基于植被指数时序动态的冬小麦氮素营养诊断方法

为构建冬小麦冠层临界植被指数时序模型,探究实时、无损诊断冬小麦全生育期氮素营养状况的可能性,基于冬小麦不同生育时期氮营养指数(nitrogen nutrition index,NNI)与相对产量的关系确定NNI临界值,并利用归一化红边植被指数(normalized difference red edge,NDRE)与NNI的定量关系确定临界NDRE值,进而以累积生长度日为时间驱动因子,利用双Logistic函数构建临界NDRE时序模型并用于诊断,且对诊断结果进行了验证。结果表明,NNI与冬小麦相对产量在不同生育时期均呈现明显的线性加平台关系(R²在0.76以上),在开花—灌浆期表现最好;NNI与NDRE呈显著的幂函数关系(R2在0.76以上),在孕穗—开花期表现最好;临界NDRE时序诊断模型在拔节后期、孕穗期、开花期的诊断精度较高;适期播种时冬小麦在180 kg·hm^-2施氮水平下整个生育期均处于轻微氮亏缺或氮适宜状态,为较优施氮量。适期播种时冬小麦氮素营养状况主要受施氮水平的制约;过晚播时受播期的影响,不同施氮水平下冬小麦全生育期均处于氮亏缺状态。综上,依据氮营养指数与相对产量所构建的临界NDRE时序模型能够较准确地实时诊断冬小麦不同生育时期的氮素营养状况,并为作物氮肥精确管理提供技术方法。     

基于无人机RGB影像的小麦叶面积指数与产量估算研究

为探讨基于无人机RGB影像实现对小麦叶面积指数(leaf area index, LAI)和产量估算的可行性，设置不同生态点、品种和氮素处理的小麦田间试验，应用大疆精灵4 Pro无人机获取小麦拔节期、抽穗期、扬花期和灌浆期4个主要生育时期的RGB高时空分辨率影像，并同测定小麦LAI。采用相关性分析筛选出不同生育时期对LAI敏感的光谱与纹理特征集，并借助随机森林(random forest, RF)、偏最小二乘回归法(partial least squares regression, PLSR)、BP神经网络(back propagation neural network, BPNN)和支持向量机(support vector machine, SVM)分析方法，筛选出小麦不同生育时期最优的LAI估测模型。基于不同生育时期的光谱与纹理特征以及时期特征集，进一步建立产量预测模型，并在不同生态点验证叶面积估算模型与产量预测模型的普适性。结果表明，基于RF的LAI估测模型的验证精度最高，4个生育时期的均方根误差(root mean square error, RMSE)分别为2.26、1.44...     

不同地力和施氮水平下水稻叶片SPAD值及产量的分析

以Q优6号为材料,分析了不同地力条件下不同施氮水平对水稻叶片SPAD值和产量的影响。结果表明,水稻产量与表观供氮量存在极显著的曲线相关,且当表观供氮量在575.27 kg/hm~2时,Q优6号产量较高;不同处理下各生育时期SPAD值大小顺序为抽穗期拔节期成熟期,且差异主要表现在抽穗期和成熟期;拔节期和抽穗期不同地力和施氮水平下水稻冠层4张叶片各自的差异主要表现在顶3叶和顶4叶上,可以利用两者的SPAD值作为参数进行氮素营养诊断;SPAD值与表观供氮量之间存在显著线性相关,且采用SPAD_(L3×L4/mean)进行拟合时效果更好,均达到极显著水平。获取水稻叶片SPAD值次级指标可以实现对田块速效氮含量的估计。     

