棉花冠层高光谱指数与叶片氮积累量的定量关系

利用冠层高光谱反射率及演变的多种高光谱植被指数(VI),分析了不同施氮水平下不同棉花品种叶片氮积累量与冠层反射光谱的定量关系,建立了棉花叶片氮积累量的敏感光谱参数及预测方程。结果显示,棉花叶片氮积累量和冠层高光谱反射率均随不同施氮水平显著变化;棉花叶片氮含量的敏感光谱波段为600~700 nm的红谷波段和750~900 nm的近红外波段,叶片氮积累量与光谱指数NVD672有密切的定量关系,且不同品种可以用统一的方程来描述,从而为棉花氮素营养的监测诊断与精确施肥提供了技术支持。     

小麦叶片氮素状况与冠层反射光谱指数的关系

利用不同小麦品种在不同施氮水平下的3年田间试验数据,研究了小麦叶片氮积累量与冠层反射光谱间的定量关系。结果显示,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,同时冠层光谱反射率在不同施氮水平下存在明显差异。对于低、中、高蛋白质含量的品种类型,近红外区域若干相邻波段和可见光波段组成的比值植被指数与单位土地面积上叶片氮素积累量的相关关系均表现较好,因此可用760、810、870、950和1 100 nm反射率的平均值与660 nm组成的比值植被指数对不同蛋白质类型小麦品种的叶片氮素积累量进行定量监测,但回归方程的斜率在不同类型品种之间存在显著差异。本研究确立的小麦叶片氮积累量与冠层反射光谱的定量关系可用于不同的小麦品种、生育时期和施氮水平,为小麦氮素营养的监测诊断与精确施肥等提供理论依据和技术途径。     

小麦叶片氮积累量与冠层反射光谱指数的定量关系

利用不同小麦品种在不同施氮水平下的3年田间试验数据，研究了小麦叶片氮积累量与冠层反射光谱间的定量关系。结果显示，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，同时冠层光谱反射率在不同施氮水平下存在明显差异。对于低、中、高蛋白质含量的品种类型，近红外区域若干相邻波段和可见光波段组成的比值植被指数与单位土地面积上叶片氮素积累量的相关关系均表现较好，因此可用760、810、870、950和1100nm反射率的平均值与660nm组成的比值植被指数对不同蛋白质类型小麦品种的叶片氮素积累量进行定量监测，但回归方程的斜率在不同类型品种之间存在显著差异。本研究确立的小麦叶片氮积累量与冠层反射光谱的定量关系可用于不同的小麦品种、生育时期和施氮水平，为小麦氮素营养的监测诊断与精确施肥等提供理论依据和技术途径。     

单作套作大豆叶片氮素积累与光谱特征

种植模式和氮肥水平直接影响作物的生长和氮素的吸收,无损、即时监测大豆叶片氮素水平对大豆生产中的氮肥精确管理十分重要。本研究设置4个氮肥水平,分析单作套作下大豆在不同生育时期叶片氮素动态和光谱特征,明确对叶片氮素敏感的光谱特征参数,构建单作套作大豆通用的叶片氮素积累量估测模型。结果表明,随大豆生育时期的推进,单作套作种植模式下的大豆冠层叶片氮素积累量均呈现单峰变化趋势,最大值出现在N3处理下的结荚期,两种模式两年最大值平均分别为8.70 g m~(–2)和8.38 g m~(–2);不同生育时期和种植模式的大豆冠层原始反射光谱的变化规律与冠层叶片氮素变化规律均为先增加后降低,原始反射光谱在700~1000 nm波段的反射率以结荚期为拐点先增大后减小,最大反射率达到60%~70%左右;通过对单作套作大豆冠层光谱一阶导数变换,红边幅值呈现先增加后降低的趋势,同时红边位置随叶片氮积累量的增加和减小出现"红移"与"蓝移"现象。经波段自由组合和回归分析表明,以DSI(771、755)构建的线性(y=–1.249+3.209x,R~2=0.847)和乘幂(y=–1.470x~(1.676),R~2=0.872)模型能较精确地估测不同生育时期大豆冠层叶片氮素状况。     

