ASTER卫星遥感影像在冬小麦品质监测方面的初步应用

该文利用ASTER遥感数据在冬小麦品质监测方面进行了初步的应用。根据2004年搭载ASTER传感器的Terra卫星的过境周期，对北京郊区21个冬小麦试验点进行田间取样试验，通过分析试验点冬小麦叶片生化组分(叶绿素a)与氮素间的关系、冬小麦叶片氮素含量与籽粒品质(蛋白质含量)间的关系、以及冬小麦ASTER影像冠层光谱信息与叶片生化组分和籽粒品质之间的关系，发现：冬小麦灌浆期小麦叶片叶绿素含量与同期ASTER影像的光谱信息－NDVI之间有良好的相关性，而冬小麦籽粒蛋白质含量也与ASTER影像波段2之间有很好的相关性；利用ASTER遥感影像对冬小麦灌浆期叶绿素以及籽粒蛋白质含量进行建模并反演，能够在较大的范围里了解冬小麦的品质信息，并能够在一定程度上对作物的籽粒蛋白质含量等品质进行预测；研究还表明，利用遥感技术来进行小麦籽粒蛋白质等主要品质指标的预测是可行的。研究成果为利用遥感技术监测冬小麦长势和籽粒品质提供了理论依据，开辟了遥感应用的新途径。     

基于冠层光谱的不同株型冬小麦籽粒蛋白质预测模型

冬小麦冠层光谱因不同株型而异，依不同株型建立模型是提高冬小麦蛋白质预测精度的重要途径之一。该研究利用ASD2500高光谱仪对不同株型冬小麦冠层光谱进行了测定，分析了冬小麦叶片叶绿素含量在冠层垂直方向上的变化及其与籽粒品质指标和冠层光谱特征参量间的相关性。结果表明，冠层叶绿素含量垂直梯度变化因不同生育时期和不同株型而异。同等条件下，其梯度以平展型品种大于直立型品种。并且，当将两种株型品种分别考虑时，第一二叶组之间叶绿素含量的差值(DCC)与小麦籽粒部分品质参数和冠层光谱特征参量具有显著的相关性。通过DCC可以间接地建立籽粒蛋白品质和冠层光谱特征之间的相关模型。通过研究筛选出预测籽粒蛋白质含量(GPC)的最佳时期为灌浆期，最佳光谱特征参量为560 nm的反射峰深度P_Depth560。并且，建立了不同株型品种GPC的预测模型并初步通过验证。     

红边参数在作物营养诊断和品质预报上的应用

通过对红边参数与反映作物碳氮代谢典型的生物化学参数叶片全氮和叶片可溶性糖进行相关分析,结果表明,可运用红边位置来反演叶片可溶性糖含量,归一化最小振幅来反演叶片全氮含量。并建立了基于红边参数的生化组分统计回归模型和基于叶片全氮与可溶解性糖比值与籽粒蛋白品质指标间的回归方程,并对建模试验所建立方程进行了检验。表明利用运用红边参数反演叶片全氮和可溶性糖含量进而预测小麦蛋白品质是可行的。为生产上利用遥感手段大面积、无破坏、及时评价冬小麦生长状态和在开花期进行小麦品质的预测预报研究提供重要依据。     

天选系列54份冬小麦新品系产量和品质性状评价及相关性分析

以天水市农业科学研究所选育的天选系列54份冬小麦新品系为材料,研究了产量和品质性状及其相互间的关系。结果表明:穗粒数与产量极显著相关,提高冬小麦产量应从增加穗粒数入手。冬小麦新品系的蛋白质含量和沉降值普遍较高,籽粒产量与蛋白质、湿面筋含量和沉降值呈显著负相关,与其他品质性状相关不显著,提高产量可能会使品质变劣,高产与优质较难同步改良。因此,协调好穗粒数与蛋白质含量、湿面筋含量和沉降值间的关系,以增加穗粒数为切入点,可能会在获得高产的同时品质也能达到较高水平。     

