guān)性(LL r2)、PLS和支持向

9、量機(jī)(SVM)光譜分析技術(shù)，確定冬油菜上層LNC有效波段為437、565、667、724、993、1084、1189nm，中層為423、570、598、659、725、877nm，下層為420、573、597、667、718nm，基于該有效波段的獨(dú)立驗(yàn)證精度RPDval分別為2.36、2.56和2.03。蕾薹期～花期，冬油菜不同葉層LNC及其相應(yīng)群體光譜反射率均具有顯著的空間異質(zhì)性分布特征，且第二層和第三層為光譜監(jiān)測(cè)的有效葉層;隨葉層下

10、移，各葉層LNC有效波段呈現(xiàn)顯著的“藍(lán)移”現(xiàn)象;此后，構(gòu)建基于各葉層LNC有效波段的定量監(jiān)測(cè)模型，RPDval分別為1.64、1.61、1.88和1.05，表明利用分層光譜測(cè)試技術(shù)定量監(jiān)測(cè)中下層（非底層）LNC是可行的。
　　(4)在冬油菜氮營(yíng)養(yǎng)冠層高光譜診斷專一性方面:闡明了冬油菜氮磷營(yíng)養(yǎng)高光譜異同性，確定了能穩(wěn)定指示冬油菜葉片氮濃度(％)和葉片磷濃度(％)營(yíng)養(yǎng)特性的有效波段，構(gòu)建了專一性定量診斷模型。冬油菜氮磷營(yíng)養(yǎng)冠層高光譜具

11、有較大差異性，隨施氮量增加，可見(jiàn)光波段反射率逐步下降，磷素營(yíng)養(yǎng)則無(wú)明顯且規(guī)律性變化;近紅外區(qū)兩者變化規(guī)律相同，均隨用量增加而明顯提升;根據(jù)FDR-PLS模型分析結(jié)果，確定油菜葉片氮濃度有效波段分別為445、556、657、764、985、1082和1194nm，葉片磷濃度則分別為755、832、891、999、1196和1267nm，實(shí)現(xiàn)了營(yíng)養(yǎng)專屬診斷和簡(jiǎn)化分析的目的。同時(shí)，基于上述有效波段的油菜LNC及LPC模型檢驗(yàn)同樣獲得了較好的預(yù)

12、測(cè)精度，r2val分別為0.85與0.78，RPDval分別為2.10和1.94。
　　(5)在基于冠層高光譜指導(dǎo)冬油菜氮肥實(shí)時(shí)追施與調(diào)控推廣應(yīng)用性研究方面:構(gòu)建了基于“葉片氮濃度-冠層高光譜”的冬油菜氮肥實(shí)時(shí)追施與調(diào)控模型，同時(shí)以田間試驗(yàn)方式開(kāi)展了基于冠層高光譜的實(shí)時(shí)實(shí)地的油菜氮肥追施與精準(zhǔn)調(diào)控研究，獲得了較好的獨(dú)立試驗(yàn)驗(yàn)證精度。在獲得冬油菜葉片氮濃度(％)有效波段基礎(chǔ)上，確定基于FDR光譜764和657nm雙波段構(gòu)成的比植被指

13、數(shù)RVI(764，657)為定量監(jiān)測(cè)冬油菜LNC的最佳光譜參數(shù);此后，根據(jù)RVI(764，657)-相對(duì)產(chǎn)量(％)擬合關(guān)系，確定六葉期、八葉期、十葉/越冬期、越冬期、蕾薹期和花期臨界RVI(764，657)分別為4.340、6.781、4.400、3.792、5.493和1.379;在此基礎(chǔ)上，再次利用氮肥用量-RVI(764，657)和氮肥用量-產(chǎn)量效應(yīng)擬合關(guān)系，構(gòu)建了冬油菜氮肥實(shí)時(shí)追施與調(diào)控模型。最后，通過(guò)布置54種融合不同氮肥實(shí)時(shí)