基于冠层反射光谱的夏玉米叶片氮积累量估测

为实现夏玉米冠层氮素状况的实时无损监测,于2009—2010年连续2个生长季,通过不同玉米品种和施氮水平下的田间试验,研究夏玉米叶片氮积累量与冠层反射光谱的相关关系,提出叶片氮积累量的敏感光谱参数,并建立叶片氮积累量的定量估算模型。结果表明,夏玉米叶片氮积累量随施氮水平的提高而增加;可见光波段的460~670 nm和近红外区的780~1100 nm是监测玉米叶片氮积累量变化差异的敏感波段;归一化植被指数(NDVI)、优化的简单比值指数(MSR)、优化土壤调节植被指数(OSAVI)、修正土壤调整植被指数(MSAVI)和土壤调整植被指数(SAVI)与叶片氮积累量相关性较好。利用不同年际独立试验数据对监测模型进行检验,以OSAVI为自变量构建的叶片氮积累量监测模型效果最优,相关系数(r)为0.6745,均方根差(RMSE)为1.2368。利用本研究确立的玉米叶片氮积累量与冠层反射光谱的定量关系,可用来定量估测叶片氮积累量的变化状况。     

应用两种近地可见光成像传感器估测棉花冠层叶片氮素状况

作物叶片含氮量是作物长势监测、产量及品质估测的重要依据,实时、无损地监测植株体内氮素营养状况有助于棉花氮肥的正确施用。本研究比较2种近地可见光传感器的光谱和颜色信息用于监测棉花氮素营养的能力, 确定MSI200成像光谱仪和数码相机监测棉花冠层叶片氮含量最佳的波段、光谱指数和颜色参数并建立估测模型。结果表明,在可见光波段,冠层反射率随着冠层叶片氮素含量的增加而降低,且叶片含氮量的光谱敏感波段主要位于绿光和红光区域;与棉花冠层叶片含氮量的拟合效果最好的2种传感器的光谱指数为差值指数DI(R₅₈₀, R₆₈₀)和G–R,而颜色参数则分别为b*和H,同一传感器以光谱指数的拟合效果优于颜色参数,不同传感器以MSI200数据的拟合效果优于数码相机;利用独立试验资料检验所建模型的估测性能表明,差值指数对棉花冠层叶片氮素的预测能力优于比值指数和归一化差值指数,DI(R₅₈₀, R₆₈₀)和G–R所建模型的估测精度最高,分别为0.8131和0.7636。因此,利用数码相机和MSI200型成像光谱仪可以定量估测棉花冠层叶片氮素营养状况。     

不同施氨水平下棉花群体反射光谱的差异性分析

如何确定合适的氮肥施用量及其施用时期一直是精确农业中的重要问题。有关作物氮营养状态的遥感估测，已有大量的研究报道，主要是通过估测叶片中氮素的含量或积累量来诊断作物的氮营养状况。根据使用波段的不同，叶片氮素估测的方法可以分为两种，一是利用中红外波段氮元素的光谱吸收特性，但这种方法只证明在叶片水平是可行的；二是根据叶绿素与氮素间的相关性，通过估测叶绿素状态来估测作物的氮营养状况，并由此发展了大量的光谱指数。这类方法有很大的局限性，其一因为有时不同氮营养下的植株间主要表现为其他生物物理或生物化学参数的差异，所以有时氮素或叶绿素积累水平并不一定能够反映作物氮营养状况；其二由于氮营养水平同时影响作物多种生长参数，氮素(或叶绿素)与光谱间的相关性会受到其他植被参数的影响，因而氮素(或叶绿素)状态难以被精确估测。     

利用叶片高光谱指数预测水稻群体叶层全氮含量

通过测定叶片高光谱来快速估测整个水稻叶层全氮含量对于水稻氮素诊断有重要意义。本文通过连续3年不同施氮水平和不同品种类型的4个大田试验,分生育期同步测定了不同叶位叶片的高光谱反射率及叶层全氮含量,并系统分析了叶片水平多种高光谱指数与水稻叶层全氮含量的定量关系。结果表明,不同叶位叶片的光谱反射率与叶层全氮含量的相关程度不同,顶二叶(L2)表现最好、顶三叶(L3)次之,而L2和L3的平均光谱(L23)有助于进一步提高光谱指数的敏感性,是估测叶层氮含量的适宜叶位组合。绿光560nm和红边705nm波段附近光谱反射率与叶层全氮含量呈极显著负相关关系,两者分别与近红外波段组合而成的光谱比值指数可较好地监测水稻叶层全氮含量,其中绿光、红边窄波段比值指数SR(R780,R580)和SR(R780,R704)表现较好,与叶层全氮含量的决定系数分别为0.887和0.884;独立试验数据检验的RMSE分别为0.216和0.235。将上述2个窄波段比值指数中的近红外、绿光波段和红边波段宽度分别扩展至100、20和10nm,从而构建的宽波段比值指数SR[AR(750-850),AR(568-588)]和SR[AR(750-850),AR(699-709)]与叶层全氮含量相关性仍具有较高水平,线性回归模型的拟合精度(R2)为0.886和0.883,检验RMSE值分别为0.218和0.237。从而在叶片水平,确立了适于叶层全氮含量估测的基于绿光、红边与近红外波段的比值组合和波段适宜宽度。     

