不同形式的光谱参量对春玉米氮素营养诊断的比较

选择适宜的光谱参量,对利用光谱技术进行作物营养诊断精确度的提高是至关重要的。该文对单因素氮处理下春玉米（Zea may L.）不同层位叶片光谱反射率与氮含量作了相关分析,探讨了叶片水平上单波段光谱反射率（R）、单波段光谱反射率的对数（LgR）、双波段组合光谱反射率（R1+R2）、以及对数形式的双波段组合光谱反射率（LgR1+ LgR2）4种形式光谱参量对氮素营养诊断的可靠性。结果表明,第6片完全展开叶叶片光谱反射率与氮含量在可见光波段存在较高的负相关关系,以550和720 nm两波段组合的光谱参量（LgR550+LgR720和Lg(R550+R720)）建立的线性回归方程的拟合度最好;不同生育期应选择对养分盈亏敏感的叶片作为营养诊断的光谱监测目标,不同生育期叶片氮素营养的光谱敏感波段不同,应选择二者相关性高的波段,较为适宜的光谱参量形式与营养成分建立估算模型。研究表明,经对数处理后的光谱参量,无论是单波段还是双波段,拟合方程的精度都有不同程度的提高,且方程的稳定性也增强,说明对数形式的光谱参量提高了对氮素营养诊断的精确度。     

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)。     

供氮水平对雄性不育玉米物质生产和氮代谢的影响

在池栽条件下,比较了不同供氮水平下玉米细胞质雄性不育系（CMS）及其同型可育系碳氮代谢的差异。结果表明,两种供氮水平下,CMS玉米子粒产量和收获指数均高于其同型可育系（P0.05）,生物产量差异不显著（P0.05）,根量较多,根/冠比高于其可育系（P0.05）。CMS玉米保绿性好,净同化率高,果穗叶光合速率生育后期优势明显。果穗叶硝酸还原酶（NRase）、谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸脱氢酶（GDH）活性均具有较高活性,两种供氮水平下都表现出相对优势;其叶片、茎秆和根中氮百分含量和氮积累量都表现出花后0—20 d较高,生育后期较低的特点。CMS玉米的氮素转运多,贡献率和氮利用效率高,且不施氮水平下优势更为明显。说明雄性不育植株光合碳生产和果穗叶氮代谢能力强,促进了植株对氮素的转运和利用,有利于子粒灌浆充实和产量提高。     

基于无人机图像参数对滴灌条件下玉米氮素营养的动态诊断

于2018和2019年在宁夏平吉堡农场进行滴灌水肥一体化氮肥梯度试验，以天赐19为试验材料，设6个氮素水平，即 0 （N0）、90（N1）、180（N2）、270（N3）、360（N4）和450（N5）kg·hm⁻²，在玉米拔节期（V6）、小喇叭口期（V10）、大喇叭口期（V12）、吐丝期（R1）和乳熟期（R3）利用无人机搭载数码相机获取玉米冠层图像，利用Matlab编写代码开发的数字图像识别系统提取玉米冠层图像红光值R、绿光值G、蓝光值B，研究基于此计算的10个冠层图像参数指标与氮素营养指标间的相关性，筛选出稳定性好且敏感度高的图像色彩参数，构建玉米氮素营养诊断指标与图像参数间关系模型并进行验证，以探究利用无人机图像进行宁夏引黄灌区滴灌玉米拔节-乳熟期氮素营养动态估测的可行性。结果表明：冠层图像参数指标绿光与红光比值(G/R)、绿光标准化值（NGI）、红绿蓝植被指数(RGBVI)与植株氮含量和叶片氮含量相关性高且变异系数小，可作为氮素营养诊断的潜在最佳色彩参数；将最佳色彩参数与植株氮含量和叶片氮含量分别进行回归模型构建，幂函数模型可以更好地预估玉米氮素营养状况；利用2019年相同氮素试验进行模型验证，发现NGI与植株氮浓度和叶片氮浓度实测值与估测值的R2分别为0.738和0.689，检验指标RMSE为2.594和3.014，nRMSE为13.125%和13.347%，预测精度和准确性高于G/R和RGBVI。故选择NGI作为滴灌玉米拔节−乳熟期氮素营养动态诊断的最优参数，参数NGI与植株氮浓度的关系模型（N_P=4.967×106NGI^14.26）R²为0.707，与叶片氮浓度的关系模型（N_L=1.707×106NGI^12.88）R²为0.654。说明应用无人机图像技术可以较好地对宁夏引黄灌区玉米拔节−乳熟期氮素营养状况进行动态估测，构建的氮素营养诊断模型可为宁夏引黄灌区滴灌玉米氮肥精准配施提供理论依据。     

