东北春玉米氮营养光谱诊断精准追肥模型的研究

摘要

玉米生产维系着国家粮食安全;氮素对玉米产量的增加和品质的改善具有显著的作用。人为诊断作物氮素营养状况无法量化;室内对大量作物样品进行氮素分析时效性差;而利用Green Seeker光谱仪获取作物信息快速且具有非破坏性等优点;因此这一方法现已在大田作物氮素营养诊断和施肥推荐方面得到广泛应用。本论文基于东北地区玉米种植面积广泛及氮肥利用率较低的背景;借鉴 Raun 等人就作物冠层 NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)和氮肥追施量建立的最优施肥算法(N fertilization optimization algorithm;NFOA);引进新的农学参数（玉米品种生育期、无氮区玉米产量等）;并且考虑玉米从土壤吸收的N量以及氮肥利用率的变化;采用田间试验和室内分析相结合的方法;对不同施氮水平下玉米拔节期的冠层归一化植被指数（NDVI）和地上部氮素营养状况进行测试;旨在研究在引进新的农学参数后玉米拔节期 NDVI 值与植株含氮量、产量的相关关系;以此为重新构建最优施肥算法模型（NFOA）提供理论依据;并应用于玉米施肥决策。以期实现玉米无损诊断和精准、变量化推荐施肥;进而提高玉米生产经济效益和环境效益。 本文有以下几个研究成果： (1) 基于NDVI值与玉米产量的相关分析得出：玉米产量与NDVI值呈正相关;NDVI值达到最大0.82时;玉米获得最高产量12.86 t/hm2。玉米NDVI值与产量的相关系数为0.87（P<0.05）;达到显著性水平。 (2) 基肥和追肥处理下;成熟期玉米地上生物部分以及籽粒的全氮累积量均以N4最高施氮水平下获得最大值;且二者均随氮肥施用量的增加而增大;追肥处理高于基肥处理;玉米地上生物部分全氮量增加了11.39%;玉米籽粒全氮量增加了4.61%;玉米籽粒全氮量普遍高于地上生物部分;表明植株氮素随着玉米生育期发展;大多转移到籽粒;用以提高玉米质量。 (3) 施加氮肥可以增加玉米产量;基肥处理比无氮区处理下玉米增产幅度为3.55%～14.17%;追肥处理相比于无氮处理增产 8.06%～19.15%;且追肥处理比基肥处理下玉米产量增加4.36%～5.36%。而氮肥基肥量的高低对农学利用率的影响无显著差异;基肥农学利用率平均为21.56 kg/kg;不同N处理下基肥农学利用率普遍高于追肥农学利用率;本试验在N1处理下追肥农学利用率最高;为14.01 kg/kg。 (4) 通过利用2016年田间试验数据对原NFOA模型进行分析;原模型中确定玉米潜在产量YP0没有考虑玉米品种生育期对NDVI变化速率的影响;依据原模型计算出的当季氮肥追肥量由于没有考虑减去玉米吸收土壤氮量;导致氮肥追施计算值远高于实际生产所需量;因此本试验为了依据追肥模型推荐追肥量更加符合实际生产;提出对原模型中预测玉米潜在产量子模型和当季氮肥追肥量子模型进行重新构建。 (5) 在实际生产过程中;玉米吸收土壤氮量及追肥利用率在玉米追肥之前是未知量;本试验通过假设玉米吸收土壤氮量、追肥利用率与玉米潜在产量分别有一定的相关关系;依据2016年田间试验数据初步确立两个关系式：追肥后玉米吸收土壤氮占总吸氮量的百分比（y;%）与潜在产量(x;t/hm2)的相关方程为：y=18.476x2-438.72x+2661.6;方程相关系数r=0.96(p<0.05)。追肥利用率（y;%）与潜在产量(x;t/hm2)的相关方程为：y=-16.283x2+355.74x-1871.2;方程相关系数r=0.70(p<0.05)。 (6) 通过引进玉米生育期、无氮区玉米产量等农学参数;重新分析NDVI值与玉米氮营养诊断指标之间的相关性关系;用于重新构建原NFOA模型中预测玉米潜在产量子模型;重新构建的子模型应用方程为 YP0=9.7185+1E-05e6.7206INSEY' ;相关系数 r 为0.86(p<0.05);考虑玉米吸收土壤氮量以及氮肥追施利用率会因土壤肥力产生变化;用于重新构建原NFOA模型中当季氮肥追肥量子模型;重新构建的子模型应用方程为 FNR=（GNUP-FNUP）*（1-SN/PTN）/ZFU ;其中 SN/PTN 表示玉米种植小区追肥后 SN 占PTN的百分比;ZFU表示种植小区追肥利用率。并经由2017年独立试验进行模型验证。利用2017年两个品种玉米在拔节期获得的NDVI值进行模型初步检验;两个品种玉米基于追肥前不同时期NDVI值利用NFOA模型计算出的当季追肥量无显著性差异;模型产量预测值与实际产量误差在 5%以内;说明重新构建的 NFOA 模型可应用于玉米光谱氮营养诊断及精准变量追施氮肥。

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