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。     

基于冠层时序植被指数的冬小麦单产预测

【目的】研究冬小麦冠层时序植被指数的动态变化规律并基于其构建单产预测模型,为田间实时、准确获取作物单产信息提供有效的技术手段。【方法】本研究于2017—2019年在江苏省兴化市万亩粮食产业园开展不同品种及氮肥水平的田间小区试验,利用主动传感器RapidSCAN CS-45获取冠层归一化红边植被指数（normalized difference red edge,NDRE）和归一化植被指数（normalized difference vegetation index,NDVI）,基于双Logistic函数拟合时序植被指数并提取曲线特征参数,进而分析各特征参数与单产的相关关系,并以独立试验数据对单产预测模型进行验证。【结果】NDRE在孕穗期和抽穗期与单产关系最好,R²达到0.84以上;通过多元逐步线性回归法发现,利用2个或多个时期NDRE预测单产的效果较单生育时期有所提高,且第一和第二被选择的时期分别为拔节期和孕穗期。基于全生育时期相对NDRE（relative NDRE,RNDRE）和相对NDVI（relative NDVI,RNDVI）构建时序曲线,并利用曲线特征参数建立单产预测模型,其中RNDRE和RNDVI的最大值、累积值及增长速率与单产关系较好。利用独立试验数据对上述单产预测模型进行检验,结果表明基于RNDRE时序曲线最大值和累积值所构建的单产模型验证效果较好,R²大于0.80,相对均方根误差和相对误差均小于10%,其验证效果优于单时期或多时期基于NDRE的预测模型,且优于基于NDVI构建的单产模型。【结论】基于冠层时序植被指数提取的特征参数RNDRE最大值和累积RNDRE具有良好估测单产的潜力,研究结果为田间进行实时、准确预测冬小麦单产提供了技术支持。     

不同产量水平下稻茬小麦的氮素营养指标特征

  【目的】  明确长江中下游地区不同产量水平稻茬小麦氮营养指标变化规律，为小麦氮素营养状况实时诊断提供理论依据。  【方法】  本研究通过江苏省多年多点田间不同氮肥、播期、密度和品种试验，构建不同产量水平小麦大数据，分析不同产量水平小麦在不同生育时期的干物质积累量、植株氮积累量和植株氮浓度的变化规律，并通过计算小麦临界氮浓度，得到累积氮亏缺和氮营养指数的动态变化规律，进而明确高产稻茬小麦氮素营养指标特征。  【结果】  干物质积累量和植株氮积累量的变化趋势一致，随着小麦生育进程的推进均逐渐增加，植株氮浓度逐渐减小，累积氮亏缺和氮营养指数会出现波动。整个生育期内，干物质积累量和植株氮积累量在高产小麦和中产小麦之间的差异不显著，但二者植株氮积累量均显著高于中低产小麦，中低产小麦又显著高于低产小麦。在抽穗期、开花期和灌浆期，高产和中产小麦干物质积累量显著高于中低产小麦，中低产小麦又显著高于低产小麦。依据累积氮亏缺值判断氮素营养状况，高产和中产小麦的累积氮亏缺变化趋势一致，在起身—孕穗期，高产小麦的累积氮亏缺值由0.3 kg/hm2降低为?23.0 kg/hm2，中产小麦由7.0 kg/hm2降低为?14.6 kg/hm2，孕穗—抽穗期又呈升高趋势，高产小麦由?23.0 kg/hm2升高为?11.4 kg/hm2，中产小麦由?14.6 kg/hm2升高为2.4 kg/hm2，开花—灌浆期的波动较小。表明高产小麦氮营养除起身期之外均为过剩，中产小麦在拔节—孕穗期的累积氮亏缺小于0，其余时期累积氮亏缺均大于0，但该水平的累积氮亏缺值一直在适宜范围内波动。中低产小麦在起身—拔节期，累积氮亏缺值由14.2 kg/hm2降低为9.5 kg/hm2，之后逐渐升高，灌浆期达到最大为43.9 kg/hm2；低产小麦在起身期到灌浆期，累积氮亏缺值由17.3 kg/hm2升高为71.1 kg/hm2。表明中低产和低产的小麦氮营养水平在整个生育期内逐渐降低，且整个生育期均处于亏缺状态 (累积氮亏缺值 > 0)。在拔节期、孕穗期、抽穗期和灌浆期，高产水平的小麦植株实际氮浓度高于植株临界氮浓度，中产小麦在孕穗期的植株实际氮浓度高于临界氮浓度，而中低产和低产的小麦在整个生育期植株实际氮浓度低于植株临界氮浓度。高产和中产的小麦氮营养指数在1附近波动，其中高产小麦的氮营养指数在起身—孕穗期由0.9升高为1.1，在抽穗—灌浆期，氮营养指数呈现先降低后升高趋势，其值分别为1.0、0.9和1.0，中产小麦与高产小麦的变化趋势一致，起身—孕穗期的氮营养指数由0.8升高为1.0，之后逐渐下降，其值均小于1，抽穗—灌浆期分别为0.9、0.9和0.9。中低产和低产的小麦氮营养指数始终低于1，中低产小麦在起身—拔节期氮营养指数由0.7升高为0.8，之后则逐渐下降，低产小麦从起身—开花期均逐渐下降，而这两个产量水平的氮营养指数在灌浆期会呈现略微上升趋势。  【结论】  随着产量水平的提高，小麦植株干物质和氮积累量、植株氮浓度、氮营养指数等都相应增加，累积氮亏缺相应下降。较高的干物质积累量和植株氮积累量是提高小麦产量的主要原因，在小麦生长过程中氮营养指数和累积氮亏缺均能准确诊断小麦氮营养状况，可为小麦氮肥精准管理提供理论支持。     

播期播量及施氮量对冬小麦生长及光谱指标的影响

为阐明播期、播量及施氮量对冬小麦生长与光谱指标的影响规律,本研究通过开展连续两年不同播期、播量及施氮量的冬小麦田间试验,系统地研究了三因素及其互作对冬小麦产量、关键生育时期叶面积指数(leafarea index,LAI)和归一化红边指数(normalized difference red edge,NDRE)的影响,并进一步分析了三因素对冬小麦冠层NDRE时序曲线的影响。另一方面建立了不同产量水平下冬小麦冠层NDRE适宜时序曲线,以便于实时监测不同产量水平下冬小麦长势动态。结果表明,冬小麦冠层NDRE与LAI随关键生育期的变化相似,且三因素对关键生育时期2个指标的影响规律基本一致。2018—2019年冬小麦产量、不同生育时期LAI和冠层NDRE均随播期推迟而下降;2019—2020年除灌浆期外,晚播冬小麦产量、LAI及冠层NDRE峰值最大。2年冬小麦不同生育时期LAI、冠层NDRE随施氮量增加而增加;而不同播量间无明显差异。三因素中播期、施氮量对冬小麦冠层NDRE时序曲线有显著影响。冬小麦冠层NDRE时序曲线随施氮量增加被纵向拉长;曲线下降部分随播期推迟向左平移,同时2018—201...