基于鲜叶光谱估测氮素营养的新植被指数(英)

采用田间试验的方法开展利用鲜叶光谱反射率估测水稻氮素营养状况的研究.基于氮素在水稻不同功能叶片之间运转规律的机理,文章重点分析了第一和第三完全展开叶红边斜率和红边位置的变化,并基于红边位置和红边斜率构建了一个新的植被指数(命名为"红边曲线肩夹角植被指数",简称为RSAVI)监测水稻氮素营养状况.为了证明RSAVI在监测水稻氮素营养状况的可行性,分析了不同生育时期氮素含量和RSAVI之间的相关性.结果表明RSAVI和叶片氮素含量显著相关,相关系数介于0.867～0.938之间.并且RSAVI和氮素含量之间建立的回归模型以多项式模型效果最佳.决定系数介于0.7512～0.8796之间,模型均通过0.01水平检验.因此研究结果表明,在本次试验中使用RSAVI估测水稻氮素营养是可行的.     

基于成像光谱技术的寒地玉米苗期冠层氮含量预测模型

为了探索寒地玉米冠层氮素含量,以不同氮素水平下玉米大田试验为基础,利用高光谱成像技术探讨苗期玉米冠层光谱,通过相关矩阵法选择植被指数的变量,并依据叶片氮素含量与植被指数的相关性,建立玉米冠层氮素含量预测模型。结果表明:根据玉米冠层高光谱图像,选择与各波段相关性较强的525、566、700、715、895 nm作为植被指数的变量,构建与氮素含量相关性强的植被指数归一化植被指数NDVI(normalized difference vegetation index)、归一化光谱植被指数NDSI(normalized difference spectral index)、比值光谱指数RSI(ratio spectral index)、差值光谱指数DSI(difference spectral index)。以与叶片氮素含量相关性较高的植被指数为自变量,建立单变量、多变量回归预测模型。采用单变量NDVI二次函数回归模型作为0、50 kg/hm~2施氮量下玉米冠层氮素含量预测模型,其R~2分别为0.719、0.803。在100 kg/hm~2施氮量下玉米冠层氮素含量的预测模型为3变量回归模型,其R~2达到0.657。用置信椭圆F检验法检验预测模型,其F值均小于F0.05,估测值与实测值间R2分别是0.724、0.798、0.655,标准误差RMSE分别为0.156、0.140、0.156 mg/g,表明实测值和估测值间的差异不明显,预测模型可用。     

基于包络线消除法的油菜氮素营养高光谱评价

该文将广泛应用于岩矿高光谱分析中的包络线消除法借用至鲜叶片的光谱分析及作物氮素营养状况评价。利用油菜主要生育期的不同氮处理下鲜叶片反射光谱及全氮含量数据,对鲜叶片可见光波段反射光谱进行包络线消除处理,以及吸收特征与叶片全氮含量的统计分析。结果表明:在可见光区域,叶片反射率随着施氮量的增加而减小,包络线消除处理扩大了原始反射光谱中由氮素胁迫引起的吸收特征微小变化。在油菜的苗期、现蕾期至开花始期三个生育期中,550～750 nm波段的红光吸收峰总面积、吸收峰左面积和吸收峰右面积均随着施氮量的增加而增大,面积归一化最大吸收深度均随着施氮量的增加而减小。相关分析表明,苗期叶片全氮含量与吸收特征参量相关性最为密切。进一步基于各光谱吸收特征参数建立了油菜氮素营养的评价模型,这些评价模型除现蕾期外,其他均达到了1%的极显著性水平。研究表明,利用包络线消除法为定性和定量评价油菜氮素营养是可行的,苗期是利用光谱吸收特征来定量评价油菜氮素营养的最佳生育期。     

