基于冠层反射光谱的水稻群体叶片氮素状况监测

基于冠层反射光谱的水稻群体叶片氮素状况监测内容摘要：

维普资讯 http://www.cqvip.com 中 国农 业 科 学 ２０ ０３，３６（ ７）： ８０７—８１２　 Ｓｃｉ ｅｎｔｉ ａ　Ａｇｒｉ ｃｕｌ ｔｕｒａ　Ｓｉ ｎｉｃａ　 基 于冠 层 反 射 光 谱 的水 稻 群 体 叶 片 氮 素 状 况 监 测　 薛利 红 ，曹 卫 星 ，罗 卫 红 ，姜　 东 ，孟 亚 利 ，朱　 艳　 （南 京 农 业 大 学／农 业 部 作 物 生 长 调 控 重 点 开 放 实 验 室 ， 南京 ２１ ０ ０９５） 　 摘 要 ：研 究 了 不 同 氮 肥 水 平 下 多 时 相 水 稻 冠 层 光 谱 反 射 特 征 及 其 与 叶 片含 氮 量 等 参 数 的 关 系。 结 果 表 明 ， 水　 稻冠 层光谱反 射率与 叶片氮积累量 （ 单 位 土 地 面 积 上 叶 片 的 氮 素 总 量 ）显 著 相 关 ， 尤 其 是 近 红 外 与 绿 光 波 段 的 比 值　 （ 　 ０ ／　ｌ 棚）与 叶 片 氮 积 累 量 （ ＬＮＡ）呈 显 著 线 性 关 系 ， 不 受 氮 肥 水 平 和 生 育 时 期 的影 响 ，回 归 方 程 为 ＬＮＡ＝０． ８ ５ ９ 　０ ／ 　 Ｒ５ ６ ｏ一１． １５９６。 利 用 不 同 粳 稻 品 种 、播 期 、密 度 、水 分 和 氮 肥 处 理 的 数 据 对 方 程 进 行 了 较 充 分 的检 验 ，表 明 模 拟 值 与　 实 测 值 之 间符 合 度 较 高 ，估 算 精 度 为 ９１． ２２％ ， 估 计 的 ＲＭＳＥ 为 １． ０９，平 均 相 对 误 差 为 ０． ０２６。 　 关 键 词 ：水 稻 ；冠 层 反 射 光 谱 ；比值 指 数 ；叶 片 ；氮 积 累 量 ；氮 素　 Ｄｉ ａｇｎｏｓｉ ｓ　ｏｆ 　Ｎ　 ｉ ｔ ｒ ｏｇｅｎ　Ｓｔ ａｔ ｕｓ　ｉ 　 ｎ　Ｒｉ ｃｅ　Ｌｅａｖｅｓ　ｗｉ ｔ ｈ　ｔ ｈｅ　 ｌ ｅｃｔ ａｎｃｅ　 Ｃａｎｏｐｙ　Ｓｐｅｃｔ ｒ ａｌ 　Ｒｅｆ ＸＵＥ　Ｌｉ－ ｈｏｎｇ，ＣＡＯ　Ｗ ｅｉ －ｘｉ ｎｇ，ＬＵＯ　Ｗ ｅｉ －ｈｏｎｇ，ＪＩ ＡＮＧ　Ｄｏｎｇ，Ｍｅｎｇ　Ｙａ－ｌ ｉ，ＺＨＵ　Ｙａｎ　 （Ｋｅ ｙ　 Ｌａｂｏｒ ａｔ ｏｒ ｙ　 ｏ ｆＣｒ ｏ ｐ　Ｇｒ ｏｗｔ ｈ　 Ｒｅ ｇｕｌ ａｔ ｉ ｏ ｎ，Ｍｉ ｎ￣ｔ ｒ ｙ　ｏ ｆＡｇｒ ｉ ｃｕ ｌ ｔ ｕｒ ｅ／ Ｎａｎ ｉｎｇ　 ｆ Ａｇｒ ｉ ｃｕｌ ｔ ｕｒ ａｌ 　Ｕｎｉ ｖ ｅｒ ｓ ｉ ｔ ｙ，肌咖 ２１００９５） 　 Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｔｈｅ　ｉ ｎｖｅｓ ｔ ｉ ｇａｔ ｉ ｏｎ　ｗａｓ　ｍａｄｅ　ｏｎ　ｔ ｈｅ 　ｒ ｅｌ ａｔ ｉ ｏｎｓ ｈｉ ｐ　ｏｆ 　ｓｅａ ｓ ｏｎａｌ 　ｔ ｉ ｍｅ　ｃｏｕｒ ｓｅ　ｃａｎｏｐｙ　ｓｐｅｃｔ ｒ ａｌ 　ｒ ｅｆ ｌｅｃｔ ｎ ｃｅ，ａ ａ ｎ ｄ　 ｒ ａ ｔ ｉ ｏ　 ｉ ｎｄｅ ｘ　 ｔ ｏ 　 ｔ ｏ ｔ ｌ　 ａ ｌ ｅ ａ ｆ 　 ｎｉ ｔ ｒ ｏ ｇ ｅｎ 　ａ ｃ ｃｕｍｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ（１ ｅ ｆ　 ａ ｎｉ ｔ ｒ ｏｇ ｅｎ 　ｃ ｏ ｎｔ ｅ ｎｔ 　 ｐｅ ｒ 　 ｕｎｉ ｔ 　ｇ ｒ ｏｕ ｎｄ 　ａ ｒ ｅａ）ｉ ｎ　 ｒ ｉ ｃ ｅ 　ｕｎｄｅ ｒ 　 ｄｉ ｆｅ ｅｎｔ ｒ 　 ｎｉ ｔ ｒ ｏｇ ｅ ｎ　 ｔ ｅ ａｔ ｒ ｍｅｎｔ ｓ．Ｔｈｅ　ｒ ｅｓｕｌ ｔ ｓ 　ｓｈｏｗｅｄ　ｔ ｈａｔ 　ａ　 ｃｌ ｏｓ ｅ　ｃｏｒ ｒ ｅｌ ａｔ ｉ ｏｎ　ｂｅｔ ｗｅｅｎ　ｔ ｈｅ　ｃａ ｎ ｏｐｙ　ｓｐｅｃｔ ｒ ａｌ 　ｒ ｅｆ ｌｅｃｔ ｎ ｃｅ　ａ ａ ｎ ｄ　 ｔ ｏｔ ａｌ 　ｌ ｅａ ｆ　 ｎｉ ｔ ｏｇｅｎ　ａｃ－ ｒ 　 ｃ ｕｍｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ　 ｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｅ ｄ．Ｒａ ｉｏ ｔ 　 ｏ ｆ 　 ｎｅ ａ ｒ － ｉ ｎｆ ｒ ａｒ ｅ ｄ　 ｔ ｏ 　 ｇ ｒ ｅｅ ｎ　 ｂａ ｎ ｄ（Ｒｓ ｌ ０ ／Ｒ５ ６ ０）Ｗａ ｓ　 ｌ ｉ ｎ ｅａ ｒｌ ｙ 　 ｅｌ ｒ ａｔ ｅ ｄ　 ｗｉ ｔ ｈ 　 ｔ ｏ ｔ ｌ　 ａ ｌ ｅ ｆ　 ａ ｎｉ ｔ ｒ ｏ ｇｅ ｎ 　 ａｃ ｃ ｕｍｕ－ 　 ｌ ｔｉ ａ ｏｎ，ｉ ｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ 　ｏｆ 　 ｎｉ ｔ ｏｇｅｎ　ｌ ｒ ｅｖｅｌ ｓ 　ａ ｎ ｄ　ｄｅｖｅｌ ｏｐｍｅｎｔ 　ｓｔ ａｇｅｓ． Ｄｉ ｆｅｒ ｅｎｔ 　ｄａｔ ａｓ ｅｔ ｓ　ｗｅｒ ｅ 　ｕｓｅｄ　ｔ ｏ　ｔ ｅｓｔ 　ｔ ｈ ｅ　ｒ ｅ ｇｒｅｓｓ ｉ ｏｎ　ｅｑｕａ－ 　 ｔ ｉ ｏｎ， ｗｉ 山 ａｖｅｒ ａｇｅ　ｅｓｔ ｉ ｍａｔ ｉ ｏｎ　ａｃｃｕｒ ａｃｙ　ｏｆ　 ９１． ２２％ ， ＲＭＳＥ　ｏｆ　 １． ０９　ａ ｎ ｄ　ａｖｅｒａｇｅ　ｒ ｅｌ ａｔ ｉ ｖｅ　ｅｌ ｒｏｒ 　ｏｆ　 ０． ０２６． 　 