水稻冠层反射光谱特征与籽粒品质指标的相关性研究

系统分析了水稻籽粒加工品质、外观品质、营养品质等与水稻冠层反射光谱特征之间的相关性。结果表明,成熟期冠层反射光谱指数与水稻籽粒加工品质呈显著负相关,尤其是1650 nm和660 nm的比值和归一化组合,决定系数高达0.8以上。籽粒的外观品质与冠层光谱特征之间的关系不明显。籽粒蛋白质含量则与大多数生育时期的冠层光谱比值指数和归一化指数呈极显著相关,相关系数多在0.80以上;而淀粉含量与灌浆盛期的710 nm和660 nm的比值和归一化组合相关性最好。说明通过遥感手段来预测水稻籽粒的加工品质和营养品质指标是可行的。     

有机肥化肥配施的双季晚稻群体冠层光谱特征研究

以不同施肥模式为基础,分析了晚稻群体冠层光谱反射率、一阶微分光谱和归一化光谱特征,并对叶片氮含量、氮积累量、产量、叶面积指数和叶干物质积累进行了相关性分析,构建了以高光谱特征参数为自变量的水稻氮素营养诊断模型。结果表明,叶片氮素含量与665 nm处冠层光谱反射率呈极显著相关性(p0.001),与554 nm和672 nm处的一阶微分光谱也呈极显著相关性(p0.001);以λr构建的指数函数y=684.91e0.028x,决定系数(R2)为0.90、(SDr-SDb)/(SDr+SDb)构建的指数函数y=0.66e0.11x,决定系数(R2)为0.88,均能很好地诊断在有机肥和无机肥配施模式下的水稻氮素营养。     

基于连续投影算法和光谱变换的冬小麦生物量高光谱遥感估算

为探索基于全波段冠层高光谱以及变换光谱的冬小麦地上部生物量的遥感估算方法,以2016、2017年冬小麦田间试验为基础,通过对冠层光谱和地上部生物量的相关性分析,筛选拔节期、抽穗期的冬小麦冠层光谱、一阶导数光谱、对数变换光谱和连续统去除光谱对地上部生物量的敏感波段,并结合偏最小二乘法(PLS)分别建立拔节期和抽穗期基于SPA算法的冬小麦地上部生物量估测模型,再与基于任意两波段组合的最佳归一化光谱指数、比值光谱指数、差值光谱指数和已报道光谱指数的冬小麦地上部生物量估测模型进行比较。结果表明：(1)SPA算法较好地利用了全波段冠层光谱信息,并显著降低了光谱维度,不同变换光谱的地上部生物量敏感波段个数在4~14之间;(2)拔节期和抽穗期冠层光谱与地上部生物量的相关性高于开花期和灌浆期,各生育时期一阶导数光谱与地上部生物量之间的相关性优于连续统去除光谱、对数变换光谱和光谱指数;(3) 利用抽穗期一阶导数光谱敏感波段建立的预测模型和验证模型达到了较高的精度,其预测模型的决定系数和均方根误差分别为0.78和0.87 t·hm^-2,验证模型的决定系数和均方根误差分别为 0.84和0.69 t·hm^-2,预测相对偏差为2.74。这说明,抽穗期是估算地上部生物量的最佳生育时期,且基于冠层一阶导数变换光谱,结合连续投影算法和偏最小二乘回归方法所构建抽穗期地上部生物量估算模型具有最优的精度和预测能力,可用于地上部生物量的定量估算。     

长江中下游生态区大豆生长性状及产量的冠层高光谱偏最小二乘回归预测

高光谱遥感能够快速无损地估测作物生长性状及产量,这为作物规模化育种的田间评价与选择提供了高效手段。选用生育时期相似、生长性状有差异的52份大豆品种(系)进行2年田间试验,在盛花期(R2)、盛荚期(R4)及鼓粒初期(R5)测定大豆冠层反射光谱,同步测定大豆叶面积指数(LAI)和地上部生物量(ABM),收获后测定产量。针对不同生育时期冠层光谱与生长性状及产量进行偏最小二乘回归(PLSR)分析。结果表明:不同生育时期LAI的PLSR模型可以解释LAI总变异的54.4%~61.0%;不同生育时期ABM的PLSR模型可以解释ABM总变异的65.5%~67.0%;R5期是利用冠层光谱估测产量的最佳生育时期,其PLSR模型可以解释产量总变异的66.1%。本研究结果可望为大豆规模化育种中大量试验材料的田间长势监测和产量估测提供快速无损预测的技术支持。     