水稻高光谱红边位置与叶层氮浓度的关系

实时无损监测叶片氮素状况对水稻精确氮素管理具有重要意义。本研究基于多年不同施氮水平和不同水稻品种的田间试验观测资料,系统分析了水稻高光谱红边区域和位置特征与冠层叶片氮浓度的定量关系。结果表明,水稻冠层的红边区域光谱受施氮水平和品种影响较大,一阶导数光谱在红边区域出现“三峰”现象。经典的红边位置(660~750 nm之间光谱反射率的一阶导数最大值)由于“三峰”特征现象而对水稻氮素浓度变化不够敏感,难以适用于水稻氮素状况的准确监测。基于倒高斯模型、线性内插法和线性外推法构造的红边位置随水稻氮浓度呈现连续变化模式,适用于水稻叶层氮浓度的定量监测;另外,基于695 nm、700 nm和705 nm等3个波段的拉格朗日算法也可估测水稻叶层氮浓度。比较不同红边位置发现,改进型线性外推法较其他几种算法更能有效地监测水稻冠层叶片氮浓度。     

不同水分条件下棉花光谱数据对冠层叶片温度的响应特征

利用Fluke热像仪和ASD地物非成像高光谱仪,分别记录棉花新陆早33号、13号2个品种、4个水分处理、5个关键生育时期的冠层红外热图像和反射光谱数据;在红外热图像上提取棉花冠层受光叶片的温度,同时处理高光谱数据获得归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)、红光620 nm和近红外850 nm波段的反射率(ρ620,ρ850)。分析表明,棉花2个品种4个水分处理的冠层叶片温度(TL)在盛花期、盛花结铃期较高,在盛铃期达到最大值,在开花期和吐絮初期较低;棉花受到水分胁迫,冠层近红外波段光谱的反射率降低,红光波段的反射率升高,NDVI和RVI变小,TL升高;在充分灌溉条件下棉花近红外、红光波段的光谱反射率、NDVI和RVI及TL则与水分胁迫处理的表现相反。和620 nm和850 nm波段反射率与TL的线性相关比较,棉花NDVI和RVI与TL的线性相关性更强。研究表明,将红外热图像和高光谱遥感技术相结合,具有实时、非破坏性地监测棉花水分状况的潜力。     

作物氮素诊断技术的研究综述

氮素是作物生长发育和产量品质形成所必需的营养元素。本文在简述研究背景和作物氮素营养监测与诊断技术需求的基础上,介绍了作物氮素营养监测技术的发展历程及发展趋势,综述了作物氮素营养诊断技术的国内外研究进展,指出快速、无损、准确地监测作物氮素状况,对于农业生产可持续发展和生态环境保护具有重要意义。     

Azodyn: a simple model simulating the date of nitrogen deficiency for decision support in wheat fertilization

A dynamic soil–crop model was developed to predict the date on which N deficiency occurs for winter wheat crops in the temperate climate of Northwest Europe. It is based on the daily simulation of soil N supply and crop N requirement for the period during which N-fertilizer is usually applied to wheat crops, the end of winter until flowering. The soil sub-model was derived from the `balance-sheet method' used in France for nitrogen fertilization recommendations. It describes the net mineralization of various sources of organic matter (soil humus, crop residues, organic products). The crop sub-model simulates crop biomass production and its nitrogen content using a radiation use efficiency model and a critical dilution curve for nitrogen content. Both soil and crop sub-models require few parameters and inputs, most of which are readily available on commercial farms, together with daily climatic data. The model tested with various rates and timings of N application in three experiments accurately simulated the date on which nitrogen deficiency began in wheat crops. The interest in using the model for tactical and strategic approaches is discussed.     

