不同施肥长期定位试验地夏玉米冠层光谱特征研究

以黄淮海地区典型冬小麦-夏玉米轮作区的长期定位施肥试验为研究对象,筛选对氮、磷、钾三种营养元素及产量最敏感的波段和生育期,为监测不同时期作物营养胁迫情况和估产提供依据。系统分析了氮、磷、钾单一养分缺乏和两种或两种以上营养元素同时缺乏时典型生育期夏玉米冠层反射光谱特征、收获后秸秆和子粒氮、磷、钾及产量的变化规律。结果表明,缺素使冠层光谱反射率在可见光波段增加,在近红外波段降低。作物秸秆、子粒含氮量和含钾量及产量与可见光波段反射率呈负相关,与近红外区域7601~300 nm反射率呈正相关;秸秆含磷量与各反射率的相关性不明显,子粒含磷量与冠层光谱之间无明显规律。整体上,560和810 nm分别为收获期作物含氮量在可见光和近红外两个区域的敏感波段,开花期为夏玉米氮素诊断的敏感时期;夏玉米钾素在可见光和近红外区域的敏感波段分别为680和810 nm,拔节期为诊断钾素的敏感时期。整个生育期各单波段反射率与产量均呈极显著相关关系,拔节期关系最密切。说明在明确主导养分限制的前提下,利用作物冠层光谱来监测氮素和钾素的丰缺以及准确估产是可行的。     

不同品种夏玉米光谱特征差异及其与农学参量相关性研究

研究测定了不同品种夏玉米在六个典型生育期地上部分全氮、叶绿素含量、干生物量、叶面积指数(LAI)以及冠层光谱反射率,利用不同方法比较了不同品种玉米光谱特征的差异,系统分析了单波段反射率、可见光和近红外波段组合而成的8种常见植被指数与相应时期不同农学参量的相关性。结果表明:不同品种夏玉整个生育期不同品种冠层在可见光范围内反射率差异一直没有达到显著水平,苗期和拔节期在近红外区域反射率也无显著差异,从孕穗期到乳熟期在近红外区域反射率差异增大,普遍呈显著性差异。采用F检验法可以准确地反映不同品种在不同波段反射率的差异。常见光谱植被指数从拔节期到孕穗期绝大部分都可以准确反映不同品种夏玉米的农学参量,以GRVI最佳,它不仅可以区分不同品种夏玉米在中后期的长势,又可以准确拟合这段时期作物的农学参量。     

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。     

基于夏玉米光谱特征的叶绿素和氮素水平及氮肥吸收利用研究

本文首先分析不同施 N 水平条件下夏玉米冠层在6个典型生育期的光谱特征曲线,然后计算了可见光和近红外波段光谱反射率组成的归一化植被指数(NDvI)及相应时期叶片叶绿素含量和地上部分全N含量2个重要指标以及孕穗期冠层NDVI和几个N肥吸收利用效率的相关性.结果表明,孕穗期冠层光谱反射率在近红外区域反射率最大,且其可见光和近红外区域反射率差异最大:从苗期到孕穗期,NDVI和叶绿素、全N含量的相关性逐渐增强,到抽雄期减弱,灌浆期又有所增强;整体来讲绿色归一化植被指数 GNDNI(560,760)在各生育期与不同农学参量的相关性比其他波段组合的指数好,其次为NDVI(660,760)波段组合.随着施N量的增加,N肥利用效率、收获指数和N肥收获指数、N素农艺效率以及N肥回收效率均逐渐降低,对各N肥吸收利用指数的预测以NDVI(660,760)、NDVI(660,1100)和GNDVI(560,760)较理想.     

