基于GreenSeeker的冬小麦NDVI分析与产量估算

以2007-2009年连续2个冬小麦生长季的田间试验数据为基础,利用GreenSeeker获取冠层归一化差值植被指数(NDVI),分别对不同氮营养条件下冬小麦的产量变化、冠层NDVI值随施氮量和生育期的动态变化,以及NDVI与产量的相关性定量分析,建立基于NDVI的冬小麦产量估算模型。结果表明,冬小麦的产量变化随施氮量的增加呈抛物线趋势变化;冠层NDVI在返青期前随施氮量增加基本不变,返青期至灌浆初期随施氮量增加呈显著增加趋势;整个生育期冠层NDVI呈现“低–高–低”变化趋势。冬小麦整个生育期不同施氮水平下的NDVI值与产量的相关性均为正相关关系,且相关性随生育期逐渐增强,在灌浆末期达到最大。利用NDVI建立的冬小麦产量估算模型,以灌浆初期(P=0.005)和灌浆末期(P<0.001)的模型达到极显著水平。经验证,灌浆初期的冬小麦产量预测值与实测值的回归关系达到了显著水平(P=0.0129),灌浆末期则达到极显著水平(P=0.0002)。因此,利用灌浆初期和灌浆末期的NDVI值可以预测冬小麦产量,尤以灌浆末期预测效果更佳。     

用于植物营养诊断的几种便携式光谱仪应用比较

利用便携式光谱仪进行植物营养诊断主要是针对氮素营养。这主要是因为氮素是植物施用量最大的营养元素,是影响作物叶片叶绿素含量和作物长势比较敏感的元素。同时,在作物生育期内,氮素是以追肥的形式对作物进行补充的。由此可见,对作物氮素进行诊断具有实际应用价值。尽管化学诊断相对更加准确,但分析操作繁琐,工作量大,田间破坏性大,测定结果滞后。实     

华北沙质潮土夏玉米“3414”肥效试验

在沙质潮土条件下,采用＂3414＂肥效试验设计,通过不同方法对玉米产量结果与肥料施用量的回归拟合,建立不同施肥因子组合的施肥效应模型。单因子效应分析结果表明,氮、磷、钾肥料的增产效应表现为氮〉磷〉钾;夏玉米对钾肥的忍耐度低于磷和氮,表现为过量施用会引起产量快速降低。3种肥料因子间均存在正向交互作用,但交互作用的大小和程度在不同的模型上特点不同。通过对模型寻优分析,确定沙质潮土夏玉米N、P2O5、K2O最高产量施肥量分别为164 kg/hm2、93 kg/hm2和57 kg/hm2,投入比例为1.0∶0.6∶0.4;最佳经济施肥量分别为96 kg/hm2、78 kg/hm2和38 kg/hm2,投入比例为1.0∶0.8∶0.4。     

基于玉米叶片光谱特征的土壤无机氮含量估算模型的建立与验证

  【目的】  作物叶片颜色反映土壤养分的供应状况。研究作物叶片氮素相关的特征光谱信息与土壤无机氮含量的关系，以建立基于叶片光谱信息的土壤无机氮含量诊断模型，实现利用高光谱技术对作物和土壤进行实时监测。  【方法】  在两年(2017—2018) 的玉米 (郑单958) 田间试验中，设置6个施氮水平，施氮量分别为0、60、120、180、240、300 kg/hm2。在玉米的拔节期、大喇叭口期、开花吐丝期、灌浆期测定叶片高光谱反射率，对植株和土壤样品进行采集，分析土壤无机氮含量的变化，明确叶片光谱反射率与土壤无机氮含量的关系，利用光谱参数和偏最小二乘回归法 (partial least squares regression，PLSR) 建立诊断模型并进行模型精度的评价。  【结果】  施氮处理土壤无机氮含量显著高于不施氮处理，随着生育期的推移，土壤无机氮含量呈递减趋势，追肥可显著提高土壤无机氮含量。拔节期和开花吐丝期叶片光谱反射率与土壤无机氮含量在可见光波段呈负相关关系，在近红外波段呈正相关关系；大喇叭口期两者在可见光波段呈负相关关系，灌浆期两者无明显相关关系。在光谱参数模型中，4个生育期土壤无机氮含量预测的最佳光谱指数分别为RVI-2、RSI (534，726)、RSI (567，519) 和RVI-2，其回归模型验证集的R2分别为0.642、0.749、0.696、0.540。在PLSR预测模型中，利用PLSR建立的诊断模型验证集的R2分别为0.876、0.838、0.765、0.595，RPD (ratio of percent deviation) 分别为2.140、2.077、2.002、1.369。  【结论】  基于叶片光谱反射率建立的PLSR估算模型，在玉米的拔节期、大喇叭口期、开花吐丝期均能很好地预测土壤无机氮含量。因此，利用叶片光谱特征诊断土壤无机氮含量具有一定的可行性。     

