基于叶绿素荧光参数的滴灌棉花氮素营养估测模型

【目的】建立基于叶绿素荧光参数的棉花叶片氮素营养监测模型,为棉花高效施氮及植株生长状况的无损监测提供方法。【方法】在水肥一体化滴灌条件下,以新陆早58号为试验材料,设置4个施氮水平,测定了棉花生长关键时期顶2(从顶部数起)至顶5叶的叶绿素荧光参数和氮素含量,分析了棉花叶片氮素含量与荧光参数的关系。【结果】(1)棉花出苗70 d后,叶片氮素含量以及光系统Ⅱ(PSⅡ)潜在光化学活性(Fv/F0)、PSⅡ潜在最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)、PSⅡ最大光化学效率(Fv’/Fm’)均随着棉花生长呈逐渐下降趋势。(2)不同氮素处理下,各叶片氮素含量以及叶绿素荧光参数Fv/F0、Fv/Fm、ΦPSⅡ和Fv’/Fm’均随施氮量的增加而上升,其中N2(240 kg·hm-2)处理下各荧光参数值最大。(3)叶片氮含量与Fv、Fv/F0、Fv/Fm、ΦPSⅡ都呈现极显著正相关关系,与荧光参数ΦPSⅡ、Fv’/Fm’间呈现较好的指数函数关系,与荧光参数Fv、Fv/Fm、Fv/F0呈现良好的线性函数关系。顶5叶可变荧光(Fv)与叶片氮素含量建立的关系模型(y=0.0022x+1.6243)的模拟效果最好,决定系数达到0.928,相关系数达到0.963,呈极显著正相关。【结论】适量施氮(240 kg·hm-2)能够提高PSⅡ的活性及PSⅡ反应中心开放部分的比例,进而改善棉花叶片光合能力。顶5叶氮素含量与叶绿素荧光参数Fv构建的模型精确度和拟合效果较其他荧光参数好,因此可以选用荧光参数Fv来监测棉花叶片氮素含量,进而监测植株的氮素营养状况。     

膜下滴灌对棉花生育后期叶片与苞叶光合特性的影响

在新疆气候生态条件下,选用新陆早33号和新陆早46号棉花品种,设置2个膜下滴灌量处理,测定棉花叶片和苞叶的光响应曲线、CO2响应曲线、荧光参数等相关光合生理指标,探讨生育后期棉花叶片与苞叶光合能力的差异及对滴灌量的响应。结果表明,棉花生育期间,高温强光下苞叶最大羧化速率与最大电子传递速率的比值(Jmax/Vc,max)较高,气孔导度(Gs)较低。棉花生长发育后期,苞叶面积、含水量、叶绿素含量、净光合速率(Pn)、光系统II实际光化学效率(?PSII)、Rubisco含量显著低于叶片,但随着生育进程降幅显著低于叶片。与常规滴灌处理相比,节水滴灌处理棉花叶片含水量降幅显著高于苞叶;叶片叶绿素含量、Pn和Rubisco含量显著降低,而苞叶的变化不显著。棉花生育后期苞叶面积、含水量、叶绿素含量、Pn、ΦPSII、Rubisco含量的稳定性高于叶片,表明生育后期叶片衰老较快,但苞叶仍能保持较稳定的光合能力,对光合物质的贡献逐渐增大,常规滴灌下达7.22%~8.83%,节水滴灌下达10.24%~12.53%。     

Responses of Canopy Photosynthesis,Spectral Indices and Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence in Cotton under Drought Stress

[Objective] Study canopy photosynthesis, spectral indices and solar-induced chlorophyll fluorescence in cotton under drought stress. [Method] Using transgenic cotton cultivar Nongda 601 as material, a two-year experiment was conducted with four irrigation regimes (CK, light drought, moderate drought and severe drought) under a field mobile shed to measure the following indices and parameters at canopy level: canopy photosynthetic rate (CAP), spectral indices (normalized difference vegetation index (NDVI), photochemical reflectance index (PRI) and water index (WI)) and solar-induced fluorescence at 761 nm (F761), as well as plant leaf water content (LWC) and leaf area index (LAI). [Result] The results indicated that LWC, LAI, CAP, NDVI, PRI and F761showed a downward trend along with the prolonging of the drought stress, while WI showed an increasing trend. Extremely significant differences (P＜0.01) were found among drought treatments and CK for all parameters. NDVI, PRI and WI were significantly correlated with LAI and LWC (P＜0.01). The absolute values of correlation coefficient for NDVI, PRI, WI, F761with LAI (|r|>0.6) were lower than those with LWC (|r|>0.8). F761 was better correlated with leaf water content and LAI than other spectral indices. [Conclusion] It was concluded that CAP, PRI, NDVI, WI and F761 are good indicators in cotton leaves during drought stress. Solar-induced fluorescence seems more sensitive to leaf water status than other spectral indices at canopy level in cotton.     