施氮对涝渍胁迫下作物生长和产量影响的研究进展

随着气候变化的加剧,涝渍灾害发生的频率和强度不断增加,严重制约着作物的可持续生产。充分挖掘作物自身潜力,提高其对水分胁迫等非生物逆境的抵抗力是适应气候变化的内在要求。随着作物抗逆生理生化机制研究的深入,人们越来越重视施氮在作物抗逆中所发挥的重要作用。为了进一步了解氮肥对涝渍条件下作物生长和产量的调控效应及调控机制,本文总结了涝渍胁迫对作物地上部光合作用、抗氧化酶活性、膜质氧化作用、内源激素含量、根系生长及产量形成的影响及其氮素调控效果,明确了氮肥施用调控作物生长和产量形成的生理机制,指出了氮肥调控涝渍胁迫下作物生长和产量研究中存在的问题,在此基础上笔者指明了未来的一些研究方向,如应用新型氮肥、现代高科技技术、培育氮高效且抗逆的品种等提高作物的抗逆性。     

我国农田土壤养分肥力状况及丰缺指标

在我国不同地区的20种土壤类型农田土壤上进行的大量田间试验和土壤测试证明,我国农田土壤氮素肥力较低,无氮区作物相对产量平均为69.0%,其中氮素肥力“低” 的占65%,“中”的占35%,没有氮素肥力“高”的土壤类型.土壤磷素肥力中等,无磷区作物相对产量平均为86.4%.其中磷素肥力“高” 的占32%,“中”的占59%,“低” 的占9%.土壤钾素肥力中上,无钾区作物相对产量平均为93.7%,其中钾素肥力“高” 的占41%.“中” 的占56%,“低”的占3%.根据土壤测试和作物相对产量,对全国20种类型农田土壤拟定了土壤养份丰缺指标.     

氮肥利用率的研究进展

旨在为提高作物的氮肥利用率、减少资源浪费、降低环境污染和提高作物产量提供科学依据。文章回顾了国内外近年来氮肥利用率的研究成果,从氮肥利用率的研究方法及影响因素等方面分析了氮肥利用率的研究历史、现状和存在问题。归纳得出中国氮肥利用率较低,施肥缺乏科学性,具体表现为氮肥施用量过大、氮肥挥发及硝化反硝化损失严重、施肥时期及施用量与作物氮素吸收规律不协调、肥料品种较单一等。建议结合测土配方施肥、实时监控管理等技术,合理地确定氮肥种类、用量、施用方式及时期,加强新型肥料及肥料增效剂等新技术的研发和推广,并注重作物氮高效品种资源的挖掘和应用,进而从土壤、肥料、品种、管理方式等多方面提高氮肥利用率。     

北方旱地土壤氮素平衡

北方大部分地区的旱地土壤中,农业氮素一般表现亏损,平衡强度约87%;园田土壤氮素略有盈余,平衡强度约123%.~(15)示踪研究表明,旱地土壤主要作物氮素利用率平均为27.04%,土壤残留24.79%,亏缺损失48.17%.园田主要蔬菜氮素和用率平均为29.11%,土壤残留22.67%,亏缺损失48.23%,其间差异很小.北方旱地施用铵态氮化肥主要损失是氨的挥发.影响氨挥发的因素有风速、温度、土壤水分、土壤质地、化肥品种.氮肥深施是防止氨挥发的有效方法.     

LINTUL3, a simulation model for nitrogen-limited situations: Application to rice

LINTUL3 is a crop model that calculates biomass production based on intercepted photosynthetically active radiation (PAR) and light use efficiency (LUE). It is an adapted version of LINTUL2 (that simulates potential and water-limited crop growth), including nitrogen limitation. Nitrogen stress in the model is defined through the nitrogen nutrition index (NNI): the ratio of actual nitrogen concentration and critical nitrogen concentration in the plant. The effect of nitrogen stress on crop growth is tested in the model either through a reduction in LUE or leaf area (LA) or a combination of these two and further evaluated with independent datasets. However, water limitation is not considered in the present study as the crop is paddy rice. This paper describes the model for the case of rice, test the hypotheses of N stress on crop growth and details of model calibration and testing using independent data sets of nitrogen treatments (with fertilizer rates of 0–400 kg N ha^?1) under varying environmental conditions in Asia. Results of calibration and testing are compared graphically, through Root Mean Square Deviation (RMSD), and by Average Absolute Deviation (AAD). Overall average absolute deviation values for calibration and testing of total aboveground biomass show less than 26% mean deviation from the observations though the values for individual experiments show a higher deviation up to 41%. In general, the model responded well to nitrogen stress in all the treatments without fertilizer application as observed, but between fertilized treatments the response was varying.     

