氮肥水平、鉛鎘污染對水稻冠層與米質(zhì)高光譜特征的影響研究.pdf

1、水稻是我國主要的糧食作物之一，稻米質(zhì)量與安全關(guān)系到人民的生活質(zhì)量與健康。為了實時掌握水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、安全生長動態(tài)，利用高光譜技術(shù)無損測定的優(yōu)勢，探索氮肥水平與鉛鎘污染對水稻生長高光譜特征與指標(biāo)，為水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)清潔生產(chǎn)提供依據(jù)。
　　 試驗于2010、2011年在揚州大學(xué)農(nóng)學(xué)院實驗農(nóng)場進行，通過田間與盆栽試驗，研究不同品種水稻關(guān)鍵生育時期的冠層、米質(zhì)對氮肥水平、重金屬鉛鎘污染的高光譜響應(yīng)曲線，探求高光譜特征及與相關(guān)生理生態(tài)指標(biāo)的定

2、量關(guān)系，期望明確用于監(jiān)測的相關(guān)參數(shù)與指數(shù)。主要研究結(jié)果如下:
　　 (1)不同氮肥水平下的不同生育期水稻冠層光譜特征
　　 通過不同品種不同施肥水平田間試驗，獲得的水稻主要生育期的冠層反射光譜，結(jié)果表明:不同水稻品種在整個生育期的冠層反射光譜在不同施氮水平的整體變化規(guī)律趨于一致，高氮處理在近紅外區(qū)反射率較高，低氮處理在可見光區(qū)反射率較高。不同水稻品種光譜植被指數(shù)RVI和NDVI均隨著生育進程不斷增大，在抽穗期達到最大值，

3、而后不斷減小，葉面積指數(shù)LAI與RVI、NDVI顯著相關(guān)。水稻氮素營養(yǎng)水平明顯影響葉片的光譜特性，水稻氮素積累量與冠層光譜810、870nm反射率相關(guān)性均較好。各個時期水稻植株含氮率與光譜指數(shù)RVI、NDVI均顯著相關(guān)，均在抽穗期決定系數(shù)最大。表明以光譜指數(shù)RVI、NDVI構(gòu)建的回歸模型可以對相關(guān)參數(shù)指標(biāo)進行估測，且具有較高準(zhǔn)確性。
　　 (2)不同氮肥水平下的稻米品質(zhì)估測模型的構(gòu)建
　　 通過測試不同氮肥條件下稻米品質(zhì)

4、及其高光譜數(shù)據(jù)，分析了稻米淀粉、蛋白質(zhì)和膠稠度與高光譜數(shù)據(jù)特征之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明:在不同氮肥水平下，通過構(gòu)建NDI(x)與稻米品質(zhì)指標(biāo)(y)的多種關(guān)系模型，比較了模型預(yù)測的顯著性，得出二次多項式模型對稻米品質(zhì)指標(biāo)具有較高預(yù)測性，通用模型分別為y=Ax2+ Bx+C，模型方程的構(gòu)成系數(shù)A、B、C因肥料水平差異取值不同;在不同品種條件下，通過比較RI與稻米品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)，得出最佳波段組合分別為RI直鏈淀粉=R783/R634、RI

5、蛋白質(zhì)=R829/R646和RI膠稠度=R900/R670，推算出預(yù)測稻米品質(zhì)指標(biāo)的線性回歸方程通用模型為y=A×RI+B，模型方程的構(gòu)成系數(shù)A、B因品種差異取值不同。表明運用高光譜方法估算稻米中的直鏈淀粉、蛋白質(zhì)含量和膠稠度是切實可行的，進而為稻米品質(zhì)遙感監(jiān)測提供依據(jù)。
　　 (3)不同濃度鉛脅迫下的水稻光譜識別模型的構(gòu)建
　　 通過南粳44和兩優(yōu)培九的盆栽試驗，研究了不同濃度鉛污染下水稻地上部器官對鉛的富集特征，以及