不同氮效率小麦品种临界氮浓度模型与营养诊断研究

为探讨不同氮效率小麦品种临界氮浓度模型的差异和开展小麦氮素营养诊断研究,基于两年大田试验,以不同氮效率小麦品种周麦27(高氮高效)、豫麦49-198(低氮高效)和矮抗58(低氮低效)为研究对象,系统分析了不同氮效率小麦品种地上部生物量、地上部氮含量和氮素营养指数的变化规律。结果表明,不同氮效率小麦品种地上部生物量和地上部氮含量均随施氮量的增加而增加,临界氮浓度(N_C)与地上部最大干物质(DM)均呈幂函数关系(N_C=aDM~(-b)),且氮高效型品种模型的两个参数(a和b)值均大于氮低效型品种。经检验,模型的标准化均方根误差分别为13.87%(周麦27)、7.7%(豫麦49-198)和13.02%(矮抗58),通过临界氮浓度模型所建立的氮素营养指数推荐的麦田施肥量均在120~225kg·hm~(-2)范围,其中周麦27和豫麦49-198的推荐施肥量分别为225和120kg·hm~(-2),矮抗58的推荐施肥量介于二者之间。     

不同基因型小麦产量和氮利用效率的差异及其相互关系

为给氮高效利用小麦品种的选育提供科学依据,通过土培盆栽试验,以河南省大面积种植的20个小麦品种为材料,比较分析了不施氮(N0)、施纯氮180 kg·hm-2 (N180)、360 kg·hm-2 (N360)三种施氮水平下不同基因型小麦产量、氮素积累量、氮利用效率和氮响应度的差异及其相互关系.结果表明,在同一施氮水平下,不同基因型间、相同基因型不同施氮水平间小麦产量、氮积累总量、氮利用效率和氮响应度存在显著差异.与N0相比,施氮处理的籽粒产量、生物学产量、籽粒氮素积累量、氮素积累总量均显著提高,大多数品种的收获指数表现为施氮处理大于不施氮处理,但多数小麦品种的氮素收获指数却随施氮水平增加而降低.相关分析表明,籽粒产量与氮素积累量呈极显著正相关(rN0=0.944**,rN180＝0.919**,rNs60＝0.981**),氮利用效率与氮素积累量之间亦呈极显著正相关(rN0=0.944*,rN180 =0.919*,rN360＝0.982*).以氮利用效率和氮响应度为指标进行系统聚类分析,将供试基因型划分为高效弱响应、高效强响应、低效弱响应和低效强响应4种类型.由此说明,在现代高产小麦的育种过程中,高肥育种兼顾低肥水平下的表现,在一定范围内可同时对小麦氮高效利用和氮强响应型进行遗传选择.     

低氮胁迫对不同基因型玉米生物产量和氮吸收率动态变化的影响

通过盆栽试验,在施氮和不施氮条件下,对6种不同基因型的玉米材料在拔节、开花、灌浆和成熟等不同生育时期的生物产量、体内氮素含量、氮素积累量和氮素吸收率等性状进行了分析。结果表明:施氮条件下,开花期之后的生物产量、氮素含量和氮素积累量显著或极显著高于不施氮处理,而氮素吸收率仅灌浆期不施氮处理显著高于施氮处理;不同遗传背景材料对低氮胁迫反应不同,除农大108杂种优势表现明显外,许178开花期和灌浆期的生物产量、氮积累量和氮吸收率等均居前列,高于或显著高于其他自交系,而其他材料波动较大。拔节后随生育时期推进,植株氮素含量稳中有降,而生物产量、氮积累量和氮吸收率呈递增态势,其间存在极显著正相关(R0.98),增幅因材料而异,开花后变异系数约为拔节期3倍,尤其不施氮处理施氮处理,农大108、许178和L2增幅较大,证明其在低氮胁迫条件下更能显示其氮高效利用特性。     