用高光谱数据诊断水分胁迫下棉花冠层叶片氮素状况的研究

利用ASD地物光谱仪,获取北疆棉花冠层关键生育时期的高光谱数据,应用一阶微分光谱,衍生出基于光谱位置变量的分析方法,以红边积分面积(SDr)为自变量,冠层全氮(TN)含量为因变量,做相关分析,结果表明:红边积分面积变量与冠层TN含量呈显著的相关性,相关系数是0.7394(n=40),利用构建的相关模型可以较为精确地估测棉花两个品种新陆早6号与8号冠层叶片的全氮含量,均方差(RMSE)分别为0.3859和0.4272。研究认为面积变量具有预测棉花冠层全氮含量的应用潜力。     

氮肥施用策略对膜下滴灌棉花叶片叶绿素含量变化的影响

进行了南疆膜下滴灌棉花不同施肥策略和不同灌水量对农田环境影响的田间试验,利用SPAD-502叶绿素仪测定了不同施氮比例下棉花功能叶叶绿素SPAD值的变化,分析了叶绿素SPAD值积累量与棉花产量的关系。结果表明:棉花整个生育期采用不同的追肥策略,各个处理叶片中叶绿素含量变化的趋势、峰值大小及SPAD值积累量都会不同。在蕾期、花铃期前期,不同施肥策略均会影响叶片叶绿素的积累,而盛铃期施肥策略对叶片叶绿素影响不大。各处理叶片叶绿素SPAD值与产量之间存在明显的正相关,生育期积累的叶绿素含量越高,产量越高。在比较理想的施肥量和施肥策略下,过高的灌水量不一定会获得高的棉花产量。     

施氮量对高产春大豆光合特性及产量的影响

为揭示不同施氮量对滴灌条件下高产春大豆不同冠层光合特性的影响规律,在大田条件下,研究4种施氮量(0、75、150、225 kg/hm ²)对高产春大豆植株形态特征及不同冠层叶片叶绿素含量、光合参数的影响。结果表明：增施氮肥显著提高大豆植株中上部节间长度、叶柄长度和叶形指数;提高大豆不同冠层叶片叶绿素含量,施氮处理使植株后期中上部叶片叶绿素含量的下降幅度较N₀处理减缓1.31%~4.44%;提高不同生育时期不同冠层叶片的净光合速率(P_n),减缓了中后期不同冠层净光合速率的下降幅度;施氮增加产量,以N₁₅₀产量较高,为4889.62 kg/hm ²,氮肥农学利用效率3.58 kg/kg。     

Study on Hyperspectral Diagnosis of Nitrogen Nutrition Index among Different Cotton Varieties under Drip Irrigation

[Objective] To explore the feasibility of rapid and accurate diagnosis of nitrogen nutrition index investigeted nitrogen nutrition index and hyperspectral index in different varieties of drip irrigation cotton. [Method] Five cotton varieties with different characters were selected as the research object under different fertilization conditions, the correlation between nitrogen nutrient index and 17 spectral indices was explored. Then the diagnosis model of nitrogen nutrition was established and verified. [Results] The difference of nitrogen nutrition index among different cotton varieties of drip-irrigation was significant, the hybrid cotton could approach the best condition of nitrogen nutrition level more quickly. In the multiple regression model of nitrogen nutrition index based on hyperspectral analysis, Lumianyan 24 had the highest R², which reached the high level of 0.8. The precision of the model established by Lumianyan 24 was the highest under two years' data verification. [Conclusion] The hyperspectral monitoring model based on nitrogen nutrition index can be used to monitor nitrogen nutrient status of plant. The results of this experiment can provide theoretical basis for precision fertilization in later stage agriculture.     