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。     

无人机搭载数码相机航拍进行小麦、玉米氮素营养诊断研究

精准施肥是减少农业面源污染的重要技术之一,而土壤养分测试与作物营养诊断是其实施的技术保障,特别是在农业规模化经营方式下,急需发展快速、经济、无损的作物氮素营养诊断技术。本文在应用数字图像进行冬小麦、夏玉米氮素营养诊断研究的基础上,将数码相机搭载到无人机上,利用无人机航拍技术采集作物冠层数字图像,研究不同航拍高度下冠层图像相关色彩参数反演冬小麦和夏玉米氮素营养状态的差异,以确定适宜的航拍高度与敏感的色彩参数,建立利用无人机航拍数字图像诊断冬小麦和夏玉米氮素营养状态模型。研究结果表明:在冬小麦拔节期适宜的航拍高度是16 m,敏感的色彩参数是可见光大气阻抗植被指数(VARI),诊断模型为:冬小麦茎基部硝酸盐浓度=2.103 4e18.874VARI;夏玉米大喇叭口期适宜的航拍高度是50 m,敏感色彩参数是蓝光标准化值[B/(R+G+B)],诊断模型为:夏玉米第1完全展开叶叶脉硝酸盐浓度=1.526?1032?[B/(R+G+B)]50.445。依据建立的航拍方法与诊断模型,分别对冬小麦、夏玉米进行了氮素状态监测的验证,结果表明诊断结果与冬小麦、夏玉米实测数据的决定系数分别为0.80和0.85,且均在P0.01水平显著相关。最后将研究结果进行应用,生成了冬小麦、夏玉米氮肥追肥作业图。利用无人机搭载数码相机对冬小麦、夏玉米进行氮素营养诊断简单、可行,但仍有一些技术细节需要完善,以提高该技术的实用性。     

关中平原不同降雨年型夏玉米临界氮稀释曲线模拟及验证

过量施氮和降雨变率大是陕西关中平原夏玉米种植中常见的2大问题,临界氮稀释曲线模型是诊断作物氮营养状况的有效手段。该研究选取关中平原主栽的6个夏玉米品种,设置了N0（0）、N1（86 kg/hm2）、N2（172 kg/hm2）和N3（258 kg/hm2）共4个施氮水平,在2013年（生育前期正常,后期大旱）和2014年（生育前期大旱,后期偏涝）这2种降雨年型下构建和验证了基于全生育期干物质的夏玉米临界氮稀释曲线。结果表明：2 a条件下临界氮浓度与地上生物量均符合幂指数关系,但模型参数存在部分差异,基于临界氮稀释曲线所建立的氮营养指数可用来诊断夏玉米氮盈亏状态,诊断结果表明氮营养指数均随着施氮量的增加而增加,且年型之间存在差异,最优施氮量介于86～172 kg/hm2之间。制定不同降雨年型下夏玉米临界氮稀释模型对于指导精确施氮及生育季氮诊断具有重要的意义。     