Ｋｅｙ 　 ｗｏｒ ｄｓ：Ｒｉ ｃ ｅ；Ｃａ ｎｏ ｐｙ 　 ｒ ｅ ｌｅｃ ｆ ｔ ｎ ｃｅ ａ 　 ｓ ｐｅｃ ｔ ｒ ｕｍ；Ｒａ ｔ ｉ ｏ　 ｉ ｎｄｅ ｘ（Ｒｓ ｌ ０ ／Ｒ５ ６ ｏ）；Ｌｅａ ｆ ；Ｎｉ ｔ ｏｇｅ ｒ ｎ　 ａ ｃｃ ｕｍｕｌ ａ ｉｏ ｔ ｎ；Ｎｉ ｔ ｏｇ ｒ ｅ ｎ　 作 物 氮 素含 量 是 评 价作 物 长 势 、估 测 产 量 与 品　 已有 一 些 有关 作 物 冠层 反 射 光谱 的变化 规 律及 氮 素　 质 的 重要 参 考指 标 ，对 作 物 氮 素精 确 管 理 具 有 重要　 敏感 波 段 选 择 的 研 究 ［ 　－ 　，并 对 地 面 高 光 谱 数 据 的　 意 义 。传 统 的作 物 氮 素 营养诊 断 以实 验 室常 规 分析　 红边 特性 与 作 物 生 化 参 数 的 关 系 作 了有 意 义 的 探　 为基 础 ， 时效 性 较 弱 。近 年 来 的研 究 表 明 ， 便 携 式 叶　 讨［ 　ｔ ｏ ］， 但 定 量反 演 水稻 冠 层 群 体 氮 素 含 量 的 研 究　 绿 素 计读 数 （ ＳＰＡＤ值 ）能 预 测 水 稻 叶 片 单 位 重 量 含　 鲜有 报 道 。 因此 ， 本 文 拟 对 不 同氮 肥 水 平 下 水 稻 冠　 氮 量 ¨Ｊ 和单 位 面积 含 氮 量　Ｊ 。但 ＳＰＡＤ值 与 叶 片 全　 层反 射 光 谱及 其 衍 生量 与 叶 片氮 素 状况 指 标之 间 的　 氮 含量 的关 系 因 品 种 和 生 育 期 不 同 而 有 差 异　Ｊ， 需　 关 系进 行 分析 ，以期 定 量估 测 水稻 的氮 素 营养 状况 ， 　 根 据具 体 品种 及 发 育 阶段 分 别 确 定 诊 断 指标 ，限制　 为遥 感技 术 在 作 物 氮 素 诊 断 中 的实 际 应 用 提 供 依　 了该技 术 的适 用 性 。 随着 地 面 遥 感 技 术 的 发 展 ， 应　 据。 　 用 冠层 反 射 光谱 估 测植 物 冠层 化 学 组 成 的前 景 正 引　 起 越来 越 多 的关 注 。 国外 学者 早 在 ２０世 纪 ８０年 代　 开 始 了大量 研究　． ５ 　 Ｊ ， 我 国起 步 相 对 较 晚 。近 年 来 ， 　 １ 材 料 与 方 法　 １． １ 试 验 设 计　 收 稿 日期 ： ２０ ０２— １１ － １ ２　 基 金 项 目 ：国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 规 划 资 助 项 目（Ｇ２ ００ ００７７ ９０ ０）和 国家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目（３ ０Ｏ３ ００９ ０） 　 作者筒介 ： 薛 利 红 （１ ９７７ 一），女 ，河 南 修 武 人 ， 博 士 研 究 生 ，主 要 从 事 作 物 生 长 遥 感 监 测 方 面 的 研 究 。 