水稻不同发育时期高光谱与叶绿素和类胡萝卜素的变化规律

通过大田和室内试验,测定了2个品种、3个供氮水平处理的水稻冠层、完全展开倒1叶、倒3叶和穗在不同发育时期的高光谱反射率及对应叶片和穗的叶绿素、类胡萝卜素含量。结果表明,不同供氮水平的水稻冠层和叶片光谱差异明显,冠层光谱反射率随发育期推迟,抽穗前在可见光范围逐渐降低、在近红外区域逐渐增大,抽穗后在可见光范围逐渐增大,在近红外区域逐渐降低;抽穗后,冠层、叶片和穗光谱的红边位置存在“蓝移”现象;叶片叶绿素、类胡萝卜素含量呈S形变化;高光谱植被指数R990/R553、R1200/R553、R750/R553、R553/R670、R800/R553、R800/R680、（R800-R680）/（R800+R680）［R为反射率,下标为对应波长值（nm)］和红边位置λred与叶绿素、类胡萝卜素含量之间存在极显著相关,说明能用它们来估算水稻冠层、叶片和穗的叶绿素、类胡萝卜素含量。     

臭氧胁迫对不同敏感型水稻干物质积累与分配的影响

【目的】研究臭氧胁迫对不同敏感型水稻物质生产与分配的影响,为耐性水稻品种的选育提供参考。【方法】利用自然光气体熏蒸平台,以23个水稻品种或株系为供试材料,设置室内对照(臭氧浓度为10 n L/L)和臭氧浓度增高臭氧浓度为(100 n L/L)处理,研究臭氧胁迫对水稻成熟期地上部物质积累与分配的影响及其与最终生长量响应的关系。采用组内最小平方和的动态聚类方法,将所有供试材料按地上部最终生物量对臭氧胁迫的响应从小到大依次分为A、B和C三类不同敏感型水稻。【结果】与对照相比,臭氧胁迫使A、B和C类水稻成熟期地上部干质量平均分别下降19%、39%和52%,B和C类达极显著水平。臭氧胁迫使A类水稻成熟期叶片干质量略增,但使B类(-11%)、C类水稻(-25%)极显著下降。臭氧胁迫下A、B和C类水稻的茎秆和稻穗干质量均显著或极显著下降,其中茎秆干质量分别下降26%、41%和57%,稻穗干质量分别下降34%、59%和62%。臭氧胁迫使叶片占地上部干质量的比例大幅增加(+46%),而茎秆(-8%)和稻穗(-24%)占地上部干质量的比例极显著下降。臭氧处理与水稻类型对上述参数均有不同程度的交互作用,表现为A类水稻对臭氧的响应明显小于其他两类水稻。【结论】100 n L/L臭氧浓度严重影响水稻器官建成,减少光合产物向茎秆和稻穗的分配比例,但使叶片干质量比例大幅增加,臭氧熏蒸还导致茎秆机械强度明显下降。这些变化敏感水稻总体上较钝感类型水稻表现更为明显。     

基于卫星遥感的冬小麦拔节期长势监测

为给小麦调优栽培提供信息支持,利用卫星影像信息结合地面试验数据,通过分析小麦拔节期叶面积指数、生物量以及植株氮素含量三个群体质量指标与植被指数之间的关系,建立了基于归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)的小麦群体质量指标监测模型.结果表明,NDVI与叶面积指数和植株氮素含量呈现显著的正相关关系(R2分别为0.8483和0.8238),与地上部生物量间的相关性未达显著水平(R2=0.7746).RVI与叶面积指数和植株氮素含量呈线性正相关(R2=0.7651和R2=0.78),而与地上部生物量呈显著线性正相关(R2=0.8277).利用不同的试验数据对所建模型进行了检验,监测值与实测值较为吻合,根均方差(RMSE)分别为0.19、106.13 kg·ha-1和0.136%,显示模型具有较好的监测性和通用性.因此,在拔节期可以利用NDVI对叶面积指数和植株氮素含量进行监测,对地上部生物量的监测则以利用RVI数据较好.     