基于GeoEye-1高分遥感影像的冬小麦氮肥推荐应用

为给大区域范围的冬小麦氮素营养遥感诊断及其精准施肥决策提供参考,将GeoEye-1高分辨率遥感影像数据与氮肥优化算法(NFOA)相结合,开展了冬小麦氮肥推荐应用研究。首先,基于多年地面实测冬小麦冠层高光谱数据,利用光谱响应函数生成GeoEye-1卫星遥感模拟数据,计算得到归一化植被指数NDVI,并结合当季估产指数INSEY构建了冬小麦潜在产量预测模型;通过定义可表征小麦氮素丰缺的氮素响应指数RINDVI,结合潜在产量模型,计算得到氮素需求量;最后,利用GeoEye-1高分辨率遥感影像数据进行验证分析,将氮素推荐模型与高分辨率遥感数据相结合生成施肥推荐处方图,实现了冬小麦的氮素营养诊断及施肥推荐。结果表明,当季估产指数INSEY可很好地估算冬小麦的潜在产量(r2=0.606,RMSE=0.704t·hm-2),基于GeoEye-1高分遥感影像提取NDVI预测的潜在产量与实测产量显著相关(r2=0.722,RMSE=0.451t·hm-2)。氮素响应指数RINDVI与氮营养指数NNI的倒数也显著相关(r=0.915),可以用RINDVI来诊断冬小麦氮素的丰缺状态。以上结果说明,在没有地面实测小麦氮含量、生物量、地面光谱等数据的情况下,利用高分辨率遥感数据与气象数据构建模型可估算冬小麦的潜在产量,并能实现对冬小麦的氮营养诊断及生成推荐施肥处方。     

小麦季施氮对麦套花生光合特性、氮素和干物质积累及周年氮素利用率的影响

在大田条件下,以小麦品种济麦22号和花生品种花育25号为材料,设置4种不同追施氮肥的方式,分别为:(A)拔节期施纯氮160kg/hm~2、(B)拔节期施纯氮80kg/hm~2+开花期施纯氮80kg/hm~2、(C)孕穗期施纯氮160kg/hm~2、(D)开花期施纯氮160kg/hm~2;施肥方法均为开沟追施。研究了小麦季4种不同追施氮肥方式对下茬花生各生育时期叶片叶绿素含量、光合速率、成熟期各器官氮素和干物质积累与分配及周年氮素利用效率的影响。结果表明:C处理的氮肥运筹方式提高了叶片叶绿素含量和光合速率;荚果中氮素和干物质积累量及其分配比例均较高;小麦籽粒产量最高、花生荚果产量较高;氮素内部利用效率和氮肥偏生产力均最高。本试验条件下,综合考虑周年作物产量和氮素利用效率,前茬小麦基施纯氮105kg/hm~2、孕穗期追施纯氮160kg/hm~2和花针期追施25kg/hm~2(C处理)是小麦套种花生种植模式下最佳的氮肥运筹方式。     

追氮时期和基追比例对强筋小麦产量和品质的调控效应

为给小麦高产优质栽培中氮肥合理运筹提供依据,以济麦20号为材料,在施氮量为240kg·hm-2下,研究追氮时期(起身、拔节、孕穗、开花)和基追比例(1∶1、3∶7和3∶17)对强筋冬小麦产量和品质的调控效应。结果表明,起身期和拔节期追氮处理间产量差异不显著,但二者显著高于孕穗期和开花期追氮处理。起身和拔节期增加追氮比例可提高产量,孕穗和开花期增加追氮比例则使产量降低。在起身和拔节期追氮时,籽粒蛋白质、醇溶蛋白和清、球蛋白含量随追氮比例增加均呈下降趋势;在孕穗和开花期追氮时,籽粒蛋白质、醇溶蛋白和清、球蛋白随追氮比例增加呈上升趋势。在各时期增加追氮比例均可提高谷蛋白、HMW-GS、LMW-GS含量和面团稳定时间。在一定的基追比条件下,拔节期追氮处理的谷蛋白、HMW-GS、LMW-GS含量和面团稳定时间均高于起身期追氮处理,追氮时期自拔节期后移至孕穗和开花期时谷蛋白、HMW-GS、LMW-GS含量和面团稳定时间均不同程度降低。本试验条件下,综合考虑产量和品质,强筋小麦济麦20号以基肥∶拔节肥比例为3∶17为最佳氮肥运筹方式。     