我国葡萄主产区的土壤养分丰缺状况

【目的】目前我国葡萄园土壤养分研究滞后和缺乏科学的施肥指导,逐渐成为制约葡萄产业可持续发展的焦点问题。本研究旨在明确我国葡萄主产区土壤速效养分的丰缺状况并提出合理施肥建议,从而促进我国葡萄产业的健康可持续发展。【方法】2018年在我国的葡萄五大主产区（东北冷凉气候产区、华北及环渤海湾产区、秦岭-淮河以南亚热带产区、西北及黄土高原产区、云贵高原及川西高海拔产区）共采集了1 100份土壤样品,分别测定土壤pH,有机质及速效大、中、微量元素含量,并运用ArcGIS软件绘图,明确我国葡萄主产区土壤养分丰缺状况及其空间分布特征。【结果】我国葡萄主产区土壤pH范围为2.9—9.6,中性土壤在全国占比仅为11.7%;有机质平均含量仅为11.42 g·kg^-1（缺乏）,有机质缺乏的土壤占比78.8%;大、中、微量元素平均含量分别为速效氮77.8 mg·kg^-1（中等）、有效磷97.2 mg·kg^-1（丰富）、有效钾214.7 mg·kg^-1（中等）、有效钙1 670.8 mg·kg^-1（丰富）、有效镁299.0 mg·kg^-1（丰富）、有效硫72.5 mg·kg^-1（极丰富）、有效铁83.9 mg·kg^-1（丰富）、有效铜5.8 mg·kg^-1（极丰富）、有效锰16.1 mg·kg^-1（丰富）、有效锌6.5 mg·kg^-1（丰富）、有效硼2.86 mg·kg^-1（丰富）。【结论】我国葡萄主产区适宜葡萄生长的中性土壤较少,面积占比仅为11.7%,有机质含量为11.42 g·kg^-1,有机质处于缺乏水平的土壤面积占比为78.8%;速效氮（77.8 mg·kg^-1）、有效钾（214.7 mg·kg^-1）含量偏低,有效磷（97.2 mg·kg^-1）含量偏高;中量元素有效钙、镁、硫含量处于丰富水平,但不同地区之间钙、镁含量差异较大;微量元素有效铜（5.8 mg·kg^-1）含量极为丰富,铁、锰、锌、硼含量均处于丰富水平,但部分区域仍存在养分缺乏的现象。各主产区可依据土壤养分丰缺状况进行区域性配方施肥,合理补充大、中、微量元素。     

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)。     

黑土土壤中全氮含量的高光谱预测分析

为实现快速、准确估测土壤氮素含量水平,推动土壤信息化管理进程,该研究利用ASD2500高光谱仪在室内条件下测定了风干土壤样品的可见—近红外光谱。结果表明,通过不同的变换,光谱反射率对数的一阶导数与土壤全氮含量相关性得到增强,以400～600 nm波段范围内相关性最好。该文确定了以反射率对数的一阶导数光谱预测黑土全氮（TN）含量的最佳回归模型,模型所用的波段为可见光波段的556 nm、近红外的1 642和2 491 nm。同时,也确定了利用由可见光波段550和450 nm组成的归一化光谱指数预测黑土TN含量的最佳预测模型。模型通过验证达到较好的效果：利用反射率对数的一阶导数、归一化光谱指数对土壤TN的预测R2分别为0.863、0.829,均方根误差RMSE分别为0.122、0.152。     