用冠层高光谱反射估测玉米植株色素时的采样点和指标选择

初步分析了11个玉米品种在7个生育期的植株叶绿素含量、类胡萝卜素含量和叶绿素/类胡萝卜素比值在不同层位(上层、中层和下层)的变化特点及其与15个高光谱参量间的关系，结果发现1)玉米叶片叶绿素/类胡萝卜素比值较明显表现出随形态学高度的下降而升高；2)绝大多数的高光谱参量与叶绿素含量(mg·g^-1FW)间达到了显著或极显著相关，但相关性不强(最大r=0.56,n=77)；3)高光谱参量与叶绿素/类胡萝卜素比值间相关性，明显强于与叶绿素含量或类胡萝卜素含量间的相关性(最大r=0.75,n=77),并表现出明显的层间差异，下层明显强于中层和上层。研究表明，在用高光谱反射分析玉米的色素状况时，用叶绿素/类胡萝卜素比值代替叶绿素含量作为色素指标可提高分析精度。     

弱光生态环境下烯效唑干拌种对小麦蛋白质组分及加工品质的影响

在弱光生态环境条件下,研究了烯效唑(S-3307)干拌种对不同密度冬小麦蛋白质组分及加工品质的影响,分析了蛋白质各组分含量与加工品质的关系。发现烯效唑能够提高籽粒蛋白质含量,改变籽粒中的蛋白质组分所占比例,但对各组分含量提高的幅度存在差异:清蛋白、球蛋白及其二者之和的含量均以20 mg/kg拌种处理的效果最好,醇溶蛋白和麦谷蛋白及其二者之和含量随浓度升高影响更明显。烯效唑提高了小麦面粉的湿面筋含量、沉降值,延长面团形成时间和稳定时间,提高吸水率。面团吸水率、形成时间和稳定时间与麦谷蛋白含量均呈显著或极显著正相关。     

我国北方冬小麦籽粒中的戊聚糖含量及其相关分析

戊聚糖是小麦面粉加工和食品品质重要的影响因子。本研究测定了我国北方冬麦区77个品种(系)籽粒中的戊聚糖含量和蛋白质、湿面筋、沉降值、千粒重等性状。结果表明,不同品种的戊聚糖含量变幅为4.82%~7.28%,戊聚糖含量与籽粒饱满度、湿面筋含量和沉淀值之间存在着极显著的正相关关系,与千粒重具有极显著的负相关关系。同时对“间苯三酚-冰醋酸法”测定小麦戊聚糖的含量进行了讨论。     

基于TM和PLS的冬小麦籽粒蛋白质含量预测

为进一步提高遥感预测冬小麦籽粒蛋白质含量精度,分析了卫星遥感变量与冬小麦籽粒蛋白质含量间的定量关系,运用偏最小二乘法构建了遥感预测籽粒蛋白质含量模型,制作了冬小麦籽粒蛋白质含量空间等级分布图,结果表明,该模型的最佳主成分数为5,且归一化植被指数、冠层结构不敏感色素指数、比值植被指数、氮反射指数和植被衰减指数为预测籽粒蛋白质含量的敏感变量;籽粒蛋白质含量预测的均方根误差为0.307%,决定系数为0.642,为提高遥感预测小麦品质的精度提供了一种有效途径,有利于大面积应用和推广。     

不同品种小麦籽粒中戊聚糖含量分析

从全国小麦主产区收集弱筋小麦品种19份、强筋品种24份,对小麦籽粒中的戊聚糖含量以及籽粒基本品质特性进行了测定与统计分析。结果显示,不同类型与品种的小麦籽粒中总戊聚糖(TP)和水溶性戊聚糖(WSP)含量存在极显著差异（P<0.01）;强筋小麦的TP和水不溶性戊聚糖（WUP）平均值较弱筋小麦的偏高,但二者的WSP平均值基本一致。对籽粒的戊聚糖含量与其品质特性进行相关性分析发现,强筋小麦籽粒的WSP含量与籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、zel沉降值、面团稳定时间存在正相关关系;弱筋小麦籽粒WSP含量与籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、硬度、zel沉降值、形成时间存在负相关关系。通径分析结果显示,蛋白质与湿面筋含量对戊聚糖含量的影响更为显著。由本研究得出结论,强筋与弱筋类型小麦的品质指标对戊聚糖含量的影响有明显不同,建议未来戊聚糖的研究按小麦类型区别对待。     

