不同生育期冬小麦光谱特征对叶绿素和氮素的响应研究

研究测定了不同施氮水平条件下冬小麦冠层在七个典型生育期叶片叶绿素、地上部分全氮含量以及冠层光谱,分析了单波段反射率、可见光和近红外波段组合而成的归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)与相应时期叶片叶绿素和地上部分全氮含量的相关性。结果表明,施氮量增加,两个农学参量、冠层近红外波段反射率都随之增加,但当施氮量增加到300kg hm-(2一次性施入)时,上述各项指标均降低;整个生长期中孕穗期在近红外区域反射率最高,与可见光波段反射率相差最大;除分蘖期外,其它时期单波段510nm～1100nm反射率、NDVI、RVI与叶绿素和全氮含量显著相关,植被指数的相关性较单波段高,且从分蘖期到乳熟期,相关性逐渐增强;整体来讲,可见光中560nm、660nm和近红外760nm、1100nm和1200nm组合的NDVI在各生育期与两个农学指标的相关性较好,选择NDVI(560,760)可以准确拟合叶片叶绿素和地上部分全氮含量。     

春玉米磷素营养的光谱响应及诊断

通过盆栽试验监测不同磷营养水平春玉米典型生育期叶片光谱变化,并对叶片光谱反射率与叶片磷含量做了相关分析。结果表明,春玉米大喇叭口期是磷素营养的光谱响应敏感期,3507～30.nm和14201～800.nm是磷素营养的光谱敏感波段。该生育期构建的单波段高光谱变量、窄波段光谱变量和宽波段光谱变量与叶片磷含量都存在显著或极显著的回归关系;窄波段光谱变量比值指数R6725/6256和R61745/15856与叶片磷含量的回归关系达到了极显著水平,R625/555达到显著水平。可见光波段光谱变量与磷含量的回归关系优于近红外波段光谱变量与磷含量的回归关系,表明可见光波段叶片光谱反射率可能更适合春玉米磷营养状况的评价。不同波段宽度的光谱变量分析表明,在敏感波段范围内,801～00.nm波段平均的叶片宽波段光谱反射率没有降低对叶片磷含量的估算精度。     

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。     

水稻冠层光谱反射特征及其与叶面积指数关系研究

在水稻试验小区,通过人为控制的方法造成施N水平的差异,对水稻整个生长期内冠层光谱进行了比较系统、密集的测定,并测定了水稻几个重要生育期的叶面积指数。结果表明:随着施N水平的提高,水稻冠层光谱在各生育期呈现出一定的规律性,在近红外部分(760 ~ 1220 nm),冠层光谱反射率随着施N水平的提高而升高,而在可见光部分(460 ~ 710 nm),水稻冠层的光谱反射率反而逐渐降低。冠层光谱经差异显著性检验发现:水稻灌浆期以前,对施N水平最为敏感的波段是绿光(560 ~ 610 nm)和近红外(710 ~ 760 nm)部分;转换为归一化植被指数(NDVI)以后,差异最显著的是 (R760 - R560) / (R760 R560)。对叶面积指数与冠层光谱反射率的相关分析结果表明:在水稻抽穗期以前,叶面积与冠层光谱反射率相关性较差;而抽穗期以后,二者有较好的相关性。     