滴灌频次对化学脱叶棉花产量和品质影响机制的研究

为了明确脱叶效果较好且产量较高的滴灌频次,研究了不同滴灌频次对化学脱叶棉花土壤含水率、叶绿素荧光参数、脱叶效果及产量品质的影响。试验结果表明,滴灌频次7次（D7）处理为棉花生育后期提供较适宜的土壤含水量且有效调节20~40cm土层的土壤水分,调节化学脱叶棉花叶片荧光参数和产量,适当降低光合活性,促进棉花脱叶率与吐絮率增长,且降低挂枝率16.12%~24.95%,从而使产量增加7.61%~15.99%,同时纤维长度和纺织一致性分别增加了1.91%~3.87%、4.58%~14.72%。因此,滴灌频次为7次（D7）更适宜南疆化学脱叶的等行距机采棉种植。     

棉花冠层对不同灌水量的反应

讨论了北疆棉区推广棉种新陆早6号与新陆早8号在不同灌水量条件下的冠层结构特征的差异性,得出新陆早6号对限量滴灌反应不敏感,而新陆早8号对限量滴灌反应较敏感。因此在限量滴灌条件下选择新陆早6号种植较适宜。叶面积指数降低,叶片平均倾斜角度大,则群体散射辐射透过系数和群体直射辐射透过系数增加,对光能的截获率降低。由此得出了不同品种对灌水量的反应表现及理想群体冠层结构的合理指标,为增加棉花产量和提高水分利用率提供了理论依据。     

基于高光谱数据提取棉花冠层特征信息的研究

 采用ASD Field Spec Pro VNIR 2500型高光谱仪获取了不同生育时期棉花冠层的高光谱遥感数据,通过光谱分析技术研究了棉花冠层结构与其光谱数据之间的关系。结果表明,不同品种、不同密度、不同配置方式及不同生长状况间棉花的冠层光谱存在着较明显的差异,棉花冠层光谱反射率与其叶绿素含量、叶面积和生物量及生长发育阶段、健康状况和物候现象等因素密切相关。可见,运用高光谱遥感技术快速、有效、非接触、非破坏性地获取棉花冠层信息,对解释、预测和设计理想棉花群体意义重大,同时为新疆精准种植棉花和科学调控水肥提供了科学依据。     

基于红边参数的棉花冠层叶片氮积累量之估算研究

测试了棉花2个品种4水平种植密度的4个关键生育时期冠层反射光谱,应用微分技术处理棉花冠层反射光谱,提取了红边(680～750nm)波段范围的最大一阶微分值(Dr)和红边面积(SDr)参数。分析了棉花冠层红边参数在不同生育期的变化特征和棉花吐絮期的两种生长类型的冠层红边状况,表明红边位置可以指示它们的氮素状况。以新陆早8号的SDr为自变量与对应的LNA为因变量进行相关分析,SDr与冠层LNA达1%极显著相关(R=0.9186**,n=32),利用其构建的模型方程估算新陆早6号的LNA,实测LNA和估测LNA的估计标准差为0.8909g/m2,估算精度为88.1%(R=0.9277**,n=32),说明采用高光谱提取的红边参数信息是无损实时、快捷评价棉花氮素状况的有效方法。     

基于RF和SPA的无人机高光谱估算棉花叶片全氮含量

为分析棉花叶片全氮含量（LNC）与冠层光谱反射特征的关系,实现作物生长过程中氮素水平的快速、准确和无损监测,以石河子大学教学试验场2019年棉花小区试验为基础,选用多元散射校正、SG平滑算法、变量标准化校正和一阶导数4种方法分别对棉花冠层原始光谱进行预处理,使用随机蛙跳（random frog,RF）和连续投影算法（successive projections algorithm,SPA）筛选特征波长并结合偏最小二乘回归法建立棉花LNC光谱估算模型。RF和SPA算法从棉花冠层398～1000nm的光谱中优选5组LNC的敏感特征波段,波段数目下降了93.0%～96.3%,有效降低了光谱的冗余信息;基于SPA算法筛选的敏感波段构建的LNC偏最小二乘回归模型的决定系数和均方根误差分别为0.52和2.55,模型验证的决定系数和均方根误差分别为0.70和2.37,模型具有较好的精度和稳定性,可作为棉花LNC的无人机高光谱估算方法。     