华北小麦-玉米轮作区缓控释肥应用效果分析

田间试验以常规施肥为对照,分析了华北平原北部小麦-玉米轮作区缓控释肥不同配比和用量土壤硝态氮含量和产量性状的变化。结果表明,常规用量分次施肥（100%UD）处理,土壤中NO-3-N含量在小麦生育后期仍然维持较高的水平,并且穗数、千粒重以及产量相对较高; 缓控释肥处理土壤中硝态氮（NO-3-N）含量与100%UD相比处于较低的水平,但产量无显著差异。玉米生长季缓控释肥表现出了明显优势,肥料利用率提高,玉米穗秃尖长度减小; 其中减少20%用量的缓控释肥处理（80%SCR）产量显著高于常规施肥处理,增产达到18.3 %。缓控释肥缓慢释放的特性有利于被作物及时充分吸收,减少了在土壤中因淋失而造成浪费的机会,从而使得肥料利用率提高。从小麦、玉米两季的变化情况来看,还需要进一步优化肥料在不同生长季之间的配置,使缓控释肥料发挥其最大潜力,实现小麦玉米产量双高产和经济效益、环境效益同步提高。     

冬小麦不同群体冠层结构的高光谱响应研究

 选择株型差异较大的冬小麦品种，并通过部分品种不同密度试验，分析了冠层结构的两个重要指标叶向值（LOV）与叶面积指数（LAI）与光谱特征参量的关系，同时对20个不同处理进行了聚类分析。结果表明，不同生育阶段株型指标LOV和群体大小指标LAI对光谱的贡献是不同的，前期（以拔节期为主）LOV对光谱的影响要大些，后期主要受LAI的影响；对拔节期包括品种和密度在内的共20个处理进行聚类分析，划分了株型和群体大小的不同组合4个（A-株型直立，群体较小；B-株型直立，群体较大；C-株型披散，群体较小；D-株型披散，群体较大）；拔节期不同类组冠层光谱反射率在400～700 nm范围内反射率由高到低的顺序为A>B>C>D，700～1 150 nm范围内顺序与其相反，并且差异更加显著，此期是利用光谱识别株型的最佳时期；利用近红外波段光谱特征值（拔节期到孕穗期光谱反射率的增量△R890与拔节期反射率R890）做散点图发现，不同类组在散点分布上具有显著差异，通过纵向反射率的差异以及横向两个阶段反射率增量的差异可以对不同群体冠层结构特征进行初步识别。     

基于高光谱的土壤有机质含量预测模型的建立与评价

 【目的】土壤有机质含量是反映土壤肥力的重要特征，利用高光谱技术对有机质（OM）含量进行定量化反演为土壤信息化管理和资源评价提供了重要的依据。【方法】利用ASD2500高光谱仪在室内条件下测定了风干土壤样品的可见—近红外光谱，分析了不同区域范围土壤光谱反射率曲线形状变化和土壤有机质含量的变化特点，并针对东北地区以黑土为主的土样光谱反射率不同变换形式与有机质含量进行了相关性分析。【结果】结果表明，有机质含量较高的黑土的光谱曲线与其它土壤类型的光谱曲线在形状上有很大差异，即在600～900 nm附近，以黑龙江土样为代表的东北黑土表现为直缓上升，而河南和山东的潮土则表现为曲陡上升。相关分析结果表明，土壤有机质含量与原始光谱反射率在545～830 nm呈显著负相关，其中在580～738 nm波段范围内达到极显著负相关。与一阶导数光谱相关性进一步增强，在481～598 nm呈现极显著负相关，而在816～932 nm和1 039～1 415 nm波段范围内具有极显著的正相关性。土壤有机质含量与部分波段处的吸收深度和反射峰高度也表现为不同程度的相关性。【结论】利用570～590 nm波段的一阶导数光谱和1 280 nm处反射峰高度P_Depth1280可以较好地预测东北主要土壤类型有机质含量。在此基础上建立了土壤有机质含量的高光谱反演模型并进行了验证。