氮磷互作水稻冠层氮素敏感光谱筛选研究

基于连续两年的水稻氮磷互作盆栽试验,于水稻拔节、抽穗、灌浆等主要生育时期同步测定了冠层反射光谱和水稻植株总氮含量,系统分析了350~1 330 nm波段范围内任意两波段组合而成的差值(DVI)、比值(RVI)及归一化(NDVI)光谱指数与植株总氮含量的关系,筛选了可用于氮磷互作环境下的最佳光谱指数,建立了估算模型,并与已有的水稻氮光谱反演指数进行了比较。结果表明:氮磷交互下水稻冠层光谱受氮素的影响明显高于磷素,呈现随施氮量的增加可见光区反射率下降,近红外区上升的规律;但对磷肥的响应受施氮水平的影响,施磷在缺氮情况下提高了可见光区和近红外区的反射率,不缺氮情况下却使可见光区反射率降低。与植株总氮含量相关性较好的波段组合基本不受植被指数构造形式的影响,表现较为稳定,主要分布在近红外(780~1 330 nm)/可见光(750~770 nm)区域、红边(640~700 nm)区域和可见光(450~500 nm)区域。但施磷与不施磷处理的总氮光谱指数敏感波段组合区域有所变化,施磷处理的敏感区域要小于不施磷处理,且相关性决定系数有所降低。存在对施磷不施磷处理都比较敏感的光谱指数区域,拔节、抽穗和灌浆期分别以RVI(FD719,FD740),NDVI(FD419,FD552),DVI(FD707,FD713)表现最佳,建模决定系数分别为0.87、0.80、0.87,几乎不受氮磷交互作用的影响,验证模型均方根误差分别为1.98、3.68、3.47。已有的氮光谱反演参数中则以m ND705、PRI、NDVI705表现最好,但其预测精度明显受磷肥作用的影响,尤其是在拔节期,不施磷处理下的精度要远低于施磷处理,且整体精度均低于本研究新选的氮光谱指数。因此,氮磷互作对水稻氮光谱反演指数的波段组合及预测精度产生影响,要提高氮素光谱诊断精度,需要根据情况选择适宜的光谱指数。     

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。     

干湿交替灌溉与施氮量对水稻叶片光合性状的耦合效应

【目的】探讨干湿交替灌溉与施氮量耦合对水稻光合性状及其效应的影响,从光合源及光合质方面阐明不同水氮组合处理在光合性状上的差异。【方法】以新稻20为材料进行土培试验,设置浅水层灌溉 (0 kPa)、轻度干湿交替灌溉 (–20 kPa) 和重度干湿交替灌溉 (–40 kPa) 3种灌溉方式及不施氮 (N0)、中氮 (MN, 240 kg/hm2) 和高氮 (HN, 360 kg/hm2) 3种氮水平,研究不同水氮耦合处理对水稻产量、叶片叶绿素含量、叶面积指数、叶片氮含量、净光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ的潜在活性和最大光化学效率的影响。【结果】灌溉方式与施氮量存在显著的互作效应,轻度干湿交替灌溉增加了主要生育期叶片叶绿素含量、氮含量、净光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ的潜在活性和最大光化学效率,提高抽穗后群体叶面积指数,且与MN耦合后产量最高,为本试验最佳的水氮耦合运筹模式;重度干湿交替灌溉则显著降低主要生育期叶片叶绿素含量、叶片氮含量、叶面积指数、净光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ的潜在活性和最大光化学效率;在同一灌溉方式下,中氮处理提高叶片净光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ的潜在活性和最大光化学效率,有利于穗后叶片叶绿素含量及叶面积指数提高,重施氮肥反而降低叶片光合及荧光效率。水稻叶片叶面积指数、光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ潜在活力及最大光化学效率与产量均呈显著或极显著的正相关关系。水稻主要生育期光合性状指标的供氮效应均为正效应,轻度干湿交替灌溉下主要生育期叶片叶绿素含量、氮含量、净光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ的潜在活性和最大光化学效率的供水效应及耦合效应均为正效应,而重度干湿交替灌溉的控水及耦合效应则为负效应。【结论】轻度干湿交替灌溉耦合中氮处理水稻叶片净光合速率、光合氮素利用率、PSⅡ的潜在活性和最大光化学效率提高,有利于穗后叶片叶绿素含量及叶面积指数形成,表明通过适宜的肥水调控发挥水氮耦合效应,可以创造良好的光合性状,提高水稻光合生产能力,从而促进水稻高产。     