夏玉米冠层反射光谱与植株水分状况的关系

通过不同夏玉米品种生育期内冠层叶片含水率与不同波段组成的比值指数(RVI)和归一化植被指数(NDVI)进行线性、指数、对数、幂函数以及多项式回归分析,研究不同品种夏玉米的冠层叶片和植株水分状况与反射光谱之间的相关关系。结果表明,冠层叶片和植株含水率与460～670nm范围内波段反射率均成负相关,与730～1260nm范围内波段反射率均成正相关。其中冠层叶片含水率与460、500、600、650、670nm范围内波段反射率均呈显著相关,而植株含水率与460、500、600、650、670、780、800、850、900、950、1050nm范围内波段反射率相关性也较高。冠层叶片含水率与归一化植被指数(NDVI)相关性均达到极显著水平,与比值指数(RVI)相关性中只有RVI(950,550)、RVI(850,730)、RVI(800,730)和RVI(780,730)4个波段呈极显著正相关。RVI与叶片含水率相关性以RVI(850,730)最优,NDVI与叶片含水率相关性以NDVI(1050,550)最优。植株含水率也与RVI和NDVI呈正相关,相关性均较好,但NDVI优于RVI。RVI与植株含水率相关性以RVI(800,500)最优,决定系数为0.8490;NDVI与植株含水率相关性以NDVI(780,650)最优,决定系数为0.8645。     

臭氧胁迫对不同敏感型水稻干物质积累与分配的影响

【目的】研究臭氧胁迫对不同敏感型水稻物质生产与分配的影响,为耐性水稻品种的选育提供参考。【方法】利用自然光气体熏蒸平台,以23个水稻品种或株系为供试材料,设置室内对照(臭氧浓度为10 nL/L)和臭氧浓度增高臭氧浓度为(100 nL/L)处理,研究臭氧胁迫对水稻成熟期地上部物质积累与分配的影响及其与最终生长量响应的关系。采用组内最小平方和的动态聚类方法,将所有供试材料按地上部最终生物量对臭氧胁迫的响应从小到大依次分为A、B和C三类不同敏感型水稻。【结果】与对照相比,臭氧胁迫使A、B和C类水稻成熟期地上部干质量平均分别下降19%、39%和52%,B和C类达极显著水平。臭氧胁迫使A类水稻成熟期叶片干质量略增,但使B类(–11%)、C类水稻(–25%)极显著下降。臭氧胁迫下A、B和C类水稻的茎秆和稻穗干质量均显著或极显著下降,其中茎秆干质量分别下降26%、41%和57%,稻穗干质量分别下降34%、59%和62%。臭氧胁迫使叶片占地上部干质量的比例大幅增加(+46%),而茎秆(–8%)和稻穗(–24%)占地上部干质量的比例极显著下降。臭氧处理与水稻类型对上述参数均有不同程度的交互作用,表现为A类水稻对臭氧的响应明显小于其他两类水稻。【结论】100 nL/L臭氧浓度严重影响水稻器官建成,减少光合产物向茎秆和稻穗的分配比例,但使叶片干质量比例大幅增加,臭氧熏蒸还导致茎秆机械强度明显下降。这些变化敏感水稻总体上较钝感类型水稻表现更为明显。     

基于光谱指数的冬小麦冠层叶绿素含量估算模型研究

为探索对冬小麦冠层叶绿素含量反应敏感的高光谱波段组合,同时比较不同光谱指数对小麦冠层叶绿素含量的估测效果,通过分析350~2 500nm波段范围内原始光谱反射率及其一阶导数光谱的任意两两波段交叉组合而成的主要高光谱指数与冬小麦冠层叶片叶绿素含量的定量关系,建立冬小麦冠层叶绿素含量估算模型。结果表明,选用归一化光谱指数(NDSI)、比值光谱指数(RSI)、差值光谱指数(DSI)和土壤调节光谱指数(SASI)建立的冬小麦冠层叶绿素含量监测模型决定系数均大于0.71,标准误差均小于1.842。利用独立试验资料进行检验,表现最好的是RSI(FD_(689),FD_(609))和SASI(R_(491),R_(666))L=0.01,预测精度高达98.2%,模型精确度和可靠性较高。     

