不同氮营养冬小麦冠层光谱红边特征分析

利用FieldSpec FR2500光谱仪测定了不同氮素处理冬小麦冠层光谱,分析其红边特征变化规律及与农学成分的相关关系。结果表明,波长550 nm、680 nm、980 nm、1100 nm与350～680 nm和750～1100 nm可作为氮素营养诊断的敏感特征点与波段范围。随着施氮量的提高,拔节期、抽穗期以及灌浆期的红边位置（REP）、红谷位置（Lo）与光谱反射率一阶微分极大值（FD_Max）均增大,红边宽度（Lwidth）则有减小的趋势。总体上看,施氮与无氮处理在整个生育期均存在较大差异,施氮处理之间差异较小。冠层反射光谱的红边位置、红谷位置、随生育期向长波方向移动,呈现红移现象;从抽穗期开始逐渐减小,呈现蓝移现象。冬小麦红边参数中红边位置与农学组分之间的相关性优于其他参数,除与地上部生物量正相关显著外,与叶面积指数、叶含水率、叶绿素含量、叶可溶性蛋白含量、叶鲜重、叶含氮量均呈正相关且达到极显著水平。红谷位置则与叶面积指数、叶含水率、叶绿素含量、叶鲜重以及SPAD值呈极显著正相关;与可溶性蛋白呈显著正相关。红边宽度与叶面积指数、叶含水率、叶氮含量、叶绿素含量以及叶鲜重均呈极显著正相关;与可溶性蛋白含量呈显著正相关。反射率一阶导数极大值与叶面积指数、叶含水率、叶鲜重呈极显著正相关,与叶含氮量极显著负相关。通过红边参数与农学组分稳定良好的数学关系,可以对农学组分进行预测估算。     

玉米不同层位叶片生理生化指标与SPAD值的关系

  【目的】  研究不同层位玉米叶片氮素指标的变化，确定在不同生育时期进行营养诊断的最佳叶片，以便能够及时、准确地进行氮素营养光谱诊断，实现玉米高产和肥料高效益。  【方法】  设置两年 (2017和2018) 的盆栽试验，共设6个施氮水平，分别在玉米的关键生育时期 (拔节期、大喇叭口期、开花吐丝期和灌浆期) 按叶片层位取样，分析叶片生理生化指标 (叶片氮含量、叶绿素含量、可溶性蛋白质含量、可溶性糖含量、叶片厚度和净光合速率) 的变化及其与SPAD值的关系，确定利用SPAD值对叶片氮含量进行估算的最佳叶片。  【结果】  1) 叶片氮含量、叶绿素含量、可溶性蛋白质含量、叶片厚度及净光合速率随着氮肥增施呈现先增加后平稳的趋势，与叶片SPAD值呈正相关关系；可溶性糖含量随着氮肥增施呈先减少后平稳的趋势，与SPAD值呈负相关关系。2) 叶片氮含量、叶绿素含量、可溶性蛋白质含量、叶片厚度、净光合速率及SPAD值垂直分布上均表现为上层叶片>下层叶片；可溶性糖含量表现为下层叶片>上层叶片。3) SPAD值与叶片氮含量之间建立的线性回归模型均达极显著水平，拔节期和灌浆期的上层叶片、大喇叭口期和开花吐丝期的中层叶片氮含量与SPAD值回归决定系数 (R2) 较高，分别为0.768、0.865、0.893、0.924。  【结论】  生育期、氮水平和叶片层位显著影响玉米叶片中与氮素营养相关的生理生化指标，呈现一定的空间异质性，在玉米拔节期和灌浆期利用SPAD值进行叶片氮含量营养诊断时应考虑测定上层叶片 (顶两片、三片完全展开叶)，而在大喇叭口期和开花吐丝期应测定中层叶片 (中两片完全展开叶、穗位叶及以下两片叶)。     

