基于数码图像识别的棉花氮营养诊断研究

研究田间试验条件下不同施肥处理棉花不同叶位图像色彩参数（G、NRI、NGI、NBI、G/R和G/B）与硝态氮含量、叶绿素测量值(SPAD)、叶绿素含量等营养指标间的相关性,确立棉花氮素营养诊断的最佳色彩参数和曲线方程,以期为新型数码图像技术在棉花氮素营养诊断的应用研究提供理论基础。于2012—2013年在安徽省农业科学院棉花研究所安庆试验基地进行不同施肥处理的田间试验,供试品种为‘湘杂棉8号’F1。设置8个施肥处理。分别在棉花蕾期、花铃期用Nikon D80数码相机获取棉花不同叶位图像并取样分析,研究数码相机进行棉花氮素营养诊断的最佳色彩参数,确定棉花氮素营养诊断的曲线方程。结果表明：（1）倒3叶硝态氮含量与红光标准化值NRI的相关性最好,R2=0.8754。功能叶倒4叶次之,R2=0.8013。（2）除倒1叶外,各叶位的SPAD值与数字化指标之间均有着良好的相关性。倒2叶与绿光标准化值NGI的相关性最好,相关系数为0.9591。（3）对于叶绿素含量,倒1叶与蓝光值B值相关性最好,为曲线正相关,R2=0.9444。其次为倒3叶、倒4叶,相关系数分别为0.9294、0.931。因此,在进行棉花不同叶位氮素营养诊断时,应选择上部叶位倒1叶、倒2叶、倒3叶、倒4叶,并选择色彩参数B值、蓝光标准化值NBI、NRI进行相关性分析与诊断。     

棉花功能叶不同位点SPAD值与氮素养分相关性

通过水培试验,设N0(0,不供氮)、N1.5(1.5mmol/L,适量供氮)、N15(15mmol/L,过量供氮)3个供氮处理,分4次测定棉花功能叶1～17个不同位点SPAD值和含氮量,分析棉花功能叶片不同位点SPAD值与植株氮素养分的相关关系。结果表明,随施氮量增加,棉花生长量也显著增加,N0、N1.5、N15处理的施氮量与棉花生长量、氮吸收量及叶片氮含量的相关性达到显著水平,相关系数分别为0.669 0、0.769 1和0.742 0,而棉花叶片平均SPAD值与施氮量、氮素吸收量相关性不显著,相关系数仅为0.241 8。可见,棉花地上部生物量随施氮量增加而显著增加,地上部的植株氮素水平与功能叶平均SPAD值相关性低,另外,选择适宜的观测位点十分必要,棉花功能叶中远离叶柄而靠近叶缘的位点适宜作为SPAD仪的测定区域。     

施氮量对棉花叶位SPAD值的影响及棉花氮素营养诊断

在不同施氮量和不同质地土壤条件下,研究了氮素水平对棉花叶片含氮量和叶绿素含量的影响。研究表明,棉花不同生育时期叶片含氮量不同,苗期、蕾期、花铃期、铃期叶片含氮量分别为28.1、27.4、32.2、30.9 g·kg^-1。在各时期不同处理的叶片含氮量,均表现出相同的规律,即随施氮水平的提高,棉花叶片含氮量增加。土壤质地不同（砂壤土、粘壤土）时,高、中、低产棉田棉花叶片含氮量存在差异;随着施氮量的提高,棉花叶片含氮量随之提高,同时棉花不同叶位间的含氮量更加接近。对叶绿素的分析表明,不同施氮水平下,叶绿素含量差异显著;相同施氮水平下,不同叶位叶片SPAD值差异显著;施氮量增加能够提高棉花叶片的SPAD值,同时减小棉花不同叶位间SPAD差值的大小。初花期和花铃期顶1叶的叶位差指数PDI与棉花叶片含氮量的相关性最高,可以用叶位差指数作为衡量棉花氮素状况的指标。     

水稻叶片SPAD空间分布与氮素营养及种植密度的关系

通过大田试验,研究在4个施氮水平和3个种植密度下,水稻孕穗和抽穗两个时期水稻不同叶位叶片SPAD值的空间分布特征,并对叶片氮素营养和种植密度与不同叶位的SPAD值之间的相关性进行分析。结果表明,随着施氮量的增加,孕穗期SPAD值表现为顶3叶>顶2叶>顶4叶>顶1叶;抽穗期SPAD值表现为顶1叶>顶2叶>顶3叶>顶4叶。不同种植密度对水稻各叶位的SPAD值差异不显著。相关分析发现,孕穗期不同叶位SPAD值与施氮量的相关性顺序是顶4叶>顶3叶>顶2叶;抽穗期不同叶位SPAD值与施氮量的相关性顺序是顶1叶>顶3叶>顶2叶>顶4叶。     