6、冠層光譜特征和植株各器官鉛含量的定量關(guān)系。結(jié)果表明，兩水稻品種整株、莖、葉和穗各器官鉛含量均隨著鉛污染處理濃度的增加而加大，且莖中含量最高;不同濃度鉛污染脅迫下的水稻冠層反射光譜曲線在可見光紅光波段也存在差異，隨著鉛處理濃度增大，光譜曲線反射值降低，去除包絡(luò)線后歸一化深度加大。通過構(gòu)建NDVI(x)與水稻器官中鉛含量的多種關(guān)系模型，比較了模型預(yù)測的顯著性，分別構(gòu)建了適用于兩個水稻品種各器官的鉛脅迫遙感監(jiān)測的預(yù)測模型，南粳44分別為y整株

7、=2270.4x2-2292.8x+577.35,y莖=4260.9x2-4294x+1077.8,y葉=2780.8x2-2777.9x+690.71以及y穗=309.31x2-306.07x+75.369;兩優(yōu)培九分別為y整株=524269e-25.557x，y莖=1E+07e-31.65x，y葉=2E+07e-34.056x，y穗=14320e-21.756x。進而說明，地面高光譜遙感對水稻重金屬鉛污染及其脅迫水平有較好的響應(yīng)，可

8、通過水稻冠層光譜的差異性分析，有望實現(xiàn)水稻鉛污染高光譜探測。
　　 (4)不同濃度鎘脅迫下的水稻光譜特征及其預(yù)測評價
　　 通過南粳44和兩優(yōu)培九盆栽試驗，研究了不同濃度鎘脅迫下水稻冠層光譜特征及植株各器官鎘含量的定量關(guān)系。結(jié)果表明，兩水稻品種整株、莖、葉和穗各器官鎘含量均隨著鎘脅迫處理濃度的增加而加大，且莖中含量最高;不同濃度鎘污染脅迫下的水稻冠層反射光譜曲線在可見光紅光波段也存在差異，隨著鎘處理濃度增大，光譜曲線反射

9、值降低，去除包絡(luò)線后歸一化深度加大，紅邊位置在兩個品種中有不同程度的紅移。通過構(gòu)建NDVI(x)與水稻器官中鎘含量的多種關(guān)系模型，比較了模型預(yù)測的顯著性，分別構(gòu)建了適用于兩個水稻品種各器官的鎘脅迫遙感監(jiān)測的預(yù)測模型，南粳44分別為y整株=86.207x2-56.633x+9.7361，y莖=157.65x2-101.89x+17.317，y葉=21.619x2-14.192x+2.5283以及y穗=4.7011x2-1.4549x+0.

10、1628;兩優(yōu)培九分別為y整株=41.495x2-29.34x+5.1829，y莖=53.364x2-36.778x+6.3612,y葉=22.981x2-15.768x+2.7588,y穗=36.347x2-25.477x+4.4473。進而說明，地面高光譜遙感對水稻重金屬鎘污染及其脅迫水平有較好的響應(yīng)，可通過水稻冠層光譜的差異性分析，有望實現(xiàn)水稻鎘污染高光譜探測。
　　 (5)不同濃度鉛、鎘復(fù)合脅迫下的水稻光譜特征分析

11、>　　 通過南粳44和兩優(yōu)培九復(fù)合污染盆栽試驗，采用包絡(luò)線、一階導(dǎo)數(shù)對冠層反射光譜進行了處理，分析了冠層光譜的反射差異;通過一階導(dǎo)數(shù)，研究了紅邊位置的變化，顯示隨著重金屬鎘污染濃度處理水平的不同，紅邊位置逐漸向長波方向移動，出現(xiàn)了“紅移”現(xiàn)象，且隨著處理濃度的增大而移動程度不同;通過構(gòu)建RVI、NDVI與水稻成熟期器官中重金屬含量的通用線性關(guān)系模型y=Ax+B，比較了模型預(yù)測的顯著性，分別提出適用于2個水稻品種成熟期各器官的有關(guān)重金屬