花后土壤干旱和渍水对不同专用小麦籽粒品质的影响

在温室盆栽条件下,以4个籽粒蛋白质含量不同的小麦基因型为材料,研究了花后土壤干旱(SRWC=45%～50%)、渍水和适宜水分条件(SRWC=75%～80%)下小麦籽粒主要品质特性。干旱显著提高各品种籽粒蛋白质含量、谷蛋白含量及谷蛋白/醇溶蛋白比值,并显著提高面粉干/湿面筋含量。渍水显著降低了籽粒谷蛋白含量及谷蛋白/醇溶蛋白比值。干旱和渍水均显著降低籽粒淀粉产量和支链淀粉含量,直链淀粉含量提高,从而不同程度地降低籽粒直/支链淀粉比。干旱和渍水对各品种籽粒面筋指数、沉降值和降落值的影响因品种而异。与对照相比,干旱和渍水下小麦籽粒各品质性状间的相关性降低,表明土壤水分逆境下各籽粒品质特征值与正常水分条件下差异明显,从而改变了专用小麦的籽粒品质特性。     

利用Landsat TM遥感数据监测冬小麦开花期主要长势参数

为精准农业技术体系中的小麦农艺处方管理决策提供详尽的全局性信息,该文以2007－2009年试验实测数据为基础,以Landsat TM影像为遥感数据源,分析了试验样点开花期冬小麦主要长势参数与品质和产量间以及与卫星遥感变量间的相关性,分别建立及评价了TM影像遥感变量监测冬小麦开花期SPAD值、生物量、叶面积指数和叶片氮含量的模型。结果表明：冬小麦开花期,选用作物氮反射指数、近红外波段反射率和归一化植被指数这些遥感变量分别反演冬小麦SPAD值、生物量、叶面积指数和叶片氮含量是可行的;SPAD值、生物量、叶面积指数和叶片氮含量遥感监测模型的精度较高,均方根误差分别为3.12、216.5 kg/hm2、0.269和0.162,以此为基础,制作出具有实际农学意义的冬小麦开花期不同等级SPAD值、生物量、叶面积指数和叶片氮含量遥感监测专题图,实现了主要长势参数空间分布量化表达。基于卫星影像的农田面状信息获取技术克服了点状信息的不足,为农业生产管理决策及时提供信息支持,使该研究技术更利于大面积应用和推广。     

施氮量对小麦氮代谢相关酶活性和子粒蛋白质品质的影响

在2003～2004年和2004～2005年小麦生长季,以强筋小麦济麦20为材料,分别设置N 0、96、168、240、276 kg/hm2 5个施氮量处理和0、96、168、240 kg/hm2 4个施氮量处理,研究不同施氮量对小麦氮代谢相关酶活性和子粒蛋白质品质的影响。两年度的试验结果均表明,在一定施氮量范围内,随施氮量增加,公顷穗数、穗粒数、蛋白质含量、子粒产量和蛋白质产量均显著升高;继续增加施氮量子粒产量显著降低,公顷穗数、穗粒数、蛋白质产量降低或无显著差异。其中2004～2005年生长季,在0～168 kg/hm2施氮量范围内,随施氮量增加,旗叶谷氨酰胺合成酶（GS）活性、开花21d后的旗叶內肽酶（EP）活性、旗叶游离氨基酸含量、子粒醇溶蛋白含量、高分子量谷蛋白亚基（HMW-GS）和低分子量谷蛋白亚基（LMW-GS）含量、HMW-GS / LMW-GS比值、子粒蛋白质含量、公顷穗数和穗粒数、子粒产量均显著升高,面团形成时间和稳定时间延长;继续增加施氮量至240 kg/hm2,GS活性无显著变化,但开花21 d后的EP活性、-醇溶蛋白、-醇溶蛋白、HMW-GS、LMW-GS和子粒蛋白质含量仍显著提高,面团稳定时间继续延长,子粒产量显著降低。说明施氮过多对小麦氮素同化和产量无益;提高开花后旗叶GS活性和灌浆后期旗叶EP活性,有利于HMW-GS和LMW-GS的积累及HMW-GS/ LMW-GS比值的提高。适量施氮不仅提高了子粒灌浆所需氮源的供给能力,而且显著增加公顷穗数和穗粒数,扩大了单位面积库容,增加了单位面积上的氮素和光合产物在子粒中的贮存,这是适量施氮实现子粒品质和产量同步提高的生理原因。本试验条件下高产优质高效的施氮量为168～240 kg/hm2。     