新疆棉花氮营养诊断及追肥推荐研究

 应用反射仪测定棉株叶组织硝态氮含量 ,研究了硝态氮作为棉花氮营养诊断和追肥推荐指标的可行性。结果表明 ,棉花不同部位硝酸盐含量依次为叶柄 >主茎 >叶片 ,植株顶部 >植株底部 ;不同生育期棉花硝酸盐含量变化明显 ,盛花期最低 ,蕾期最高。棉花倒四叶叶柄硝酸盐含量比较稳定 ,可以灵敏的指示棉花氮素营养状况 ,可作为棉花追肥推荐的诊断部位。棉花蕾期倒四叶叶柄硝酸盐含量与产量显著相关 ,可以灵敏地指示棉花氮素营养状况 ,可作为棉花追肥推荐的诊断时期。盛花期由于灌溉和追肥的影响 ,倒四叶叶柄硝酸盐含量只与硝酸盐含量微弱相关。初步确定了棉花蕾期氮素营养诊断指标和追肥推荐量。用反射仪快速准确测定棉花蕾期硝酸盐含量并进行追肥推荐 ,速度快 ,诊断结果可靠 ,是一项前景很广的农业技术。     

麦后移栽棉氮素营养诊断与追肥模型

【目的】基于江汉平原麦后移栽棉花适宜氮素诊断指标建立追肥模型,为棉花氮素精准管理提供依据。【方法】于2019年采用田间小区试验,设置6个施氮量处理(0、90、180、270、360、450 kg N/hm²),分析蕾期、花铃期倒4叶叶绿素含量(SPAD值)、叶柄硝酸盐含量(NIT)及24个高光谱参数与前期施氮量的关系,研究麦后移栽棉适宜氮素营养诊断关键指标,结合氮肥效应函数建立氮素追肥模型。【结果】随施氮量的增加,棉花倒4叶SPAD值、叶柄NIT含量显著增大,棉花冠层光谱绿光波段形成的反射峰变缓,但当氮肥增加到360 kg/hm²时不再显著增加(蕾期NIT除外)。蕾期、花铃期倒4叶SPAD值、叶柄NIT含量、冠层高光谱参数(RSI和mND705)与前期施氮量均呈极显著一元二次方程关系(R²＞0.8,RMSE＜1),可作为江汉平原麦后移栽棉氮素营养诊断指标,以产量潜力的95%为临界值,蕾期麦后移栽棉SPAD值、叶柄NIT含量、冠层RSI和mND705临界值分别为34.802、2.307、1.526和0.549,花铃期相应为34.841、4.174、1.589和0.619。【结论】4个指标为江汉平原麦后移栽棉氮素营养诊断指标。麦后移栽棉最适宜施氮量为310.64 kg/hm²,产量潜力为4 662.53 kg/hm²。     

棉花生育时期SPAD值准确性与样本数的关系

 【目的】研究高产滴灌棉花观测样本数对SPAD诊断棉花氮素营养准确性的影响,为SPAD法指导棉花施肥提供理论依据。【方法】采用田间膜下滴灌方式,在390 kg•hm-2施氮量下,设计5个氮肥运筹方案,监测棉花全生育期5个氮肥运筹方案下随机观测的60个SPAD值样本数,测定产量后分析高产施氮水平下不同样本数与标准偏差的变化关系。【结果】高产棉花各生育时期SPAD值的变异系数和标准偏差差异不大,但是存有明显不同;棉花蕾期、初花期、盛花期、花铃期、盛铃期、吐絮初期的SPAD值样本数（y）与标准偏差（x）的乘幂函数关系分别为：y=5632.2x-4.893（R2=0.7968）,y=26456x-6.0437（R2=0.8732）,y=50184x-6.5227（R2=0.9782）,y=174890x-7.2601（R2=0.9655）,y=27410x-5.743（R2=0.9182）,y=16237x-5.3756（R2=0.942）,并可通过y=ax-b（a,b均为参数）模型来预测SPAD值的变异程度及各生育时期诊断样本数量的多少;不同样本数下SPAD值和叶片含氮量线性相关性的高低排列顺序为：60个样本＞30个样本＞5个样本。【结论】用SPAD叶绿素仪诊断棉花各个生育时期氮素营养,测定样本数为26—60时样本数越大,SPAD均值准确性越高,SPAD均值与叶片含氮量的相关性就越好,SPAD值测定样本数与标准偏差呈乘幂函数关系。     