基于高光谱植被指数的棉田冠层特征信息估算模型研究

 采用ASD Field Spec Pro VNIR 2500型光谱辐射仪获取了棉花不同生育时期的冠层高光谱反射率。并通过光谱分析技术，建立了基于高光谱植被指数——归一化植被指数和比值植被指数的棉田冠层特征信息的定量模型。经过对估算模型的精度检验和评价，最终筛选出表征棉花冠层结构特征参数的最佳估算模型。结果表明，基于归一化植被指数预测棉花叶面积指数，以幂函数（y=11.084x^12.024，r=0.8076^**）的模型为最优；基于比值植被指数预测棉花单位面积地上部鲜生物量，以指数函数（y=52.261·exp(0.1024x)，r=0.8114^**）的估计模型为最优；基于比值植被指数预测棉花单位面积地上部干生物量，以指数函数（y=9.5552·exp(0.1133x)，r=0.8330^**）的模型为最优。可见，利用高光谱遥感技术可以分析、模拟、评价、预测棉花冠层特征参量，为精准种植棉花提供了依据。     

北疆植棉区滴灌量对化学打顶棉花植株农艺性状及产量的影响

【目的】探索滴灌量变化对化学打顶棉花农艺性状及产量的影响,为棉花化学打顶技术的应用提供依据。【方法】2016年,田间自然条件下,以人工打顶作为对照,选用氟节胺复配型和缩节胺复配型两种打顶剂,分别设3种不同滴灌量,通过测定不同处理棉花农艺性状、机采前脱叶效果及产量变化,分析不同滴灌量条件下棉花化学打顶株型变化及产量效应。【结果】打顶处理与滴灌量处理对棉花株高及果枝长有显著的互作效应,其中化学打顶×中滴灌量组合较化学打顶×高滴灌量组合株高平均降低6%,果枝长平均变短12%,产量差异不大;而较化学打顶×低滴灌量组合株高增加13%,果枝长平均增加14%,籽棉产量却增加7%。化学打顶与人工打顶之间脱叶率及杂叶率无显著差异,而较低的滴灌量可以加快化学打顶棉花的脱叶进程。与人工打顶相比,化学打顶虽显著降低了上部果枝铃重,但对衣分及产量无显著影响。【结论】喷施打顶剂后的2次灌水控制在中滴灌量(32 m3·667 m~(-2)),不仅可以调节化学打顶棉花的株型和脱叶进程,还可以在不降低籽棉产量的同时减少滴灌量,生产上具有一定的应用价值。     

基于高光谱的棉花叶片磷含量估测模型

研究不同施磷条件下棉花叶片叶绿素含量的变化规律，旨在建立基于高光谱的叶片磷含量估测模型，实现棉花叶片磷含量快速监测。在盆栽试验条件下，设置不同的磷肥量，测定棉花功能叶叶绿素含量与磷含量，并利用植被指数和叶绿素含量的相关性构建磷含量的光谱变量，从而实现利用高光谱对棉花叶片磷含量的定量监测。结果表明：(1)棉花播种后100天左右，叶片磷含量与叶绿素呈现显著关系(决定系数R²=0.96)。(2)利用多个植被指数(X)和叶绿素含量(I)的相关性构建倒一叶、倒二叶、倒三叶、倒四叶的磷含量光谱变量，其中各叶片相关性最优的模型：倒一叶(L₁)为I₁=2.6131X_RENDVI-0.4275,X_RENDV为红边归一化植被指数，R²=0.71,RMSE=0.2；倒二叶(L₂)为I₅=0.0142X_TVI+0.3274,X_TVI为三角植被指数，R²=0.76,RMSE...     

应用灰板校正提高计算机视觉预测棉花植株含水量的精确度

利用灰板校正以消除棉花不同生育期图片颜色特征值的亮度差异,建立适用于不同生育期预测植株含水量的通用模型,以提高运用计算机视觉技术进行棉花植株含水量预测的精度。研究结果表明,由灰板校正前、后颜色特征值G-B建立的最佳预测模型,决定系数分别为0.746和0.782。有效性检验结果表明,灰板校正前、后计算预测值与实测值的决定系数分别为0.739和0.783;RMSE分别为2.218和2.03,RE分别为2.13%和1.79%。基于计算机视觉提取的冠层图片颜色特征值能够预测植株含水量,应用灰板校正颜色特征值能够提高模型预测精度,可为提高计算机视觉预测植株水分状况的精度提供技术支撑和方法补充。     