基于高光谱的夏玉米冠层SPAD值监测研究

开展夏玉米冠层SPAD值监测技术研究,建立叶绿素含量与敏感波段、光谱指数间的定量关系模型,以促进高光谱技术在玉米快速、无损长势监测及水肥精准管理的应用。以小型蒸渗仪夏玉米光谱反射率与植株冠层SPAD值的监测为基础,研究了夏玉米植株冠层光谱信息与SPAD值的响应关系,并优选出监测夏玉米冠层SPAD值的敏感波段与最优光谱指数。结果表明:夏玉米冠层光谱反射率在可见光波段随玉米冠层SPAD值增加而下降,在近红外波段却与之相反;采用原始光谱反射率、一阶微分光谱监测夏玉米冠层SPAD值的最敏感波段分别为700,690nm,与SPAD值的相关性分别为-0.498(p<0.05)和-0.538(p<0.01);而根据多元逐步回归分析获得的最优波段组合由405,408,700nm波段构成;从已报道的73个光谱指数中筛选出与夏玉米冠层SPAD值相关性较高的(SDr-SDb)/(SDr+SDb)、MCARI∥OSAVI、TCARI/OSAVI、SDr/SDb和MTCI等5个光谱指数,光谱指数(SDr-SDb)/(SDr+SDb)与SPAD值的相关性在各生育期均达极显著正相关,且在全生育期相关系数高达0.697(p<0.01),进一步优选出监测夏玉米冠层SPAD值最适宜的光谱指数为(SDr-SDb)/(SDr+SDb);在基于敏感波段、光谱指数和最优波段组合建立的夏玉米SPAD值的回归模型中,按照模拟效果由高到低排序依次为最优波段组合、光谱指数、原始光谱反射率、一阶微分光谱,其决定系数分别为0.777,0.539,0.351,0.282;推荐以(SDr-SDb)/(SDr+SDb)指数构建的二次多项式模型与基于405,408,700nm波段组合建立的线性回归监测模型作为夏玉米植株冠层SPAD值光谱监测适宜模型,且R2大于0.539,RMSE及MAE分别小于6.194和4.702。     

春玉米磷素营养的光谱响应及诊断

通过盆栽试验监测不同磷营养水平春玉米典型生育期叶片光谱变化,并对叶片光谱反射率与叶片磷含量做了相关分析。结果表明,春玉米大喇叭口期是磷素营养的光谱响应敏感期,3507～30.nm和14201～800.nm是磷素营养的光谱敏感波段。该生育期构建的单波段高光谱变量、窄波段光谱变量和宽波段光谱变量与叶片磷含量都存在显著或极显著的回归关系;窄波段光谱变量比值指数R6725/6256和R61745/15856与叶片磷含量的回归关系达到了极显著水平,R625/555达到显著水平。可见光波段光谱变量与磷含量的回归关系优于近红外波段光谱变量与磷含量的回归关系,表明可见光波段叶片光谱反射率可能更适合春玉米磷营养状况的评价。不同波段宽度的光谱变量分析表明,在敏感波段范围内,801～00.nm波段平均的叶片宽波段光谱反射率没有降低对叶片磷含量的估算精度。     

磷营养胁迫对冬小麦冠层光谱的影响

因为磷素重要的营养作用,其胁迫的存在影响冬小麦的正常生长。借助地面遥感仪器获取冬小麦在磷营养胁迫下的多个生育期里的冠层光谱数据并对其影响特征进行了分析。利用因子分析方法提取主因子与含有丰富信息的光谱变量,并结合极显著水平(0.01)的均值比较与检验过程考察了冬小麦冠层光谱,确定了对磷营养胁迫敏感的光谱波段:760nm,810nm和870nm与950nm,并在此基础上结合冬小麦对磷素的吸收利用特征选定了运用冠层光谱敏感波段反射率探测和区分磷营养胁迫的关键生育期:拔节期。结果同时表明,对冬小麦磷营养胁迫而言,近红外区间(760nm~1100nm)光谱反射特征的区分能力要强于可见光区。本文同时指出了研究与发展利用遥感技术进行营养胁迫监测的方法和着重点。     