氮肥对不同耐低氮性玉米品种花后物质生产及叶片功能特性的影响

为明确不同耐低氮性玉米品种花后物质生产及叶片功能特性,采用大田试验,以玉米耐低氮品种‘正红311’和低氮敏感品种‘先玉508’为试验材料,在6个氮水平下研究花后物质生产及叶片功能特性。结果表明:施氮可显著提高玉米干物质积累、叶面积指数和叶片光合速率,延缓花后叶片叶绿素含量和全氮含量的下降,抑制生育后期叶片C/N值的增加,从而提高玉米的最终产量。耐低氮品种‘正红311’花后干物质积累、叶片光合速率、叶面积指数和产量均显著高于低氮敏感品种‘先玉508’,‘正红311’较‘先玉508’平均提高30.5%、9.2%、35.0%和8.8%。两品种吐丝后叶片叶绿素含量差异显著,耐低氮品种‘正红311’平均较低氮敏感品种‘先玉508’提高4.85%。两品种吐丝后叶片氮含量差异不大,但‘正红311’和‘先玉508’吐丝?成熟期叶片全氮含量分别下降31.5%和34.9%,‘正红311’降幅低于‘先玉508’。两品种花后叶片C/N值差异显著,‘先玉508’较‘正红311’平均提高5.95%。与低氮敏感品种‘先玉508’相比,耐低氮品种‘正红311’花后叶片光合速率更高、叶面积指数更大,而叶片叶绿素含量和全氮含量降幅与C/N值增幅更低,延缓了生育后期叶片的衰老,延长了叶片的功能期,增加干物质积累和产量。施用氮肥可有效提高‘正红311’干物质积累、叶面积指数和产量,延缓其生育后期叶片C/N值升高,而‘先玉508’需要较高的施氮水平才能维持其花后叶片光合速率和全氮含量。     

不同氮浓度对温室番茄生长发育和叶片光谱特性的影响

营养液培养法研究不同氮浓度对温室番茄的生长发育及叶片光谱特性的影响。结果表明,在01~5 mmol/L范围内,随着营养液中氮浓度的增加,番茄的叶面积指数、株高、叶片数、花穗数、产量和叶片的吸光度都增大,但是超过一定的范围,植株的生长和发育均会受到抑制,说明适宜的氮素促进了植株的生长和发育。其中,处理N15的叶面积指数达到了3.0,叶片数和花穗数分别是26.7和7.0,均高于其它处理。不同处理间番茄产量均存在极显著的关系,以N15处理最高,N5的最低。从叶片的光谱图中可提取出与叶绿素有关的特征波段。在本试验条件下,番茄水培时营养液适宜的氮浓度为15 mmol/L。     

白术叶片对干旱胁迫的光谱特征响应

白术根茎膨大初期对轻度的土壤水分缺失具有一定的耐受性,但是过度干旱会抑制其根茎膨大及成分积累,因此,无损伤诊断该时期白术是否受到干旱胁迫至关重要。本文以2年生白术为试验材料,在根茎膨大初期控制土壤水分,形成不同程度的干旱胁迫,利用Uni Spec-SC光谱分析仪测定其光谱反射率,并结合光合色素含量,探讨白术叶片光谱特征对干旱胁迫的响应规律,为利用光谱参数监测白术生长状况提供技术依据。结果显示,随着干旱胁迫程度增加,可见光区域(400~750 nm)白术叶片光谱反射率升高,说明其光能吸收利用能力下降;但在750~1 000 nm的近红外波段,光谱反射率则逐渐平稳,在1 000 nm处,干旱胁迫下的全部叶片反射率均低于对照。微分光谱在680~750 nm间差异明显,并与叶绿素含量在700~750 nm间呈显著相关。同时,大多数光谱参数与色素含量呈显著相关(P0.05),尤其类胡萝卜指数(mCRI)、色素归一化指数(PSNDb)、红边位置(λ_(red))、红边幅值(D_(λ_(red)))、红边面积(S_(red))与之呈极显著相关(P0.01)。从上述结果可知,微分光谱680~750 nm可作为检测白术是否受到干旱影响的主要监测波段,红边参数、类胡萝卜指数及色素归一化指数可以作为重要指标,快速、准确、无伤害诊断白术受干旱胁迫程度。本研究结果可为应用反射光谱进行白术干旱胁迫程度诊断提供理论依据和技术支持。     