压砂西瓜叶片SPAD值变化规律及其对氮素的响应

通过田间试验,研究压砂西瓜生长期基部、中部和顶部叶片SPAD值的变化规律及不同施氮水平对叶片SPAD值的影响.结果表明:压砂西瓜叶片SPAD值随生育期的变化而变化,并因叶片部位的不同而异.苗期以基部叶SPAD值最高,伸蔓期至收获期以中部叶和顶部叶的较高.从苗期至成熟期,基部和中部叶SPAD值动态变化规律基本一致,即苗期与成熟期较低,而伸蔓期至膨瓜期较高且保持相对稳定,分别为56.2和60.6.顶部叶SPAD值在苗期至膨瓜期逐渐增加,而收获期迅速下降.总体而言,中部叶SPAD值变化比较平稳且变异系数较小.施氮水平与不同部位叶片SPAD值有密切关系,且因生育时期不同而异.苗期,基部、中部和顶部叶片SPAD值均随施氮水平提高,呈倒S型变化;伸蔓期至膨瓜期呈典型的报酬递减抛物线变化趋势,且相关性均达到显著或极显著水平;收获期,基部叶和中部叶SPAD值仍保持抛物线式变化,但相关系数有所降低.说明伸蔓期至膨瓜期叶片SPAD值水平较高,此时期适量施氮有助于不同部位叶片叶绿素的累积,而过量则使叶片SPAD值降低;同时,整个生育期中部叶片SPAD值保持较高和较稳定水平,并且与施氮水平之间呈稳定的报酬递减关系,因此可以作为压砂西瓜氮素营养诊断的指示器官.     

水稻花后叶片SPAD值动态模型与特征分析

叶绿素含量影响水稻的各种生理机能,供氮水平影响水稻的产量,探究水稻花后叶片相对叶绿素含量与不同供氮水平二者间的关系,为高产绿色栽培提供参考.采用淮稻5号、扬粳4227、常优5号、甬优8号4个水稻代表性品种,设计低(N1)、中(N2)、高(N3)3个氮素水平,每隔7 d测定水稻上3叶的SPAD值,利用倒Logistic数学模型,分析特征参数.结果表明,供氮水平的提高可减缓水稻上3叶叶绿素流失速率;倒3叶对土壤氮素供应反应敏感,可视为反映水稻氮素营养状况的指示叶;在不同供氮水平下4种水稻品种花后上3叶SPAD值变化曲线均符合倒"S"形分布,其中常优5号中供氮水平更为符合;4种水稻品种在相同氮素处理下的倒3叶渐降期、快降期、缓降期时间和最大速率点相似.     

利用叶绿素计诊断水稻氮素营养的研究

以2个叶色不同的晚熟粳稻品种为试验材料,测定了4个氮肥水平下水稻分蘖盛期和抽穗期主茎顶部3张叶片的叶色SPAD值以及叶片氮含量.结果表明:2个水稻品种顶3叶SPAD值在不同氮肥水平下变化最大,不受品种的影响,并且与水稻总叶片含氮量及植株含氮量呈极显著的相关性.因此,通过测定水稻顶3叶的SPAD值可以诊断水稻的氮素营养状况.     

不同氮素水平下水稻叶片及相邻叶位SPAD值变化特征

通过大田试验,研究在3种不同施肥方案和6个施氮水平下,水稻植株整个生长周期SPAD值的变化情况以及水稻分蘖、孕穗和抽穗3个重要时期主茎顶1叶至顶4叶的SPAD值分布变化特征。结果表明:水稻整个生长期叶色呈现"黑黄"交替的变化规律,而主茎顶4叶对氮素供应盈缺的反应最为敏感,可作为反映水稻N素营养状况的理想指示叶;对水稻主茎上各个相邻叶位的SPAD差值与施氮水平之间的相关性比较发现,顶4叶和顶3叶的SPAD差值(SPADL4-L3)与施氮水平之间存在明显的相关性,随着施氮水平的提高,顶4叶与顶3叶间的SPAD值差异逐渐缩小,且这一结果不受施肥条件和水稻生长时期的影响,因此,也可以利用SPADL4-L3值作为水稻整个生育期N素营养状况实时诊断的指标。     

SPAD值与棉花叶绿素和含氮量关系的研究

通过田间试验,利用叶绿素仪测定了不同氮素水平及不同生育时期棉花(新陆早13号及10号)功能叶片的SPAD值、叶绿素含量及植株全氮含量,在此基础上分析了棉花叶片SPAD值与叶绿素含量及全氮含量的关系.结果表明:棉花叶片的叶绿素含量与SPAD值呈线性相关;在不同生育期棉花的功能叶SPAD值与植株全氮有较好的线性相关;在相同时期不同品种间的SPAD值有显著性差异.应用SPAD值能够迅速准确地预测棉花的氮素营养状况,为确定棉花合理的施肥时期及施肥量提供理论依据,是一项前景很广的农业技术.     