不同株型水稻对无芒稗的生态控制研究

以不同株型的水稻品种(组合)为材料研究了混栽其中的无芒稗［Echinochloa crusgalli(L.) Beauv.var.mitis (Pursh) Peterm.］的生长状况。高秆大冠层株型水稻品种Ⅱ优2070显著降低移栽稻田无芒稗株高、叶面积指数、植株干物质、分蘖数、穗长和穗粒数。水稻对无芒稗的竞争力,以高秆大冠层株型最强,中秆中冠层株型次之,矮秆小冠层株型最弱。在无芒稗50株/m2干扰下,高秆大冠层株型水稻各产量因子下降不明显,而矮秆小冠层株型粳糯稻各产量因子显著下降,平均减产40%。     

冬小麦冠层降水截留性能研究

为定量分析冬小麦冠层降水截留量,采用"简易吸水法"分别研究了冬小麦单茎和群体的冠层截留性能,并对其影响因素进行了探讨。结果表明,在冬小麦抽穗前,叶数对单茎截留量影响显著(P<0.05),而对截留率影响不明显。在叶数相同条件下,单茎截留量在不同生育期间差异显著(P<0.01)。冬小麦单茎截留量随叶面积的增大而增大,而叶面积对截留率影响不显著。冬小麦单茎截留量与株高、鲜重呈线性正相关,相应截留率则与株高、鲜重呈线性负相关;群体截留量与叶面积指数(LAI)、地上部生物量呈线性正相关,相应截留率则与LAI、地上部生物量呈线性负相关。从拔节至成熟,冬小麦冠层截留量先增加后减少,最大冠层截留量出现在抽穗期(1.28mm),且不同生育期截留量差异极显著(P<0.01);相应截留率在不同生育期的变化无规律,各生育期间差异不显著。     

Analysis of Common Canopy Reflectance Spectra for Indicating Leaf Nitrogen Concentrations in Wheat and Rice

Abstract

Non-destructive monitoring and diagnosis of plant nitrogen (N) concentration are of significant importance for precise N management and productivity forecasting in field crops. The present study was conducted to identify the common spectra wavebands and canopy reflectance spectral parameters for indicating leaf nitrogen concentration (LNC, mg N g-¹ DW) and to determine quantitative relationships of LNC to canopy reflectance spectra in both rice (Oryza sativa L.) and wheat (Triticum aestivum L.). Ground-based canopy spectral reflectance and LNC were measured with seven field experiments consisting of seven different wheat cultivars and five different rice cultivars and varied N fertilization levels across three growing seasons for wheat and four growing seasons for rice. All possible ratio vegetation indices (RVI), difference vegetation indices (DVI), and normalized difference vegetation indices (NDVI) of key wavebands from the MSR16 radiometer were calculated. The results showed that LNC of wheat and rice increased with increasing N fertilization rates. Canopy reflectance, however, was a more complicated relationship under different N application rates. In the near infrared portion of the spectrum (760?1220 nm), canopy spectral reflectance increased with increasing N supply, whereas in the visible region (460?710 nm), canopy reflectance decreased with increasing N supply. For both rice and wheat, LNC was best estimated at 610, 660 and 680 nm. Among all possible RVI, DVI and NDVI of key bands from the MSR16 radiometer, NDVI(1220, 610) and RVI(1220, 610) were most highly correlated to LNC in both wheat and rice. In addition, the correlations of NDVI(1220, 610) and RVI(1220, 610) to LNC were found to be higher than those of individual wavebands at 610, 660 and 680 nm in both wheat and rice. Thus LNC in both wheat and rice could be indicated with common wavebands and vegetation indices, but separate regression equations are necessary for precisely describing the dynamic change patterns of LNC in wheat and rice. When independent data were fit to the derived equations, the root mean square error (RMSE) values for the predicted LNC with NDVI(1220, 610) and RVI(1220, 610) relative to the observed values were 10.50% and 10.52% in wheat, and 13.04% and 12.61% in rice, respectively, indicating a good fit. These results should improve the knowledge on non-destructive monitoring of leaf N status in cereal crops.     