基于手机相机获取玉米叶片数字图像的氮素营养诊断与推荐施肥研究

本文利用手机相机获取玉米6叶期和9叶期的冠层图像,对图像进行色彩参数的提取与处理,分析了不同生长时期、不同品种间色彩参数的差异性,以及色彩参数与传统玉米氮素营养指标的相关性,选择出适宜的敏感色彩参数,对色彩参数与氮素营养指标进行拟合建模,建立了玉米氮素营养诊断体系,并推荐了不同产量目标下的施肥量,为实现利用智能手机田间拍照进行氮素营养诊断和精准推荐施肥提供参考。结果表明,在玉米6叶期,冠层图像色彩参数与传统氮素营养指标间的相关性优于9叶期,可作为应用数字图像分析技术进行氮素营养诊断的诊断时期;不同品种玉米的冠层图像色彩参数间无显著差异。B/(R+G+B)和G/(R+G+B)与传统氮素诊断指标——叶片SPAD值、第1完全展开叶叶脉硝酸盐浓度均显著相关,且B/(R+G+B)更为敏感,因此可作为玉米氮素营养诊断的色彩参数指标,诊断方程为:玉米叶脉硝酸盐浓度=1.73×10~(10)×[B/(R+G+B)]~(9.43)。并依此给出了不同B/(R+G+B)值下的玉米营养状况以及不同目标产量下的推荐施氮量。本研究结果可为基于手机相机开展玉米氮素营养诊断与推荐施肥技术的推广与应用提供技术支撑。     

叶绿素仪在夏玉米氮营养诊断中的应用

叶绿素仪(SPAD-502)的出现使通过无损伤的田间速测对作物进行氮营养诊断成为可能。采用简单的试验和研究方法在田间条件下研究了叶绿素仪应用于夏玉米氮营养诊断的可行性。研究结果表明,应用叶绿素仪监测夏玉米氮营养状况的最佳测定部位为最上部完全展开叶的中部,该部位叶绿素仪测定值与作物全氮、施氮量及产量之间均有较好的相关性。由于作物品种对叶绿素测定影响很大,需要通过相对叶绿素仪读数的方法对其进行校正,校正后叶绿素仪对夏玉米追肥推荐中营养状况的预测精度为66.7%。     

镉污染水稻土中水稻氮素营养的SPAD诊断

治理和安全利用重金属污染水稻土过程中,氮素营养的快速诊断是制定合理施肥措施的基础。叶绿素测定仪SPAD已广泛应用于非污染耕地土壤中玉米、小麦和棉花等作物的氮素营养诊断,然而针对镉污染条件下的不同类型水稻土,SPAD在诊断水稻氮素营养的适应性方面仍然缺乏系统研究。本研究采集了我国水稻主产区的21种典型水稻土,以德农2000为供试水稻品种,设置无镉污染、轻度镉污染、重度镉污染处理的水稻盆栽试验,研究水稻叶片SPAD值对镉污染水稻土氮素供应诊断和水稻产量预测的能力。结果表明:水稻土类型影响了水稻叶片SPAD值对不同水平镉污染的响应,土壤p H是主控因子,其相对影响的平均值为20%。水稻叶片SPAD值与不同生育期水稻籽粒氮素含量显著正相关,其中拔节期的相关系数最大;同时水稻叶片SPAD值与水稻营养生长期(苗期至拔节期)土壤溶液总氮和铵态氮含量呈显著正相关,且不受镉污染程度和土壤类型的影响。总体上,不同生育期(尤其是拔节期)水稻叶片的SPAD值可以表征镉污染条件下不同类型水稻土氮素养分供应对水稻氮素营养的影响。     

甜瓜主茎叶不同叶位SPAD值空间分布与氮素营养诊断

在设施栽培条件下,研究甜瓜关键生育期不同叶位SPAD值的变异特征及与叶片、植株氮素含量的相关性,探索提出基于SPAD仪诊断氮素营养最佳的测定叶位。结果表明,在各施氮水平下,不同叶位间叶片SPAD值存在一定差异,各叶位叶片SPAD值随施氮量的增加而增加。在适宜施氮(N 210 kg/hm~2)水平下,各生育期顶3叶和顶4叶SPAD值变异系数显著低于顶1叶和顶2叶,不同叶位叶片SPAD值与叶片、植株含氮量有较好的相关性,其中顶3叶与叶片、植株含氮量相关性最高。因此,用叶绿素SPAD仪诊断甜瓜氮素营养,顶3叶为较理想的指示叶或参照叶。     