不同条件下夏玉米冠层反射光谱响应特性的研究

通过对两个年份不同牛育阶段的田间夏玉米活体进行冠层反射光谱测定,该文分析了不同空间尺度、种植密度、观测角度、生育阶段、叶面积指数KAI、氮素胁迫、叶片含水量以及与杂草共生等8个条件下的冠层反射光谱响应特性,并探讨其发生机理,研究结果表明,夏玉米在不同条件下的冠层反射光谱响应均呈现出一定的规律性.在近红外波段,其反射率值随氮肥施用量的增加而增大,尤以750～1350 nm波段,但在可见光波段,反射率值降低;随着观测探头的逐步升高,反射率值降低:随杂草量的增多,反射率值逐渐增大.这些结果揭示了高光谱遥感田间夏玉米理化信息获取的巨大潜力,同时,为以后遥感反演建模提供了依据.     

龟裂碱土对植被冠层光谱特征及长势预测的影响

为了通过统一土壤背景来量化龟裂碱土对其上覆植被冠层光谱的影响,通过野外原位测定,系统分析了龟裂碱土上覆植被在自然和覆盖条件下5个典型生育期冠层光谱特征、光谱反射率与叶片叶绿素值和叶面积指数（leaf area index,LAI）之间的关系,进而建立了不同条件下2个生理指标的预测模型。结果表明：覆盖条件下向日葵三对叶期冠层光谱反射率较自然条件下在400～520和1 027～1 130 nm平均降低了0.10,在521～1 026 nm平均降低了0.18;其他生育期覆盖条件下冠层光谱反射率较自然条件下在可见光波段下降,在近红外区域增加（其中七对叶期在720～1 050 nm平均增幅为11.29%）。自然条件下三对叶期冠层光谱反射率与叶绿素值和LAI平均相关系数分别为0.68和0.47,开花期、乳熟期光谱反射率与叶绿素值和LAI与三对叶期相关性相似;其他2个生育期冠层光谱反射率自然条件下在可见光波段与2个生理指标平均相关系数分别为-0.27和-0.52,在近红外区域分别为0.53和0.69,覆盖条件下相关系数明显高于自然条件。三对叶期建立的叶片叶绿素值和LAI预测方程决定系数最小,现蕾期最大。除三对叶期外,其他时期对2个生理指标的预测模型的拟合度都较高（RSPAD为0.61～0.88,RLAI为0.72～0.92）,预测能力也较强;引入土壤pH值可以增强模型的稳定性和预测能力。研究结果可为该地区龟裂碱土上覆植被长势估测提供理论依据。     

干旱区棉花冠层高光谱反射特征研究

为揭示棉花冠层高光谱特征,建立棉花高光谱估算模型,促进高光谱技术在棉花长势监测和估产中的应用。基于新疆棉花生长发育规律,对棉花各生育期冠层进行高光谱反射率的测定,研究不同灌水量、氮素营养条件及品种对棉花冠层光谱反射特性的影响。结果表明:在可见光区(400-700nm),适度缺氮(N1)条件下的棉花冠层光谱反射率相对较高,而氮过量(N3)条件下的冠层光谱反射率相对较低;随着灌水量的增加,在近红外波段(700-800nm),棉花冠层光谱反射率呈上升趋势,在盛蕾期和盛花期不同灌水量处理的光谱反射率差异明显;不同棉花品种冠层光谱反射率存在一定差异,在近红外区新陆早13与新陆早10只在吐絮后期光谱反射率差异不明显,在前3个生育期差异较明显。     