曹 卫 星 为 通 讯 作 者 ， Ｔｅ ｌ ： ０２ ５－ ４３ ９５３ ９ ０： Ｆａ ｘ： 　 ０２５ － ４３ ９５８ ４５； Ｅ・ ｍａｉ ｌ ：ｃ ａｏ ｗ＠ｎ ｊ ａ ｕ． ｅ ｄｕ． ｃ ｎ 　 ｌｌ 　’ 獾阻 ｌ Ｉ啊 瞳 　 维普资讯 http://www.cqvip.com ８０８　 中　 国 农 本研 究 共 设 计 ４个 不 同 的 田 间 试 验 ，分 别 于　 ２ ００１和 ２００２年 水 稻 生长 季 节进 行 。 　 试 验 １： ２００１年 在 江 苏 省 农 业 科 学 院 试 验 站 进　 行， 供 试 水 稻 品种 为武 香 粳 ９号 。土 壤 类 型 为黄 棕　 业 科 学　 ３６卷　 （ Ｐ１， 单 本 插 ）和 高 密 （Ｐ２，双 本 插 ），随机 区 组 排 列 ， 　 重 复 ３次 。试 验 时 间 、地 点 、土 壤 、品 种 和 田 间 管 理　 同试 验 １。试 验资 料 用 于检 验 模型 。 　 １． ２ 光谱 数 据测 ■　 壤土 ，有 机 质 含 量 １．６７％ ，全 氮 ０．０８８％ ，速 效 氮　 采用 美 国 Ｃｒ ｏ ｐｓ ｃ ａ ｎ公 司 生 产 的 ＭＳＲ．１ ６型便 携　 ６４． ９１ 　ｍｇ・ｋ ｇ～， 速 效磷 ４３． ８５ 　ｎ １ ｇ・ 　 ～， 速 效 钾 ８Ｏ． ２ ２　 式 多光 谱 辐 射仪 （仪 器 视 场 角 为 ３１． １。 ）测 量 水 稻 群　 ｍｇ・ ｋｇ～。设 ４个 施 氮 （纯 Ｎ）水 平 ， ＮＯ： ０ｇ・ｍ～，Ｎ１： 　 体 反射 光 谱 ，测 量 波 段 和 带 宽 见 表 １。试 验 １和 试　 １ ３． ５ 　ｇ・ｍ一 　， Ｎ２： ２ ７　ｇ・ｍ一 　， Ｎ３： ４Ｏ． ５ 　ｇ・ｍ一 　，／ Ｊ 、区 面　 验 ４每 隔 ７～１ ０　 ｄ测 量 １次 （试 验 １共 测量 了 １ Ｏ次 ， 　 积 １ ２ｍ２（ ３ 　ｍ×４　 ｍ）， 随 机 区组 排 列 ， 重复 ３次 。氮肥　 试 验 ４共 测 量 了 ７次 ）， 试 验 ２和 试 验 ３分 别 在 有 效　 分 ３次 施 用 ，基 施 ５５％ ， 穗 肥 和 粒 肥 分 别 占 ２０％和　 分 蘖 临界 叶龄期 、拔 节期 、 抽 穗 期及 灌 浆 盛期 进 行 测　 ２５％ 。磷 、 钾 肥 施 用 量 分 别 为 Ｐ２０５ 　１ ３５、Ｋ２ ０　 ２１ ０　 ｋｇ・ 　 量 。测 量 选择 在 晴 朗 无 云 的天 气 进 行 ， 测 量 时 间为　 ｈａ～ ， 全部 作 基 肥 。栽 插规 格 为 ２５ 　ｃ ｍ×１５ 　ｃ ｍ， 每 穴