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。     

夏玉米叶片全氮含量高光谱遥感估算模型研究

在5种不同施氮量和2种夏玉米品种处理下,分别在玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、乳熟期测定了玉米冠层高光谱反射率及其对应叶片的全氮含量。选取了470、550、620和720 nm 4个代表性光谱波段,分品种对叶片全氮含量与原始光谱反射率、光谱反射率一阶微分以及部分高光谱特征参数（基于光谱位置、面积、植被指数的特征参量）分别进行线性回归和非线性回归拟合。在每个生育时期,选择决定系数和F值最高的模型3个,并分别用第二年测定的光谱和全氮含量数据分别对两个品种进行均方根差和相对误差的验证,选择均方根差和相对误差较小的拟合模型。结果表明:在拔节期、大喇叭口期、抽雄期、吐丝期和乳熟期,玉米叶片全氮含量最佳拟合光谱参量分别为R720、DR720、SDb、DR550和DR550,玉米叶片全氮含量最佳高光谱遥感估算模型依次为:Y=5.129e-2.317x、Y=3.421－10.010x－477802.331x3、Y=4.070－2.304x－52.177x2、Y=－0.468－0.528lnx和Y=－2.390－0.793lnx。     

春小麦冠层氮素垂直分布与转运特征

以春小麦品种“吉春34”为材料，2016−2017年在南京进行了3期分期播种试验（S1，2016年12月16日播种；S2，2017年1月13日播种；S3，2017年2月19日播种），研究不同播期春小麦开花后不同空间层次叶片和茎鞘的氮素含量、氮素积累量、氮素垂直梯度变化以及植株氮素转运量、籽粒蛋白质含量和产量变化，以期明确江苏春小麦植株冠层氮素积累、分配与转运特征，并确定最适播期。结果表明：春小麦冠层氮素含量垂直分布特征明显，开花后春小麦植株含氮量随冠层高度的降低而降低，播期显著影响春小麦植株冠层氮素的积累、分布与转运。与早播春小麦（S1）相比，晚播春小麦（S2、S3）冠层40−80cm层次含氮量和氮积累量显著降低，叶片和茎鞘氮素垂直梯度的峰值出现时间提前至开花−灌浆期，峰值出现的空间位置降至冠层中下层，植株氮素转运量显著降低6.61%～29.12%。早播春小麦冠层中上部营养器官在生育后期可维持较大的氮素垂直梯度，促进氮素的运转。同时，晚播春小麦生育期内接受的太阳总辐射量、降水量减少，平均气温升高，开花后高温热害程度增加，生育期持续时间减少，降低了植株对氮素的吸收和转运。晚播春小麦比早播春小麦籽粒蛋白质含量降低8.46%～9.82%，蛋白质产量减少40.78～71.47g·m−2。综合春小麦冠层氮素分布与转运特征认为，在本试验条件下，S1播期（12月16日）为江苏春小麦的最佳播期。     

施氮量和花后土壤含水量对小麦氮代谢特性和子粒蛋白质含量的影响

在池栽条件下,研究了施氮量和花后土壤相对含水量对小麦氮代谢特性和籽粒蛋白质含量的影响。结果表明,在同一施氮量下,旗叶和子粒硝酸还原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性表现为花后土壤相对含水量（Soil relative water content , SRWC）以60%～70%最高,过低（40%～50%）或过高(80%～90%)均降低NR和GS活性。旗叶蛋白酶活性随土壤相对含水量增加而降低;花后土壤相对含水量过低不利于叶片游离氨基酸含量的提高,过高则前期氨基酸合成少,后期向子粒转运不彻底。子粒游离氨基酸和蛋白质含量也随土壤相对含水量增加而降低;子粒蛋白质积累量以花后土壤相对含水量为60%～70% 时最高,过高和过低均不利于子粒蛋白质积累。在同一土壤含水量下,旗叶和子粒NR和GS活性表现为随着施氮量的增加而升高,蛋白酶活性随着施氮量增加而降低;旗叶和子粒游离氨基酸含量、子粒蛋白质含量和积累量随施氮量增加而提高,但施氮量过多,蛋白质积累量增加幅度减小。试验表明,小麦生产中可以通过施用氮肥和控制花后土壤水分含量技术,调节植株氮代谢,提高子粒蛋白质含量。     

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。