黄土高原南部夏季不施肥种植玉米对旱地土壤残留养分的利用

夏季降水是造成我国西北黄土高原区旱地土壤硝态氮淋溶的主要原因。通过田间长期定位试验研究了冬小麦收获后,不施肥种植夏玉米而利用土壤残留养分阻止硝态氮淋溶的效应。结果表明,小麦播前施氮量增加,夏玉米收获期生物量和子粒产量增加,但磷肥用量增加对其影响不明显。小麦播前施氮量增加,夏玉米氮磷钾累积增加,施磷量增加,氮钾素累积降低,磷素累积无显著变化。土壤剖面含水量随小麦播前施氮量增加而降低,不同施磷量土壤剖面水分累积量的差异显著减少。不施肥种植夏玉米可以有效阻止和减少土壤剖面硝态氮淋溶,但在小麦播前施氮240和320kg·hm^-2时仍有较明显淋溶,其累积峰逐渐向深层土壤转移,造成氮素损失。施磷时,土壤剖面0-220cm硝态氮累积量下降,220cm以下土层变化不明显。     

潮土小麦–玉米轮作体系氮肥用量阈值及土壤硝态氮年际变化

  【目的】  合理施氮是粮食高产、稳产的重要保证。研究不同施氮水平下作物产量的可持续指数以及土壤硝态氮年际迁移特征，对指导黄淮海地区冬小麦–玉米轮作体系下农田氮肥的合理施用具有重要意义。  【方法】  长期定位试验始建于2006年，设置10个施氮水平:0、60、120、180、240、300、360、420、500和600 kg/hm2。测定冬小麦和夏玉米产量及土壤剖面 (0—200 cm) 硝态氮含量的年际变化特征。  【结果】  施氮水平显著影响冬小麦–夏玉米轮作体系下作物产量，施肥年限以及施肥年限与施肥量间的交互作用对小麦、玉米产量也存在极显著影响。施N 0～240 kg/hm2的处理，小麦、玉米产量随施氮量的增加逐渐增加；施N 300～600 kg/hm2的处理作物产量基本稳定，处理间差异不显著 (P > 0.05)。施氮能显著提高冬小麦产量的可持续性指数 (P < 0.05)，但对夏玉米产量的可持续指数影响较小。随着施氮量增加，土壤硝态氮含量呈现逐渐增加的趋势，且施N量低于300 kg/hm2时，0—200 cm土层硝态氮含量均处于较低水平，施氮量超过300 kg/hm2后，土壤硝态氮含量显著增加。另外，随着试验年限的延长，土壤硝态氮累积峰逐渐下移，2008、2011和2017年土壤硝态氮含量峰值分别在40—60 cm、80—120 cm和80—160 cm。  【结论】  黄淮海盐化潮土区，冬小麦–夏玉米轮作制度下氮合理用量在冬小麦上的阈值为240 kg/hm2、在夏玉米上的阈值为180 kg/hm2，在此氮肥用量下，长期施肥既可保证作物 (小麦、玉米) 稳产，又不会显著增加土壤硝态氮残留及向下迁移。     

水肥条件对小麦、玉米N、P、K吸收的影响

水、N是影响作物N、P、K吸收的重要因素。通过对 6个水分等级和 5个N肥等级相互搭配的研究结果表明 ,高水、高N处理不利于小麦N吸收 ,而玉米是耐肥作物 ,相同灌水条件下 ,玉米的吸N量随施N量的增加而增加。在低灌水条件下 (W 0、W 1处理 ) ,玉米子粒吸N量很低 ,变幅为 0～17.3kg/hm2,并且不受施N量的影响 ;而小麦子粒吸N量仍达 36.6～154.2kg/hm2。小麦与玉米吸P量的变化趋势与吸N量的变化趋势非常接近。但是 ,作物的吸K量随灌水量增加有明显增加的趋势 ,在玉米上表现尤其明显 ,并且作物的吸K量主要存在于茎秆中 ,因此 ,在当地推广和宣传秸秆还田很有必要     