基于光谱特征参数的温室番茄叶片叶绿素含量预测

为了快速、准确估测温室番茄叶片叶绿素含量,提升作物精细管理水平,利用光谱分析技术研究了温室番茄不同生长阶段叶绿素含量和响应光谱的相关性,在幼苗营养生长阶段叶片叶绿素含量呈增长趋势,到移植50天前后达到最大值,在此期间反射光谱的红边会向红外方向（长波）偏移,同时绿峰向蓝光（短波）方向偏移,绿峰幅值减小。从结果期开始叶绿素含量呈下降趋势,而红边、绿峰及绿峰幅值向相反方向变化。为了定量分析叶绿素含量和叶片反射光谱间的关系,从自定义的68个光谱特征参数中提取了7个能反映叶绿素含量变化的最优参量,并使用逐步回归、岭回归、主成分分量回归和偏最小二乘回归消除了最优参量的多重共线性,建立了叶绿素含量预测模型,其中岭回归模型精度最佳,均方根误差（RMSE）为0.406,决定系数(R2)为0.839。     

基于GF-1卫星数据的冬小麦叶片氮含量遥感估算

以陕西关中地区大田和小区试验下的冬小麦为研究对象,探讨基于国产高分辨率卫星GF-1号多光谱数据的冬小麦叶片氮含量估算方法和空间分布格局。基于GF-1号光谱响应函数对地面实测冬小麦冠层高光谱进行重采样,获取GF-1号卫星可见光-近红外波段的模拟反射率,并构建光谱指数,利用与叶片氮含量在0.01水平下显著相关的8类光谱指数,分别建立叶片氮含量的一元线性、一元二次多项式和指数回归模型。通过光谱指数与叶片氮含量的敏感性分析,以及所建模型的综合对比分析,获取适合冬小麦叶片氮含量估算的最佳模型。结果表明:模拟卫星宽波段光谱反射率和卫星实测光谱反射率间的相关系数高于0.95,具有一致性;改进型的敏感性指数综合考虑了模型的稳定性、敏感性和变量的动态范围,敏感性分析表明比值植被指数对叶片氮含量的变化响应能力最强;综合模拟方程决定系数、模型敏感性分析、精度检验和遥感制图的结果,认为基于比值植被指数建立的叶片氮含量估算模型适用性最强,模拟结果与实际空间分布格局最为接近,为基于GF-1卫星数据的区域性小麦氮素营养监测提供了理论依据和技术支持。     

基于多光谱图像技术的番茄营养素诊断模型

为了快速、准确估测番茄营养水平和生长状态,利用多光谱图像分析技术研究了温室番茄营养素含量和图像特征的相关性。在日光条件下采集了温室番茄叶片多光谱图像,并采用多尺度Retinex算法有效地解决了叶片平整度差异造成的图像质量退化问题。从颜色模型、比值植被指数和归一化差值植被指数出发,自定义了49个多光谱图像特征参数。结合相关性分析和系统聚类分析消除了多光谱图像特征参数的多重共线性,并提取了4个能反映叶绿素含量(SPAD指数)和全氮含量预测模型,其中SPAD指数模型的决定系数(R2)为0.8668,均方根误差(RMSE)为3.997;全氮模型的R2为0.7284,RMSE为0.5130。     

应用IKONOS卫星影像监测冬小麦氮营养状况

应用从高精度卫星影像获取的光谱植被指数和单波段光谱反射值与冬小麦拔节期氮素营养状况进行了相关分析,结果发现:高精度卫星光谱归一化植被指数、绿植被指数、比值植被指数、优化土壤调节植被指数和单波段光谱反射值红外波段与拔节期小麦叶片叶绿素仪读数、茎基部硝酸盐含量、地上部生物量和地上部吸氮量等都有显著的线性正相关关系,相关系数范围在0.651~0.860之间。而红光波段、绿光波段则与拔节期小麦氮营养诊断指标呈显著线性负相关关系,相关系数范围在-0.803~-0.574之间。且上述光谱植被指数和单波段反射值均与小麦拔节期优化施氮量有很好的相关关系。因此,可以应用高精度卫星影像结合地面土壤植株测试进行冬小麦拔节期的冠层氮营养诊断和氮肥推荐。     