水稻叶片SPAD值分布特征及其与施氮量的关系

[目的]探明水稻叶片SPAD值分布特征及其与施氮量的关系,为构建基于SPAD值的水稻施氮管理线性模型提供参考依据.[方法]试验采用裂区设计,主处理设2个不同品种(Q优6号和准两优527),副处理设6种不同施氮量水平(0、75、150、225、300和375 kg/ha,以纯N计),测定不同施氮水平下水稻重要生育时期的叶片SPAD值,并分析稻叶SPAD值分布特征及其与施氮量的关系.[结果]Q优6号在不同施氮处理下的产量排序为300 kg/ha>225 kg/ha> 150kg/ha>375 kg/ha>75 kg/ha>0 kg/ha,准两优527产量随施氮量的增加而增加;准两优527的有效穗数和千粒重显著高于Q优6号.两个水稻品种不同施氮水平间SPAD值的动态变化趋势相似,但SPAD值最高值出现的时间和幅度略有差别.两个水稻品种SPAD值与施氮量在拔节期、抽穗期和成熟期均呈极显著正相关(P<0.01),拟合方程斜率均较低.不同测定时期SPAD值存在品种间和叶位间的差异.各SPAD值次级指标与施氮量的一元二次多项式拟合结果表明,下部叶片SPAD值(L3和L4)与施氮量的曲线拟合度高于上部叶片SPAD值(L1和L2),两次追肥时期的SPADL4X3/mean值可作为氮素营养实时诊断的理想指标.[结论]水稻叶片SPADL4xL3/mean与施氮量具有较好的拟合关系,且这一关系不受时间和品种的影响,可作为构建基于SPAD值水稻变量施氮模型时的理想参数.     

甜菜叶片SPAD值和光和色素的相关性研究

为明确甜菜叶片SPAD值与光合色素含量的关系,以期为甜菜氮素营养诊断奠定提供理论基础。通过测定不同甜菜品种苗期叶片SPAD值、叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量及类胡萝卜素含量,分析品种间SPAD 值、叶绿素含量的差异以及SPAD值分别与不同光合色素的相关性。结果表明：甜菜叶片叶绿素a含量>叶绿素b含量>类胡萝卜素含量,不同光合色素及SPAD值品种间存在差异。叶片SPAD值与光合色素呈正相关,其中总叶绿素含量与SPAD值的相关性最高,r=0.7766;叶绿素a、叶绿素b含量与 SPAD 值的相关性次之,而类胡萝卜素与SPAD值的相关性最低,r=0.5704。因此利用SPAD值来预测甜菜叶片叶绿素含量是可行的,为甜菜生产中快速无损地进行植株营养诊断提供了理论依据是可行的。     

棉花SPAD值推荐施氮模型应用与修正

【目的】研究棉花SPAD值推荐施氮模型应用与修正,为棉花SPAD法推荐施肥模型在田间应用的准确性、普适性及合理性提供科学依据。【方法】采用田间小区试验,设3个处理:按照棉花生育时期测定SPAD值推荐施氮(N₁);按照棉花叶龄测定SPAD值推荐施氮(N₂);按当地高产模式推荐施氮(N₃);对比SPAD值、产量构成指标等数据变化特征,修正SPAD值推荐施氮模型。【结果】N₁处理与SPAD值关系式为y=0.090 3x+46.618, R²=0.855;N₂处理与SPAD值关系式为y=0.108 6x+48.666,R²=0.765,N₁处理的追氮量与SPAD值的相关性要高于N₂处理;M₁推荐的N₁处理追氮量与M₂推荐的N₂处理追氮量对产量的影响差异不显著;N₁的追氮量417.45 kg/hm²高于当地高产的追氮量,N₂的285.40 kg/hm²低于当地高产的追氮量,但是N₁和N₂的产量均明显低于当地高产产量;在棉花各个生育时期,N₁与N₂的追肥量与棉花需肥量趋势基本一致,但是各时期N₁的追肥量高于N₂的追肥量。【结论】棉花SPAD值推荐施氮模型具有科学性、可应用性,但在土壤、气候、管理模式变化时需要对模型参数进行修正,才能达到SPAD值与施氮量的最大相关性。修正SPAD值推荐施氮模型时可以利用原有模型的推荐施肥量、当地多年高产施肥量,通过反推快速得到当年就能使用的新推荐施肥公式。     

叶绿素仪在东北春播玉米营养诊断施肥中的应用

[目的]研究叶绿素仪在东北春播玉米营养诊断施肥中的应用。[方法]测定了叶片SPAD值,叶片全氮、全磷和全钾,及玉米相对产量。[结果]玉米SPAD值与玉米叶片全氮含量、施氮肥数量、玉米产量之间存在极显著的线性相关性。[结论]通过测量玉米SPAD来分析玉米氮素营养、预测东北春播玉米产量具有可行性。