不同冬季覆盖作物轮作对农田土壤碳氮影响

风蚀是干旱区农田生态系统中土壤质量降低的关键因素,冬季作物覆盖可有效减少农田的土壤风蚀。通过探究河西灌区不同冬季覆盖作物轮作复种绿肥对农田土壤碳氮影响,以期为构建合理的周年覆盖轮作模式提供理论依据。本研究在热量一熟有余两熟不足的河西灌区春小麦种植区把冬小麦、冬油菜两种冬季覆盖作物和绿肥还田处理嵌套种植形成：（1）春小麦—冬油菜—箭筈豌豆(WCP)、（2）春小麦—冬小麦—箭筈豌豆(WWP)、（3）春小麦—箭筈豌豆(WP)、(4)春小麦—春小麦(W,CK)不同种植模式,在360 kg/hm² (N2)、270 kg/hm² (N1)、0 kg/hm² (N0) 3个施氮水平下,研究不同轮作模式对农田土壤碳、氮含量的提升效应。结果表明：在同一种植模式下土壤有机碳、土壤可溶性有机碳、热提取态有机碳、硝态氮、氨态氮、微生物量碳氮含量随施氮量的增加而增加,但在氮肥减量(N1)的条件下,与常规施氮(N2)相比较WCP轮作模式土壤有机碳、土壤可溶性有机碳、热提取态有机碳含量及微生物量氮无显著降低。相同施氮条件下,轮作模式间差异不显著,但与CK间差异显著;其中,0~10 cm土层,WCP轮作模式土壤有机碳、土壤可溶性有机碳、土壤热提取态有机碳、硝态氮、氨态氮、微生物量碳氮含量平均较CK提高5.42%、9.78%、10.96%、20.51%、15.76%、18.94%;10~30 cm土层,提高9.54%、7.06%、12.99%、20.12%、16.51%、18.16%。因此,春小麦轮作冬油菜复种绿肥模式在氮肥减量条件下仍对农田土壤碳氮有明显的提升效应,为河西灌区良好的周年覆盖作物轮作模式。     

Identification of biomarker for determining genotypic potential of nitrogen-use-efficiency and optimization of the nitrogen inputs in crop plants

Worldwide, the nitrogen use efficiency (NUE) for crop plants is of great concern. The burgeoning world population needs crop genotypes that respond to higher nitrogen and show a direct relationship to yield with use of nitrogen inputs, i.e. high nitrogen-responsive genotypes. However, for fulfilling the high global demand of organic produce, it requires the low nitrogen responsive genotypes with greater NUE and grain yields. The lack of knowledge about precise regulatory mechanisms to explain NUE in crop plants hampers the goal of agricultural productivity. Understanding the molecular basis of NUE will enable to provide handle for crop improvement through biotechnological means. With the advent of modern genomics and proteomics approaches such as subtractive hybridization, differential display, and microarray techniques are revolutionizing to identify the candidate genes which play a pivotal role in the regulation of NUE. Beside it, quantitative real-time polymerase chain reaction technology is also being used to establish marker-trait association for NUE. The identification of potential candidate genes/proteins in the regulation of NUE will serve as biomarker(s) for screening genotypes for their nitrogen responsiveness for optimization of nitrogen input in agriculture. This paper describes the molecular basis of NUE with respect to nitrogen metabolism and its intimate relationship with carbon metabolism, use of molecular-physiological-genetics approaches for understanding the role of various genes/proteins, and their validation to use as biomarker(s) for determining genotypic potential for NUE. Since NUE in plants is a complex trait which not only involves the primary process of nitrogen uptake and assimilatory pathways but also a series of events, including metabolite partitioning, secondary remobilization, C-N interactions, as well as molecular signalling pathways and regulatory control outside the metabolic cascades. Therefore, identification of novel nitrogen responsive genes and their cis- and trans-acting gene elements is essential. Thus, fishing out a single gene, biomarker or a master regulator controlling complex trait of NUE could serve as an appropriate strategy for nitrogen management in agriculture.     

棉花生产管理模拟系统CPMSS/CGSM

棉花生产是一个复杂的大系统,为了使其系统输入输出最优化,以便达到高产、优质、低耗、高效益的目的,我们研制了适应于每公顷产1500公斤皮棉的棉花生产管理决策支持系统CPMSS和棉花生长发育动态模拟模型CGSM。目前,CPMSS/CGSM系统可以完成一熟春播棉田的播前决策、生长发育期间的调控决策以及生育后期的估产。