玉米冠层叶片光谱反射率与玉米长势空间变异的关系

为了寻找一种快捷获取玉米叶绿素空间分布信息的方法,研究了玉米苗期冠层叶片光谱反射率的变化特征,分析了不同生长阶段冠层叶片光谱反射率的空间分布和叶绿素质量浓度的空间分布.研究结果表明:玉米苗期冠层叶片叶绿素的质量浓度空间分布不均匀.冠层叶片的叶绿素质量浓度与光谱指数RVI的相关性较低,与归一化差异植被指数NDV1值和550 nm波段的反射率均有较高的相关性.分析550nm波段的反射率值与冠层叶片叶绿素质量浓度值的相关关系,显示二者成负相关变化趋势,相关系数绝对值在0.69～0.88范围随着生长期的变化而逐渐增大,五叶期前期的相关性系数绝对值达到苗期最大值,表明550 nm波段反射率值能够较好的反映玉米苗期叶绿素质量浓度的水平,分析和掌握550 nm波段反射率值的变化及其空间分布特性对快速监测玉米苗期生长状况,对指导田间施肥具有重要意义.     

棉花叶片厚度的高光谱测试方法

植物叶片厚度的变化能够指示植物生长状态的改变,为了实时、活体、无损地获取叶片厚度,该研究以棉花叶片为研究对象,利用DPS、Origin统计分析软件分析84组光谱数据与叶片厚度的相关性。研究表明,光谱反射率与叶片厚度在可见光350～369 nm及664～689 nm 2个较窄区域达到了极显著正相关关系,在红外917～1 884、2 048～2 380 nm 2个区域呈极显著负相关关系,总体相关程度红外波段高于可见光波段。红边参数与叶片厚度的相关性不高,24个形状参数与厚度达到了极显著相关水平,其中,中心为980 nm的吸收谷面积与叶片厚度相关度最高,相关系数为0.848。分别用反射率、植被指数、光谱形状参数建立并测试3个估算模型,相对误差最高为7.4%,均方根差最高为0.051 mm。结果表明利用高光谱分析技术,可以实现叶片厚度的快速、活体测量。     

基于LISS4数据的小麦氮素营养状况反演研究

利用LISS4卫星遥感数据在小麦氮素营养状况监测方面进行了初步研究。根据搭载多光谱传感器LISS4的IRS-P6的过境周期,2006年5月3日在江苏省盐城地区进行同步地面取样测试,通过分析试验点小麦LISS4影像光谱信息与小麦叶面积指数及叶片氮含量的相关关系,发现小麦叶面积指数和叶片氮含量与LISS4影像三个波段反射率及植被指数RVI、NDVI、GNDVI均密切相关,表明利用LISS4遥感影像监测小麦氮素营养状况是可行的。比较不同波段原始反射率和植被指数,在本研究中LISS4影像波段4反射率与小麦氮素营养状况相关最密切。检验结果也表明利用LISS4影像波段4反射率估测小麦氮素营养状况是可行的。研究成果为利用遥感技术大面积监测小麦氮素营养状况和实施精确栽培管理提供了理论依据。     

不同品种夏玉米光谱特征差异及其与农学参量相关性研究

研究测定了不同品种夏玉米在六个典型生育期地上部分全氮、叶绿素含量、干生物量、叶面积指数(LAI)以及冠层光谱反射率,利用不同方法比较了不同品种玉米光谱特征的差异,系统分析了单波段反射率、可见光和近红外波段组合而成的8种常见植被指数与相应时期不同农学参量的相关性。结果表明:不同品种夏玉整个生育期不同品种冠层在可见光范围内反射率差异一直没有达到显著水平,苗期和拔节期在近红外区域反射率也无显著差异,从孕穗期到乳熟期在近红外区域反射率差异增大,普遍呈显著性差异。采用F检验法可以准确地反映不同品种在不同波段反射率的差异。常见光谱植被指数从拔节期到孕穗期绝大部分都可以准确反映不同品种夏玉米的农学参量,以GRVI最佳,它不仅可以区分不同品种夏玉米在中后期的长势,又可以准确拟合这段时期作物的农学参量。