灌溉方式对湘南双季稻产量的影响机制研究

为探索适宜湘南双季稻的灌溉方式,以早稻中嘉早17和晚稻盛泰优018为材料,比较研究了淹水灌溉、间歇灌溉、湿润灌溉3种灌溉方式对湘南双季稻产量的影响,并从根系形态、叶面积指数、叶绿素含量(SPAD值)、干物质积累与转运等方面探讨了其影响机制。结果表明,间歇灌溉处理2季总产最高,达15.55 t/hm²,分别较淹水灌溉和湿润灌溉处理增产8.59%和10.44%;灌溉方式显著影响水稻产量构成因素,间歇灌溉处理成穗率、有效穗数和结实率显著高于另2个处理;灌溉方式影响水稻源特性,叶面积指数、叶片SPAD值、干物质积累量均以间歇灌溉处理最大,且水稻生育中后期叶面积指数、叶片SPAD值、单穴根鲜重、单穴根干重和单穴根体积降幅均以间歇灌溉处理最小;灌溉方式影响水稻物质转运,茎鞘与叶片物质输出率均以间歇灌溉处理最大。可见,间歇灌溉通过扩库、增源、提高茎鞘与叶片物质输出率实现双季稻增产,可在湘南双季稻区推广应用。     

基于高光谱遥感的小麦籽粒产量预测模型研究

为了确立能够准确预测小麦籽粒产量的敏感光谱参数和定量模型,于2003～2006年连续3个生长季,通过不同小麦品种和不同施氮水平的4个大田试验,在小麦不同生育期采集田间冠层高光谱数据并测定植株氮含量、重量和叶面积指数及成熟期籽粒产量,定量分析小麦籽粒产量与冠层高光谱参数的相互关系.结果显示,小麦籽粒产量随施氮水平的提高而增加,不同地力水平间存在显著差异.灌浆前期叶片氮积累量和叶面积氮指数均能够较好地反映成熟期籽粒产量状况,而叶片氮含量和氮积累量及叶面积氮指数在拔节～成熟期的累积值与成熟期籽粒产量的回归拟合效果更好.对叶片氮含量和氮积累量及叶面积氮指数的光谱反演,在不同品种、氮素水平和年度间可以使用统一的光谱参数.根据"特征光谱参数-叶片氮素营养-籽粒产量"这一技术路径,以叶片氮素营养为交接点将模型链接,建立了基于灌浆前期高光谱参数及拔节期～成熟期特征光谱指数累积值的小麦籽粒产量预测模型.经两年独立试验数据检验表明,利用灌浆前期关键特征光谱指数可以有效地评价小麦成熟期籽粒产量状况,拔节～成熟期特征光谱指数的累积值能够稳定预报不同条件下小麦成熟期籽粒产量的变化.因此,利用冠层特征光谱指数可以快速无损地预报小麦成熟期籽粒产量.     

麦茬复种饲料油菜的播种量对其生长性状的影响

通过田间小区试验，研究在麦茬复种条件下，不同播量的油菜株高、鲜重、干重、叶面积指数和净同化率的动态变化规律。结果表明，麦茬复种油菜地上生物产量的累积规律为幼苗期缓慢，蕾薹期最快，开花后减缓，基本符合“S”型生长曲线。高密播种能极显著提高复种油菜地上部干重、鲜重及其日生长量，以播量11.5kg/hm2处理为最优。增加播种量能明显提高复种油菜叶面积指数以及群体同化率。不同播种密度下，油菜生长期与其生长指标数学方程拟合为：干重y = k/(1+ae-bx)，叶面积指数y = a+bx+cx2，其它指标均为y = a+bx+cx2+ dx3，其拟合度均达极显著性水平。     