不同品质小麦氮素分配及利用率的15N示踪研究

为了解品种、施氮量、追氮时期对小麦各器官氮素分配、利用率的效应及权重,利用15N示踪技术研究了两种施氮水平和两种追肥时期下不同品质类型的四个小麦品种(系)济南17、PH82-2-2、PH97-4、PH97-5成熟期各器官氮含量、氮积累量和15N丰度的差异.结果表明,施氮量增加,籽粒氮含量和积累量增加,而营养器官氮含量和积累量升高或降低,规律不一致.拔节期追施氮肥,籽粒氮含量和积累量比抽穗期追施氮肥低,而营养器官相反.成熟期小麦各器官氮含量高低依次为籽粒、其他叶、旗叶、颖壳、茎秆＋叶鞘.品种间各器官氮含量和积累量存在显著差异,PH82-2-2和PH97-5籽粒中氮含量和积累量高于济南17和PH97-4,PH97-5后期营养器官向籽粒转移氮素较多,品种是影响各器官氮含量和积累量差异的决定因素.抽穗期追氮整个小麦植株中追肥氮含量比拔节期追施氮肥显著降低,地上器官中降低了10.1个百分点,籽粒中降低了10.3个百分点,小麦对氮素的当季利用率显著降低.     

关中冬小麦叶片氮素含量高光谱遥感监测模型

为给黄土高原大范围的冬小麦氮素营养遥感监测提供理论依据,通过田间试验,研究了冬小麦叶片氮素含量遥感监测的最佳生育时期、最敏感波段及其他最优光谱参量。结果表明,灌浆期是利用高光谱遥感监测冬小麦叶片氮素营养状况的最佳生育时期;在拔节、抽穗和灌浆期680nm波段光谱反射率R680均能较好地反映冬小麦叶片氮素含量,基于光谱位置以及叶面积指数的光谱参量也能较好地反映冬小麦叶片氮素含量。拔节期、抽穗期和灌浆期分别以680nm波段光谱反射率R680、绿峰反射率Rg和植被指数(SDr-SDb)/(SDr+SDb)对小麦叶片氮素含量的拟合效果最佳,其回归方程分别为Y=27.54-280.247 X+1456.245 X2、Y=8.632 X-0.24和Y=25.83 X1.012。     

刈割后施氮对冬小麦再生植株干物质积累、氮素吸收及产量的调控效应

为了解冬小麦刈割后的氮素调控作用,在温室控制条件下,以冬小麦品种陇育2号为材料,在分蘖期刈割后施氮0、0.1、0.2、0.3、0.4 g·kg^-1土（分别用N0、N1、N2、N3、N4表示）,探究了冬小麦刈割后干物质积累、氮素吸收和产量对不同施氮水平的响应。结果表明,与N0处理相比,刈割后施氮使小麦拔节期和开花期的叶面积指数提高90%~155%（P<0.05）。施氮处理延长了小麦生长旺盛期3~6 d,促进了干物质积累,其中N2处理干物质积累量增加129%（P<0.05）,并且提高了穗部干物质的分配比例。施氮提高了开花期茎部可溶性碳水化合物含量,其中N2处理的增幅达到39%（P<0.05）。冬小麦各器官氮素含量均随施氮量的增加而增加,刈割后施氮使氮素转运效率提高6%左右（P>0.05）,氮素收获指数提高10%~15%（P<0.05）。施氮处理的籽粒产量、穗粒数、有效穗数和收获指数较N0处理增加显著（P<0.05）,且以N2处理效果最好,说明0.2 g N·kg^-1土是冬小麦刈割后良好生长发育、高产、稳产、氮素高效利用的最佳施氮水平。[JP]     

土壤相对含水量对冬小麦氮素积累、蛋白质组成和加工品质的影响

为了解土壤相对含水量(SRWC)对冬小麦氮素利用和籽粒品质的影响,在防雨条件下,以高产强筋小麦品种皖麦38为材料,采用测墒补灌的方法,0~40cm土层SRWC在拔节期(J)设置65%、70%和75%3个水平,开花期(A)设65%和70%两个水平,分析了不同处理(分别用J65A65、J65A70、J70A65、J70A70、J75A65、J75A70)间冬小麦氮素积累、蛋白质组成和加工品质的差异。结果表明,在65%~75%范围内,随拔节期SRWC的提高,小麦开花期各器官的氮素积累量显著增加;J70A70处理的成熟期籽粒氮素积累量与J75A65和J75A70处理无显著差异,但显著高于其他处理,且其氮素收获指数最高。开花期SRWC相同时,拔节期SRWC 65%处理较SRWC 70%处理具有较高的贮藏蛋白含量和谷醇比以及较低的可溶性蛋白含量;J65A65处理的籽粒谷蛋白含量、谷醇比和贮藏蛋白占总蛋白的比例显著高于其他处理。与面粉品质和烘烤品质相比,拔节期和开花期SRWC对面团品质的调控效果明显。其中,面团形成时间和稳定时间在拔节期SRWC 65%和70%条件下随开花期SRWC的提高而降低;开花期SRWC相同时,拔节期SRWC 65%处理较SRWC 70%和75%处理提高了面团形成时间、稳定时间、沉降值、面包体积。综合以上结果,J65A65处理提高了籽粒谷蛋白和谷醇比,延长了面团形成时间和稳定时间,增加了面包体积,有利于改善冬小麦加工品质,是最佳的优质节水测墒补灌方案。     