水肥调控策略对膜下滴灌棉花冠层结构和产量的影响

 测定了膜下滴灌棉花常规灌溉施肥、优化灌溉、优化施肥等不同水肥调控处理下棉花生育期叶面积指数等冠层特征,分析了棉花冠层结构的动态变化及其与产量的关系。结果表明：常规灌溉下氮磷配合的常规施肥可显著增加棉花叶面积指数、平均叶倾角,极显著降低散射和直射辐射透过系数,极显著提高单位面积结铃数和铃重,从而极显著提高子棉产量;只使用氮磷肥、不使用钾肥改为氮磷钾肥平衡施用,棉花叶面积指数和平均叶倾角略减,散射和直射辐射透过系数降低,单株结铃数增加,从而进一步提高子棉产量。在常规施肥下减少灌溉量、优化生育期灌水次数和灌水量,可增大棉花叶面积指数和平均叶倾角、降低散射和直射辐射透过系数,提高铃重,从而显著提高子棉产量。     

不同咸水利用方式对棉花叶绿素荧光参数及土壤盐分的影响

【目的】本研究旨在科学合理地利用浅层咸水资源。【方法】依托短期定位试验开展了在第3年和第4年不同咸水利用方式下(CK:造墒和蕾期灌淡水;T1:造墒和蕾期灌咸淡混配矿化度3 g·L^-1的微咸水;T2:淡水造墒蕾期灌矿化度5 g·L^-1咸水;T3:造墒和蕾期灌矿化度5 g·L^-1咸水;T4:淡水造墒蕾期不灌水)棉花长势、叶绿素荧光参数、土壤盐分累积及其运移的变化。【结果】T1和T2处理的齐苗率、株高、干物质质量、叶面积指数、叶绿素荧光参数、产量及霜前花率与CK无显著差异,土壤盐分含量较CK有所增加,但未对棉花生长产生明显抑制。T3处理的棉花长势指标、叶绿素荧光参数较CK显著降低,0~100 cm土壤盐分含量较CK明显增加。【结论】从土壤质量安全和咸水高效利用的角度考虑,连续4年用3 g·L^-1的咸淡混合水灌溉或用淡水与5 g·L^-1的咸水轮灌不仅能节约淡水,且不影响棉花产量。本研究结果为当地在棉花生产中安全利用咸水提供技术参考。     

水浇地与旱地春小麦新型光谱曲线特征变量与叶绿素关系的对比研究

为了利用新型光谱曲线特征变量对水浇地与旱地春小麦叶绿素含量进行估算,测定水浇地与旱地春小麦冠层光谱、叶绿素含量、叶宽和苗高,并利用各地春小麦冠层光谱曲线“峰谷”存在差异的特点,通过分析光谱曲线特征变量与水浇地和旱地春小麦叶绿素含量的相关性,分别建立了水浇地和旱地春小麦叶绿素含量最佳估算模型并检验模型精度。结果表明：在723 nm、730 nm和736 nm前后,水浇地、阴坡地、阳坡和双面坡地春小麦原始光谱与叶绿素含量的相关性表现出完全相反的变化规律。在以上波段之前,相关系数为负,之后为正。各地春小麦叶绿素含量与绿边和黄边曲线变化速率及反射绿峰两边的夹角存在很好的相关性,与水浇地、阴坡地、阳坡和双面坡相关性最好的光谱曲线特征变量分别为K pv、Kb和GPA1,相关系数均大于0.80。抛物线和线性模型是估测各地类春小麦叶绿素含量的最佳模型,模型R2均超过0.89,预测能力均大于92%。研究结果为以后利用高光谱信息监测小麦长势及产量提供了新思路和方法。     

基于宽范围动态植被指数的棉花冠层覆盖度监测

 旨在利用宽范围动态植被指数对棉花冠层覆盖度进行监测,解决传统的利用归一化差值植被指数对冠层覆盖度较高时监测不准确(饱和)的问题。采用高光谱仪获取棉花不同时期不同覆盖度的冠层光谱反射率,通过对构成归一化差值植被指数的近红外波段反射率引入系数α来提高修正后的植被指数随棉花覆盖度变化的动态范围。当利用权重系数0.1≤α≤0.2对近红外波段反射率调整之后,新形成的宽范围动态植被指数用于监测不同覆盖度棉花时未出现“饱和”现象。利用宽范围动态植被指数建立的棉花覆盖度监测模型的决定系数r2＞0.948,对棉花冠层覆盖度进行监测,可以解决传统的归一化差值植被指数对冠层覆盖度较高时监测不准确(饱和)的问题,提高了植被指数对棉花冠层覆盖度监测的精度。