秸秆还田对冬小麦产量和氮、磷、钾吸收利用的影响

【目的】陕西关中平原是我国典型的冬小麦—夏玉米轮作区,冬小麦播种前将上季收获后的玉米秸秆还田是当地普遍采用的作物秸秆管理方式。本研究以优化秸秆还田条件的小麦养分资源管理,实现作物增产和肥料增效为目标,通过2年的田间定位试验,探索关中地区玉米秸秆还田条件下,冬小麦高产高效的最佳养分管理措施。【方法】试验于2011年10月至2013年5月在陕西省周至县终南镇进行,供试冬小麦品种为周麦23,夏玉米品种为郑单958。采用裂区设计,主处理为玉米秸秆全量还田(S1)和秸秆不还田(S0),副处理为5个不同氮肥施用水平(N 0、84、168、252和336 kg/hm2),种植作物为冬小麦。通过不同氮水平的回归分析,研究了玉米秸秆还田对后茬冬小麦的籽粒产量、生物量和收获期地上部氮、磷、钾养分吸收利用的影响。【结果】与玉米秸秆不还田相比,秸秆还田对冬小麦籽粒产量和收获期地上部氮、磷、钾养分吸收量的影响均表现出低氮降低、高氮增加的趋势。第一年和第二年在施氮量分别低于N 153和187 kg/hm2时,秸秆还田处理小麦减产,相反则增产,并且增产量随着氮肥用量的增加而增大;生物量与产量趋势一致,前后两年玉米秸秆还田与不还田条件下,冬小麦生物量相等时的氮肥用量分别为N 190和202 kg/hm2。在产量构成要素中,同一氮水平时,秸秆还田对小麦穗粒数和千粒重没有明显影响,而每公顷穗数却表现为低氮降低、高氮增加的趋势,所以秸秆还田后穗数增加是小麦增产的主要原因。同时,在玉米秸秆还田条件下,小麦地上部氮、磷、钾吸收量增加时,第一年的氮肥用量分别高于N 275、123和213kg/hm2,第二年分别高于N 200、165和241 kg/hm2,但氮、磷、钾的收获指数不随施氮量的增加而递增。而且过量施氮也会造成小麦籽粒磷含量的降低。【结论】在综合同一施氮水平时,秸秆还田后的冬小麦籽粒产量和地上部氮、磷、钾养分吸收利用的变化,建议在陕西关中平原的冬小麦—夏玉米轮作区域,氮肥用量应控制在N 150~200kg/hm2,以保证在玉米秸秆还田条件下小麦的增产和氮、磷、钾养分资源的高效合理利用。     

黄淮海平原旱田氮素损失特征及其环境影响研究

利用N素平衡参数和统计数据计算黄淮海平原地区主要农作系统冬小麦田和夏玉米田N素损失特征及其环境影响研究结果表明,1992~1998年随N肥用量的增加,每公顷农田N肥总损失量及氨挥发、硝化-反硝化、淋洗与径流等损失量呈逐年递增趋势,且不同N肥利用率、土壤残留率和损失率不同,同一N肥在不同农作系统中利用率、土壤残留率及损失率亦不同,夏玉米田N肥损失率高于冬小麦田。并探讨了N肥损失的环境影响及主要技术对策。     

高肥力土壤冬小麦/夏玉米轮作体系中化肥氮去向研究

冬小麦 夏玉米轮作是华北平原主要的耕作方式之一。本研究通过田间15N微区试验 ,研究了高肥力土壤条件下冬小麦 夏玉米轮作体系中化肥氮的去向。结果表明 ,在每季施氮量 1 2 0～ 3 60kg hm2 条件下 ,冬小麦对化肥氮的吸收率为 2 3 8%～44 5 % ,夏玉米为 2 6 5 %～ 5 1 1 % ,整个轮作周期为 2 8 0 %～ 5 1 6%。而后茬作物对化肥氮的吸收量较少 ,低于施氮量的 1 0 %。当季化肥氮的土壤残留率约占施氮的2 0 %～ 5 0 % ,轮作周期化肥氮的土壤残留率约占施氮的 3 0 %。当季和轮作周期化肥氮的损失量和损失率 ,均随着施氮量的提高而显著升高。当施氮量分别为 2 40kg hm2和 72 0kg hm2 时 ,整个轮作周期化肥氮的损失率分别为 1 9 0 %和 40 5 %。