限水减氮对高产麦田群体动态和产量形成的影响

为解决河北省水资源匮乏和麦田施氮量偏多问题,于2013~(-2)014和2014~(-2)015年度,在河北省石家庄市藁城区分别设置限水灌溉的单因素试验和限水减氮的二因素裂区试验,研究了限水减氮对河北省高产麦田群体动态和产量的影响。结果表明,在2013~(-2)014年度,限水灌溉处理(拔节期45mm、开花期30mm、灌浆期30mm,春季总灌水量105mm)与节水灌溉对照(拔节期60mm、开花期60mm,春季总灌水量120mm)间小麦叶面积指数、光能截获率、生物产量、穗数和穗粒数差异均不显著;限水灌溉的千粒重显著增加,籽粒产量为10 081.08kg·hm~(-2),水分利用效率为27.98kg·hm~(-2)·mm-1。在2014~(-2)015年度,限水灌溉处理中W3处理(拔节期37.5mm、开花期15mm、灌浆期15mm,春季总灌水量67.5mm)的叶面积指数、光能截获率与节水灌溉对照(拔节期67.5mm、开花期67.5mm,春季总灌水量135mm)无显著差异,穗数和穗粒数有所降低,但千粒重显著增加,籽粒产量8 903.70kg·hm~(-2),比节水灌溉对照减产7.95%,生物产量降低7.15%,但水分利用效率和灌水利用效率分别提高9.28%和84.10%,且未显著增加0~140cm和0~200cm土层贮水的消耗,是本试验条件下保证高产高效的最佳限水灌溉模式。120、180和240kg·hm~(-2)的3个施氮水平间各指标差异均不显著。综合节水高产和减氮增效的现状,以小麦拔节期灌水37.5mm、开花期15mm、灌浆期15mm的灌溉模式结合生育期施N 120kg·hm~(-2)为本试验条件下的最优限水减氮组合。     

多遥感光谱指标结合进行大田冬小麦叶片叶绿素含量估测研究

为解决大田冬小麦叶片叶绿素含量估测模型精度低、通用性弱的问题，在获取冬小麦拔节期和抽穗期冠层红光波段反射率(BR_red)和近红外波段反射率(BR_nir)的基础上，计算归一化差值植被指数(NDVI)、差值植被指数(DVI)、比值植被指数(RVI)、土壤调节植被指数(SAVI)、改进型比值植被指数(MSR)、重归一化植被指数(RDVI)、II型增强植被指数(EVI2)和非线性植被指数(NLI)等8个植被指数。经统计分析，选择与叶片叶绿素含量(SPAD值)相关性较好的5个遥感光谱指标(NDVI、MSR、NLI、BR_red和RVI)作为输入变量，建立了冬小麦叶片叶绿素含量的BP神经网络估测模型(WWLCC_BP),并对估测模型进行精度验证。结果表明，WWLCC_BP估测模型在拔节期估测的决定系数(r²)为0.84,均方根误差(RMSE)为5.39,平均相对误差(ARE)为9.87%。抽穗期的估测效果与拔节期较为一致。将WWLCC_BP和高分六号影像...     