不同氮磷钾肥用量对五指毛桃叶绿素含量的影响

为探讨在"3414"肥料试验中叶绿素仪测定叶绿素的精确度,以及不同施肥处理对五指毛桃叶片SPAD值与叶绿素含量的影响,采用SPAD叶绿素仪和酒精-丙酮浸提法对五指毛桃不同叶片的SPAD值、叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量进行测定。结果表明,不同施肥处理对五指毛桃3片叶片的SPAD值,倒1叶的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量,倒2叶的叶绿素a以及倒3叶的叶绿素b、总叶绿素含量的影响不显著;对倒2叶的叶绿素b、总叶绿素含量,倒3叶的叶绿素a影响显著。氮、磷、钾肥对五指毛桃叶片SPAD值和叶绿素含量效应依次为N肥P肥K肥。SPAD值、叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素含量从倒1叶至倒3叶呈现逐渐增加的趋势,但增加的幅度因施肥处理不同而不同。倒1叶的SPAD值与叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总量呈负相关;倒2叶的SPAD值与叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总量均呈极显著正相关;倒3叶的SPAD值与叶绿素a呈负相关,而与叶绿素b及叶绿素总量均呈显著正相关,表明在"3414"肥料试验中倒2叶的SPAD值更能准确地预测其叶绿素的绝对含量。该研究为叶绿素仪在五指毛桃生理实验中正确应用提供了科学依据,也为五指毛桃在成龄胶园间作实践提供了理论指导。     

旱地不同冬小麦品种氮素营养的叶绿素诊断

通过田间试验研究了叶绿素仪用于西北旱地主栽的10个冬小麦品种氮素营养诊断的效果。结果表明,冬小麦SPAD值与子粒产量、生物学产量有很好的相关性,尤其以拔节期和开花期相关性较高。不同施氮量下的SPAD值有明显的不同,施氮量为180kg/hm2时,SPAD值达到最大。在同一施氮水平下,开花期的SPAD值均最高。拔节期之前冬小麦不同品种间SPAD值的差异较小,拔节期以后差异较大,最大可达9.2个SPAD单位。小偃22在每个时期的SPAD值都最高,并且与陕253、陕229和小偃503之间的差异均达显著水平,而陕253、陕229和小偃503之间的差异不显著。可见,小偃22与其它3个品种对氮素反应分属于不同类型,应根据不同品种类型建立相应的诊断指标。     

甘蓝型油菜开花期SPAD值、叶绿素含量与氮素含量叶位分布特点及其相互关系

通过测定甘蓝型油菜秦油10号开花期不同叶型叶片的SPAD值与叶绿素含量及N含量,研究开花期叶片SPAD值、叶绿素含量及N含量的变化,并探讨了叶片SPAD值与叶绿素含量及N含量之间的关系。结果表明:①开花期不同叶型叶片的SPAD值、叶绿素含量、N含量随着时间的推移呈不同程度的下降,开花后2周至开花后3周叶片含N量迅速下降,短柄叶与无柄叶分别下降20%和26%;②盛花期(花后2周)不同叶型叶片叶绿素含量与N含量无柄叶>短柄叶、长柄叶,差异达到显著水平,SPAD值差异未达显著水平;③盛花期不同叶型叶片的SPAD值与叶绿素含量及N含量之间呈线性正相关,相关系数分别为0.862 0**、0.711 8*,达到显著或极显著水平。     

膜下滴灌棉花氮素推荐施肥模型的研究

研究应用叶绿素仪（SPAD-502）在膜下滴灌条件下的棉花氮肥推荐。试验于2006年在石河子乌兰乌苏农业气象实验站进行,以新陆早24为材料。结果表明,不同叶位的叶片含氮量、SPAD值及叶片不同部位的SPAD值存在明显差异,SPAD值与叶绿素含量、叶片含氮量、单株吸氮量等均有较好的相关性;倒四叶的叶尖部位适合作为测试部位。盛蕾期、花期、盛花期和铃期倒四叶SPAD值与施氮量之间呈极显著线性相关;各生育期SPAD值与产量也具极显著相关。滴灌条件下最高籽棉产量为4686.5 kg/hm2,对应的施肥量为293.1 kg/hm2;最大利润（经济最佳）施肥量为207.33 kg/hm2,对应的最佳产量为4565.9 kg/hm2。各生育期SPAD的临界值分别为60.5、60.0、60.8和59.1。盛蕾期、花期、盛花期和铃期SPAD值每变动一格推荐施肥量分别为10.81、8.46、13.42和6.29 kg/hm2。     

