基于主动遥感的滴灌棉花氮素营养诊断模型建立研究

摘要

在作物生长发育和产量形成过程中，氮素的影响在大量元素中处于首要地位。新疆是我国重要的棉花生产基地之一，棉花产量占全国的三分之一以上，而棉花的增产主要依赖于肥料的增施，尤其是氮肥投入量很大。大量不合理投入氮肥，既增加了生产成本又污染了地下水资源。传统的氮素营养诊断费时费力、时效性差，为了科学的施肥管理，提高氮素养分诊断的时效性和氮素利用效率，利用实时、快速、无损测试技术获取棉田生长和养分状况显得尤为重要。本试验在2012-2013年在石河子大学农学院综合试验站进行。方案设置了4个施氮量水平(N0：0kg/hm2、N1：150 kg/hm2、N2：300 kg/hm2、N3：450 kg/hm2)和4个灌水量水平(W0：2400m3/hm2、W1：3600 m3/hm2、W2：4800 m3/hm2、W3:6000 m3/hm2)，棉花品种为新陆早45（XLZ45）。利用手持式主动光谱仪Greenseeker监测棉花主要生育时期NDVI、RVI，用叶绿素仪获取功能叶（倒四叶）SPAD值，研究棉花冠层NDVI、RVI、SPAD和氮素营养之间的关系，探明了不同水氮条件下滴灌棉花生育期内主动光谱参数NDVI、RVI以及SPAD的变化规律；通过相关分析，确定了氮素营养诊断的最适生育期；建立了诊断最适生育期基于归一化植被指数NDVI和SPAD棉花生长、营养参数预测模型，并验证了模型的适用性。
　　本研究主要内容包括：⑴不同灌水条件下棉花生长季节中除W0外不同氮素梯度下NDVI差异均显著；NDVI值均表现为N3>N2>N1>N0；RVI在不同处理间差异不显著，表现出N0>N1>N2>N3的基本趋势，不同处理SPAD值与NDVI变化表现趋同；盛花期和花铃期NDVI和SPAD值不同氮素间差异较大。⑵NDVI、SPAD在棉花不同生育期与棉花干物质积累量、叶面积指数、叶片氮含量、氮素积累量和籽棉产量均表现为正相关关系；在盛花期和花铃期NDVI与测定的除产量以外的各参数均达到显著或极显著相关关系，在铃期NDVI与籽棉产量之间的相关性达到显著水平；RVI在各生育期内与绝大部分测量参数之间的相关性为负值，均没有达到显著性水平，SPAD与除LAI之外的测定参数在各生育期均表现为极显著或显著正相关关系。⑶参考各参量间的相关分析结果，建立了基于 NDVI的冠层各生长参数和氮素营养估测模型。NDVI在盛花期和花铃期均可用来拟合植株干物质积累量、叶面积指数、叶片含氮量和植株氮积累量，决定系数在盛花期分别为：0.7064、0.7339、0.8258、0.7622，花铃期决定系数分别为0.5113、0.5653、0.5189、0.6952，均达到极显著水平；铃期NDVI的籽棉估产模型决定系数达到0.5042的显著水平。⑷参考各参量间的相关分析结果，建立了基于 SPAD的冠层各生长参数和氮素营养估测模型。SPAD值对棉花地上干物质积累量的预测模型以二次函数拟合程度最高，在盛蕾期、盛花期、花铃期和铃期，R2分别达到0.5458、0.7703、0.9048和0.7948;SPAD与叶片含氮量的线性拟合方程决定系数R2在4个生育期分别达到0.8874、0.8445、0.8182和0.7846，均达到极显著水平（p<0.01）；SPAD与植株氮素积累量的拟合方程在4个生育期分别达到0.8230、0.8292、0.7835和0.6846；SPAD的产量估算模型在铃期适合度最高为0.7358。⑸利用各生育期大田采集数据对结果4中所涉及的模型进行检验得到：在盛花期NDVI对干物质积累量、LAI、叶片含氮量、棉花氮素积累量的适合度R2分别为0.6442、0.8270、0.7704和0.4903，花铃期分别为0.6374、0.6496、0.5874、0.8275，铃期NDVI籽棉估产模型适合度为0.6650。⑹SPAD对棉花干物质积累的估测适合度最高在花铃期为0.6485、对棉花叶片氮素预测的适合度最高为盛蕾期的0.5780，最低值出现在铃期，R2为0.1842；SPAD对植株氮素积累量的适合度均没有达到显著水平，适合度最高值出现在铃期，R2为0.2925；SPAD对棉花籽棉产量的预测适合度除了盛蕾期都在极显著水平，适合度最高在铃期达到0.7908。⑺综合本研究结果来看，基于主动遥感的光谱参数NDVI和SPAD值均能在部分生育时期用于长势监测和氮素养分诊断，RVI不适宜；用Greenseeker的养分诊断最佳期为棉花的盛花期和花铃期，最适诊断指标为LAI；基于SPAD的氮素诊断指标叶片含氮量为最佳选择；水分不足条件下（W0）不适宜做氮素养分诊断。

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第一章 绪论

1.1选题背景与研究意义

1.2国内外研究现状

1.3研究问题的提出

第二章 研究内容与技术路线

2.1研究目标与主要研究内容

2.2研究思想

2.3技术路线

第三章 材料和方法

3.1实验材料

3.2试验设计

3.3测试项目与测试方法

第四章 棉花冠层主动光谱参数和冠层营养指标变化规律

4.1不同水氮条件下棉花冠层主动光谱参数的生育期变化

4.2不同水氮条件下棉花冠层营养指标的生育期变化

第五章 基于主动遥感的氮素营养诊断模型的建立与验证

5.1棉花冠层NDVI和SPAD值与棉花营养诊断指标的相关性分析

5.2 基于主动遥感光谱的养分诊断模型的建立及验证

5.3 基于NDVI和SPAD的棉花氮素营养诊断精度比较

第六章 讨论、结论与展望

6.1讨论

6.2结论

6.3 创新点与展望

参考文献

致谢

作者简介

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