测墒补灌条件下施氮量对冬小麦耗水特性和水氮利用效率的影响

为明确黄淮麦区冬小麦高产节水条件下的适宜施氮量,以小麦品种山农23为材料,在大田拔节期和开花期0~40cm土壤含水量分别补灌至田间持水量的70%和65%条件下,设置每公顷施纯氮0kg(N0)、180kg(N1)、240kg(N2)、300kg(N3)4个施氮水平,研究小麦耗水特性和水氮利用效率对施氮量的响应。结果表明,N2处理较N0和N1处理显著提高了20~160cm土层土壤贮水消耗量,但与N3处理无显著差异。N2处理灌水量较N0和N1处理分别降低7.35%和9.51%,显著提高土壤贮水消耗量、开花至成熟阶段的耗水量和耗水模系数;N3处理的灌水量较N2处理增加9.59%,两个处理间土壤贮水消耗量、开花至成熟阶段的耗水量和耗水模系数均无显著差异。N2处理的籽粒产量、降水利用效率和灌水利用效率比N1处理分别高9.53%、9.54%和21.04%,施氮量增加至300kg·hm-2时,籽粒产量无显著变化,灌水利用效率和氮肥偏生产力分别降低7.55%和18.94%。因此,在本试验条件下,施氮240kg·hm-2的增产、水氮高效利用效果最佳。     

氮水运筹对苏北平原稻茬麦干物质积累、产量和氮肥利用的影响

为明确苏北平原稻茬麦的最优氮水运筹模式，以淮麦30为材料，在大田测土施肥条件下，设置0 kg·hm^-2（N₀）、180 kg·hm^-2（N₁）、270 kg·hm^-2（N₂）3个施氮量和生育期不灌水（W₀）、灌拔节水（W₁）、灌拔节水+孕穗水（W₂）3个灌水处理，研究小麦干物质积累与转运、产量形成和氮素吸收与利用对不同氮水运筹的响应。结果表明，小麦干物质积累量、转运量和转运效率，氮素积累量、转运量和转运效率，花后干物质贡献率及氮素贡献率均随施氮量和灌水次数的增加而增加，各处理均以N₂W₂效果最佳。氮肥和灌水次数的增加对小麦成穗数、穗粒数、千粒重和产量、氮素收获指数与氮素利用效率均有显著促进作用，以N₂W₂效果最佳。氮肥农学效率、氮肥表观利用率和氮肥偏生产力则随施氮量增加而降低，以N₁W₂效果最佳；在相同氮肥水平下，灌水处理的上述三个指标较不灌水处理高。对本试验条件下各测定指标，氮肥在氮水运筹中起主导作用，且氮肥和灌水有显著的互作效应。综上，在苏北平原稻茬麦区，施氮量180 kg·hm^-2结合浇灌拔节水和孕穗水（W₂）的氮水模式可在协调小麦干物质和氮素的积累、转运与分配、促进增产的同时，提高氮肥利用效率，从而实现节氮增产的目标。     

密度和施氮量对超高产冬小麦群体质量和产量形成的影响

为明确种植密度和施氮量对超高产冬小麦群体质量和产量形成的影响,以冬小麦品种石麦18为材料,于2013-2014年度在河北省藁城市进行了密度(基本苗150万、225万、300万和375万·hm-2)和施氮量(180、240和300kg·hm-2)的二因素裂区试验。结果表明,小麦各生育时期群体总茎(穗)数随密度的增加而增加,但4种密度下都取得了较高的穗数。越冬前至开花期叶面积指数(LAI)和干物质积累量均随密度的增加而增加,但基本苗为150万和225万·hm-2时开花后LAI和干物质积累量都高于基本苗300万和375万·hm-2。各生育时期(除起身期外)不同施氮量之间总茎数差异不显著。干物质积累量随着施氮量增加呈增加趋势,高施氮量下开花后LAI衰减较慢。密度对产量及其构成因素的影响均显著,施氮量仅对千粒重和产量的影响显著;密度与施氮量对千粒重和产量有显著的交互效应。基本苗150万·hm-2、施氮量240~300kg·hm-2处理的小麦产量最高,分别为10 308.65和10 221.98kg·hm-2。因此,建议在低密度下适当增施氮肥。而从节本增效考虑,在高密度下应适当减少氮肥投入,以实现小麦的高产高效。