氮素营养调控小麦旗叶衰老和光合功能衰退的生理机制

研究表明,氮素营养提高了旗叶老化过程中的叶绿素含量和光合速率,延缓了叶片衰老和光合功能衰退,增加了旗叶内细胞分裂素类物质（ZRs）含量,减少了促表激素ABA的累积量。氮素处理使旗叶老化过程中光合机构的RuBPcase活性和PS1、PS2活性均得以增加,但氮素对RuBPcase活性下降的延缓效果更为明显,相对增加了叶片老化过程中RuBPcase活性与PS1和PS2活性的比值,使光合机构光反应与暗反应之间的平衡状况得到改善,过剩还原力减少。此外,氮素营养使旗叶老化过程中超氧阴离子（O2-）的产生速率降低,H2O2的累积量减少,并提高细胞中活性氧清除酶SOD和CAT的活性。氮素营养可能主要通过调节细胞内的激素平衡,以及改善光合机构的自身运转平衡状况,减少了细胞中对生物体具有强烈伤害的活性氧的产生速率及其累积数量、提高了活性氧清除酶的活力,由此在很大程度上延缓了旗叶的衰老和光合功能衰退,延长了旗叶的光合功能期。     

接种丛枝菌根真菌对玉米小斑病发生的影响

采用磷高效（181）和磷低效（197）两个玉米基因型研究了接种丛枝菌根（AM）真菌对玉米小斑病发生的影响。结果表明:玉米苗期的发病等级与地上部磷浓度呈极显著负相关,说明磷营养的改善是降低小斑病发病率的原因之一。在供磷不足（施磷量为20和50 mg/kg）时,两个玉米基因型小斑病发病率均最高,此时接种AM真菌显著提高了磷低效基因型197的地上部磷浓度、降低了其小斑病发病指数;而对磷高效基因型181接种AM真菌未显著提高地上部磷浓度,因而接种AM真菌对其小斑病的抗性影响不显著。以上结果表明接种AM真菌能够提高玉米对小斑病的抗性,其机理与改善磷营养状况有关。     

不同基因型糯玉米氮素吸收利用效率的研究 II.氮素积累动态的基因型差异

为了解糯玉米氮素积累进程的变化规律,阐明不同生育时期氮素积累的基因型差异及其对产量形成的作用,分析了31个糯玉米品种在同一施氮水平下四叶期、拔节期、大口期(12叶期)、开花(吐丝)期、鲜穗采收期和成熟期的植株氮素积累量。结果表明,植株氮素含量随生育进程逐渐下降,植株氮素积累量随生育进程的增加呈不对称的S型曲线变化,可用Richards方程拟合。不同品种各生育时期的氮素含量和积累量均存在显著差异。鲜穗高产品种主要在大口至开花阶段增加了吸氮量;而鲜子粒及成熟子粒高产品种主要在大口至开花,其次在开花至鲜穗采收阶段增加了吸氮量。通径分析表明,氮素积累过程主要影响氮素积累总量的高低,而对氮素利用效率影响较小。氮素积累过程S型曲线的Richards方程特征参数品种间差异显著。最大积累速率大、活跃积累期长、快增期的积累速率大和持续时间长对提高品种的氮素吸收总量有利。属于高产、氮素吸收量大、氮素利用效率高的基因型有6个品种,其大口至开花及开花至鲜穗采收阶段的吸氮量平均值分别为1.136和0.554.g/plant,比其它品种分别高24.3%和37.8%;最大积累速率和快增期的积累速率分别为0.068和0.059.g/(d.plant),比其它品种分别高15.8%和15.9%。活跃积累期和快增期的持续时间平均值分别为63.4和29.5.d,比其它品种分别延长了1.9和0.9d。