数字图像诊断技术在冬小麦氮素营养诊断中的应用

本文应用数码相机获取冬小麦冠层图像并对其进行相应色彩参数处理, 结合土壤、植株快速测试技术, 分析了色彩参数与传统氮素营养参数之间的数量关系, 研究了应用数字图像技术进行冬小麦氮素营养诊断的可行性, 建立了应用数字图像技术诊断冬小麦氮素营养状况的图像获取方法, 筛选出了适宜于冬小麦氮素营养诊断的最佳色彩参数以及最佳诊断时期, 建立了冬小麦氮素营养诊断指标体系和推荐施肥方程。研究结果表明, 数字图像技术可以作为冬小麦氮素营养诊断的方法。数字图像获取时, 可将数码相机与冬小麦冠层呈30°~60°角度进行拍摄。在冬小麦拔节期和孕穗期多数冠层图像色彩参数与施氮量、叶片SPAD 值、植株硝酸盐浓度、植株全氮含量、0~90 cm 土壤硝态氮含量之间存在显著或极显著相关关系; 在众多色彩参数中, 拔节期冠层图像绿光标准化值G/(R+G+B)与各项氮素指标的相关性最好, 可作为冬小麦氮素营养诊断的最佳色彩参数指标;拔节期可作为应用数字图像技术进行氮素诊断的关键时期。     

机器学习结合高光谱植被指数与SPAD值估算冬小麦氮含量

冬小麦叶片氮含量与叶片光合作用和营养状况密切相关，直接影响植株生长发育，而茎秆中的氮含量与茎秆中纤维素、半纤维素和木质素的比例和含量密切相关，直接影响茎秆质量及植株的抗倒伏能力。然而，有关对冬小麦茎秆氮含量估算研究较为有限，限制了从氮含量角度判断茎秆质量及对倒伏的预测能力。为精准估算冬小麦不同器官（叶片、茎秆）氮含量，该研究通过2年田间试验，获取冬小麦4个关键生育期（拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期）和3种施氮水平条件下（N1、N2和N3）的冠层光谱反射率、叶片、茎秆氮含量及叶片SPAD (soil and plant analyzer development， SPAD)值。分析了不同生育期和施氮水平条件下高光谱植被指数对叶片和茎秆氮含量的敏感性，并结合5种常用的机器学习算法：随机森林回归（random forest regression，RFR）、支持向量回归（support vector regression，SVR）、偏最小二乘回归（partial least squares regression，PLSR）、高斯过程回归（gaussian process regression，GPR）、深度神经网络回归（deep neural networks，DNN）构建冬小麦叶片和茎秆氮含量估算模型。结果表明：高光谱植被指数对叶片和茎秆氮含量的敏感性受到生育期和施氮水平的影响。在灌浆期，最佳植被指数双峰冠层植被指数 DCNI（double-peak canopy nitrogen index）对叶片氮含量的敏感性最高，R²为0.866。对茎秆氮含量，在抽穗期的敏感性最高，最佳植被指数归一化叶绿素比值指数 NPQI（normalized phaeophytinization index）与氮含量相关系数R²＝0.677。施氮水平的提升增加了光谱植被指数对茎秆氮含量的敏感性。结合SPAD值的机器学习算法提升了氮含量的估算精度，对叶片氮含量，在不同生育期和施氮水平条件下估算精度提升了1%～7%，其中在全生育期的归一化均方根误差NRMSE从0.254提升到0.214，抽穗期的NRMSE提升最大，从0.201提升到0.128。对茎秆氮含量，全生育期的NRMSE从0.443提升到0.400，抽穗期的NRMSE提升最大，从0.323提升到0.268。在全生育期，结合SPAD值的DNN模型对叶片（R²=0.782、NRMSE=0.214）和茎秆（R²=0.802、NRMSE=0.400）氮含量的估算精度最佳。研究说明，SPAD值与光谱植被指数结合有利于提升冬小麦不同生育期和施氮水平条件下叶片和茎秆氮含量的估算精度。     