水稻叶龄与叶面积指数动态的模拟研究

 依据不同类型品种的播期试验和氮肥试验结果,建立了水稻叶龄与叶面积指数(LAI)的模拟模型。叶龄模型采用幂函数描述叶片出生与播后累积热时间(TTS)的关系,TTS的计算定量了温度与出叶速率之间的非线性关系。叶面积指数模拟包括两个阶段:在指数生长阶段,LAI随播后累积生长度日(GDD)呈指数式增长,同时受到氮素营养水平调节;当LAI≥1.6时进入非指数生长阶段,采用比叶面积法模拟,LAI是比叶面积与绿叶干物质量的乘积。绿叶干物质量是绿叶分配指数与地上部干物质量的乘积,比叶面积(SLA)为GDD的函数,同时考虑植株氮素营养因子对SLA的影响。利用生态条件和栽培条件差异较大的试验资料对模型进行了验证。结果表明,模型能较好地模拟不同条件下叶片的出生动态和LAI变化动态,表现出较强的适用性,具有参数少、易确定、简便实用的特点。     

Basal internode elongation of rice as affected by light intensity and leaf area

Short basal internodes are important for lodging resistance of rice(Oryza sativa L.).Several canopy indices affect the elongation of basal internodes,but uncertainty as to the key factors determining elongation of basal internodes persists.The objectives of this study were(1)to identify key factors affecting the elongation of basal internodes and(2)to establish a quantitative relationship between basal internode length and canopy indices.An inbred rice cultivar,Yinjingruanzhan,was grown in two split-plot field experiments with three N rates(0,75,and 150 kg N ha−1 in early season and 0,90,and 180 kg N ha−1 in late season)as main plots,three seedling densities(16.7,75.0,and 187.5 seedlings m−2)as subplots,and three replications in the 2015 early and late seasons in Guangzhou,China.Light intensity at base of canopy(Lb),light quality as determined from red/far-red light ratio(R/FR),light transmission ratio(LTR),leaf area index(LAI),leaf N concentration(NLV)and final length of second internode(counted from soil surface upward)(FIL)were recorded.Higher N rate and seedling density resulted in significantly longer FIL.FIL was negatively correlated with Lb,LTR,and R/FR(P<0.01)and positively correlated with LAI(P<0.01),but not correlated with NLV(P>0.05).Stepwise linear regression analysis showed that FIL was strongly associated with Lb and LAI(R2=0.82).Heavy N application to pot-grown rice at the beginning of first internode elongation did not change FIL.We conclude that FIL is determined mainly by Lb and LAI at jointing stage.NLV has no direct effect on the elongation of basal internodes.N application indirectly affects FIL by changing LAI and light conditions in the rice canopy.Reducing LAI and improving canopy light transmission at jointing stage can shorten the basal internodes and increase the lodging resistance of rice.     

增氧模式对水稻光合特性及产量的影响

【目的】研究不同增氧模式对水稻光合特性和物质生产的影响,并探讨适宜不同生态型水稻品种生长以及提高其产量的增氧模式,进一步明确稻田根部增氧对水稻生长的作用,为水稻好氧栽培提供参考和理论依据。【方法】以中浙优1号(水稻)、IR45765-3B(深水稻)和中旱221(旱稻)3种不同生态型水稻品种为材料,设置增施过氧化钙(T_1)、微纳气泡水灌溉(T_2)和表土湿润灌溉(T_3)等不同增氧模式以及淹水对照(CK),分别测定水稻叶片光合特性、干物质积累量和产量等指标。【结果】增施过氧化钙和微纳气泡水灌溉处理增加了3个水稻品种主要生育期的叶片SPAD值、叶面积指数、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和干物质量,水稻有效穗数和结实率显著高于对照;表土湿润灌溉处理下,3个品种的叶片SPAD值、叶面积指数、光合参数和干物质量下降,结实率显著低于对照,但提高了叶片水分利用率。完熟期,增施过氧化钙处理下,中浙优1号、IR45765-3B和中旱221稻谷产量分别较对照增加了22.38%、18.27%和18.17%;微纳气泡水灌溉处理下,3个品种稻谷产量分别较对照增加了13.89%、10.67%和8.85%;表土湿润灌溉处理下,产量分别比对照减少5.86%、8.19%和6.16%。【结论】增施过氧化钙和微纳气泡水灌溉有助于提高水稻叶片叶绿素含量、叶面积指数和光合作用能力,并显著增加水稻干物质积累和产量;而表土湿润灌溉处理下,水稻水分供应不足,叶片光合作用及产量均有所下降。