冬小麦不同叶位叶片高光谱特征及其对氮素的响应

发布时间：2020-03-30 07:32

【摘要】：冬小麦产量的提高与粮食安全密切相关,农业生产中施用氮肥以期提高作物产量,但是过量施肥已经造成环境污染等问题。及时监测作物氮素含量,指导科学合理的施肥,对粮食生产和环境保护意义重大。高光谱技术能实现作物冠层光谱的快速获取,但是冠层光谱的准确性直接影响作物长势估测的精度和稳定性。为准确及时了解作物长势,提高生理指标的高光谱估测精确度,本研究分析冬小麦SPAD值、氮含量、冠层光谱以及叶片光谱随施氮量的变化规律及关系,运用偏最小二乘法(PLS)选取基于冠层光谱和叶片光谱的SPAD值和氮含量特征波段,并进行光谱估测模型的效果比较。为提高估测精度,对预处理方法及其组合进行分析,结合PLS进行模型的构建,选择出最佳预处理方法。主要结论如下:(1)冬小麦SPAD值变化在整个生育期呈抛物线趋势,以开花期最高。拔节期,不同叶位叶片SPAD值大小为顶二叶顶三叶顶一叶。孕穗期、开花期和灌浆期,叶位SPAD值变化趋势基本为顶一叶顶二叶顶三叶,且各叶位间SPAD值差异增大。叶片氮含量在拔节期、开花期和灌浆期表现为顶一叶顶二叶顶三叶,孕穗期含氮量大小趋势基本为顶二叶顶一叶顶三叶,顶二叶和顶三叶对氮素的反应较为敏感。植株氮含量随生育期的推进而降低,随施氮量的增加而增加,与叶片氮含量呈(极)显著相关关系。(2)冬小麦冠层反射率在可见光波段反射率随施氮量增加而降低,近红外和中红外区域光谱反射率则升高。随着施氮量的增加,不同叶位叶片反射率在可见光和近红外区域的差异减小。叶片SPAD值和氮含量与冠层光谱的相关性顺序均为:顶一叶顶二叶顶三叶,而与叶片光谱的相关性比较稳定。(3)冠层光谱和叶片光谱监测氮素的敏感波段多位于绿峰、近红外区域,基于叶片光谱建立的顶一叶、顶二叶和顶三叶SPAD值估测模型R2分别为0.722、0.691和0.681,氮含量估测模型R2分别为0.732、0.719和0.706,估测效果均较好。基于冠层光谱建立的顶一叶氮素估测效果最好,但模型精度低于叶片光谱模型。(4)经基线校正(BC)、多元散射校正(MSC)、噪音校正(NC)及组合预处理后在可见光区域光谱基线漂移明显得到抑制,BC与MSC预处理提高了近红外区域光谱曲线的集中性。单一预处理方法NC预处理建立的模型精度最高,SPAD值和氮含量估测模型R2分别为0.686和0.683,RMSE分别为1.150和0.326,MSC处理降低了模型估测效果。两种预处理方法估测SPAD值和氮含量,分别为MSC+NC和NC+MSC建模效果最好,R2分别为0.768和0.762,RMSE为0.988和0.282。三种预处理方法组合NC+BC+MSC估测SPAD值和氮含量精度最高。研究表明预处理在一定程度上可以消减噪音,但不当的光谱预处理方法会降低模型预测效果。预处理方法并非越多越好。不同的预处理顺序,估测结果不同。
【图文】：

含量则在拔节期最高。孕穗期之后，氮含量下降，灌浆期尤为明显，氮素输出，为籽逡逑蛋白的形成提供物质基础。冬小麦不同叶位叶片氮含量变化基本相同，在拔节期、开逡逑期和灌浆期，顶一叶氮含量最高，顶二叶次之，顶三叶最小。而在孕穗期，，除ＮＯ外，逡逑氮量大小趋势基本变为顶二叶邋＞邋顶一叶邋＞邋顶三叶，表明顶二叶对氮素的反应较为敏感，逡逑片氮含量随叶位的降低而降低。ＮＯ处理下，不同叶位叶片氮含量呈显著性差异，以逡逑０１６－２０１７年开花期为例，顶一叶与顶二叶的差距为１８．５９％，顶二叶与顶三叶的差距达逡逑４．０５％，顶一叶和顶二叶氮含量的差异小于顶二叶和顶三叶的差值。随施氮量的增加，逡逑同叶位叶片氮含量的差异逐渐减小，同样以２０１６－２０１７年开花期为例，Ｎ４水平下，逡逑一叶与顶二叶、顶二叶与顶三叶的差距分别为４．１６％和７．２４％，顶一叶和顶二叶差异逡逑显著，顶二叶与顶三叶的差值也较小。逡逑．１．４同一叶位不同施肥水平叶片氮含量分析逡逑５逦鲁麦１４５（＾逦长４７３８逡逑

含量基本高于顶一叶，之后氮含量逐渐降低。逡逑３．１．５全株氮含量的分析逡逑２０１６－２０１７年不同施氮水平下冬小麦植株氮素含量随生育时期的变化如图５所示，逡逑由图可以看出，随着冬小麦的生长，植株氮含量变化呈下降趋势，从拔节期到抽穗期，逡逑氮含量降幅明显，济麦２２和长４７３８从拔节期到抽穗期分别下降了邋４３．８０％－６９．８６％和逡逑４０．４８°／。－５０．３８％，从抽穗期到灌浆期分别下降了邋２１．２７％－３６．８４％和２７．０３％－３８．４６％，氮含逡逑量下降速度较为缓慢，由于冬小麦进行生殖生长，氮素向籽粒运转所致。总体来看，从逡逑Ｎ０到Ｎ４，两品种植株氮含量呈上升趋势，表明高施氮量能促进冬小麦植株对氮的吸收逡逑和利用。长４７３８小麦植株氮含量高于济麦２２，不同生育时期变化幅度不同，表明不同逡逑品种对氮含量的吸收和输出存在差异，同时会造成干物质积累量的不同。逡逑＾逦济麦２
【学位授予单位】：山西农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S512.11

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本文编号：2607250