主动遥感光谱仪Greenseeker与SPAD对玉米氮素营养诊断的研究

以手持式主动遥感光谱仪Greenseeker和叶绿素仪SPAD对玉米不同氮素水平下各个生育期的NDVI值及叶片SPAD值进行测试,研究不同氮素对玉米群体和个体营养状况的变化以及田间条件下简便、快速、非接触性的作物氮素营养状况诊断方法。结果表明,在一定的范围内随着氮肥用量的增加NDVI值也增加,氮肥施用量为N 300kg/hm2时NDVI值达到最高,NDVI 与氮肥施用量符合线性加平台的关系;玉米不同生育期间NDVI 值变化明显,苗期NDVI值比较低,大喇叭口期NDVI 值达到最高,以后逐渐下降并在抽雄期后趋于稳定。SPAD值与NDVI 值的变化趋势相一致,SPAD值与叶绿素含量成正相关关系,大喇叭口期完全展叶的SPAD 与产量存在正相关关系。手持式主动遥感光谱仪Greenseeker和叶绿素仪SPAD结合能够对玉米的氮素营养状况作营养诊断。     

不同水氮条件下冬小麦生育期NDVI和光合速率的变化

在不同水氮条件下,分析了冬小麦生育期归一化植被指数(Normalized difference vegetable index:NDVI)和光合速率的变化及两者和籽粒产量的关系,结果表明:(1)灌水对拔节期与孕穗期的NDVI值以及扬花期与灌浆期的光合速率有显著影响(p<0.05);起身水+孕穗水+灌浆水处理(I3)的孕穗期NDVI值和灌浆期光合速率平均比起身水处理(I1)分别显著增高6.7%和8.0%,起身水+扬花水处理(I2)的扬花期光合速率平均比起身水处理(I1)显著增高5.5%。(2)施氮对NDVI值和光合速率的影响均达到极显著水平;0～270 kg/hm2范围内,增加施氮能显著提高拔节期NDVI值以及灌浆期光合速率,但随着生育期的推进,增加施氮对NDVI值的提高作用逐渐下降。(3)拔节期NDVI值和光合速率与冬小麦籽粒产量相关性最高,相关系数分别达到0.968和0.864。     

不同生育期冬小麦光谱特征对叶绿素和氮素的响应研究

研究测定了不同施氮水平条件下冬小麦冠层在七个典型生育期叶片叶绿素、地上部分全氮含量以及冠层光谱,分析了单波段反射率、可见光和近红外波段组合而成的归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)与相应时期叶片叶绿素和地上部分全氮含量的相关性。结果表明,施氮量增加,两个农学参量、冠层近红外波段反射率都随之增加,但当施氮量增加到300kg hm-(2一次性施入)时,上述各项指标均降低;整个生长期中孕穗期在近红外区域反射率最高,与可见光波段反射率相差最大;除分蘖期外,其它时期单波段510nm～1100nm反射率、NDVI、RVI与叶绿素和全氮含量显著相关,植被指数的相关性较单波段高,且从分蘖期到乳熟期,相关性逐渐增强;整体来讲,可见光中560nm、660nm和近红外760nm、1100nm和1200nm组合的NDVI在各生育期与两个农学指标的相关性较好,选择NDVI(560,760)可以准确拟合叶片叶绿素和地上部分全氮含量。     

施氮对半湿润农田夏玉米冠层氮素及叶绿素相对值(SPAD值)垂直分布的影响

以半湿润地区土垫旱耕人为土为供试土壤,采用田问试验,研究了不同施氮水平下夏玉米(Zea maysL.)拔节期、灌浆期和成熟期3个生育期冠层叶片氮素、叶绿素相对值(SPAt)值)的垂直分布规律及其差异;同时对各层叶片含氮量、SPAR值与施氮量进行相关分析.结果表明,在各生育期不同叶层叶片含氮量按上、中、下层顺序呈明显递减规律,从全生育期不同施氮处理看,上层比中层增加6.64%,中层比下层增加5.18%.随施氮量增加,中上层叶片含氮量差异增大,中下层叶片含氮量差异减小.冠层内叶片SPAD值垂直分布规律与叶片含氮量分布规律相类似.相关分析表明,全生育期各层叶片SPAD值与叶片含氮量呈极显著线性正相关关系(R=0.503**).进一步分析发现,各层叶片SPAD值,叶片含氮量与施氮量的相关性以上层叶关系最为密切,揭示了夏玉米氮素营养诊断的较好叶片是上层叶位.     

Leaf and canopy optical characteristics as crop‐N‐status indicators for field nitrogen management in corn

The primary constraint of predicting the economic optimum nitrogen rate (EONR) for corn (Zea mays L.) is the high variability of soil nitrogen (N) supply due to environments, soil types, manure, and cropping histories. Portable instruments have been developed to measure leaf and canopy optical characteristics for determining plant N status. The objectives of this field study were to: (1) evaluate leaf and canopy optical properties including transmittance, reflectance, and fluorescence as indicators of corn N status with soil types, developmental stages, and N‐application rates, (2) compare the efficiency of two commercial radiometers that are designed to measure canopy reflectance, and (3) assess the constraints of these crop‐based indicators as a possible guide for real‐time N sidedressing in corn. Field experiments with different levels of N, soil types, and corn hybrids were conducted at three sites in Ottawa, ON, Canada, in 2004 and 2005. Leaf chlorophyll concentrations (SPAD chlorophyll meter), chlorophyll fluorescence (OS‐30), leaf area, and canopy reflectance (NDVI measured by CropScan and GreenSeeker radiometers) were simultaneously measured at several growth stages, while grain yield was determined at harvest. Our results show that canopy reflectance (NDVI) displayed similar efficiency as an indicator of N status on both soil types and corn hybrids in the two consecutive years. The chlorophyll readings often differentiated N‐deficient from N‐sufficient plots and therefore were a promising indicator for predicting corn N requirements. The fluorometer device evaluated in this study was unable to characterize corn N status.     

镉污染水稻土中水稻氮素营养的SPAD诊断

治理和安全利用重金属污染水稻土过程中,氮素营养的快速诊断是制定合理施肥措施的基础。叶绿素测定仪SPAD已广泛应用于非污染耕地土壤中玉米、小麦和棉花等作物的氮素营养诊断,然而针对镉污染条件下的不同类型水稻土,SPAD在诊断水稻氮素营养的适应性方面仍然缺乏系统研究。本研究采集了我国水稻主产区的21种典型水稻土,以德农2000为供试水稻品种,设置无镉污染、轻度镉污染、重度镉污染处理的水稻盆栽试验,研究水稻叶片SPAD值对镉污染水稻土氮素供应诊断和水稻产量预测的能力。结果表明:水稻土类型影响了水稻叶片SPAD值对不同水平镉污染的响应,土壤p H是主控因子,其相对影响的平均值为20%。水稻叶片SPAD值与不同生育期水稻籽粒氮素含量显著正相关,其中拔节期的相关系数最大;同时水稻叶片SPAD值与水稻营养生长期(苗期至拔节期)土壤溶液总氮和铵态氮含量呈显著正相关,且不受镉污染程度和土壤类型的影响。总体上,不同生育期(尤其是拔节期)水稻叶片的SPAD值可以表征镉污染条件下不同类型水稻土氮素养分供应对水稻氮素营养的影响。