不同氮肥处理下小麦冠层和叶片光谱特征及产量分析

利用遥感光谱无损、快速分析出氮肥的施用时期和施用模式,对于保护环境、产量及氮肥利用率的提高具有重要意义。利用FieldSpec 4Wide-Res Field Spectrum radiometer便携式地物光谱仪,测定了不同氮水平下小麦冠层和叶片两种模式光谱特征及红边参数变化规律;提出一个新指数——归一化差异最大指数(normalized difference maximum index,NDMI),并分析其与叶面积指数(leaf area index,LAI)、SPAD(soil and plant analyzer development)值、MDA(malondialdehyde)含量、旗叶氮含量和产量的相关性。结果表明,小麦叶片原始光谱在开花后26d起800～1 330nm区间的光谱反射率以N3(1/3底施+1/3冬前追肥+1/3拔节期追肥)处理为最高,N1处理(1/2底施+1/2冬前追肥)次之。主要原因是由冬前和拔节期两个时期均施三分之一氮肥,增强了叶片光合能力。小麦冠层原始光谱,在400～700nm波段,N2(1/2底施+1/2拔节期追肥)处理最低;在760～1 368nm波段区间,由于群体结构不同,在开花期至灌浆中期N1处理的光谱反射率最高,N3处理次之;N3处理的冠层光谱反射率在开花后26和33d最高。建议用400～700和760～1 368nm波段的冠层原始光谱数据,分别来辨别小麦旗叶含氮量的高低及施肥模式。叶片模式下一阶微分光谱在500～750nm区间出现两个"峰",通过峰的位置偏移程度和偏移时期来估测施氮的模式。在670～740nm区间冠层一阶微分光谱值在开花期最高,开花后10d的一阶微分光谱值最低。在开花期至开花后10d N1处理的一阶微分光谱值高于N3处理;灌浆中期至开花后33dN3处理的一阶微分光谱值高于N1处理。可以通过一阶微分最大值来推测小麦所处的生育期和施肥的方式及施肥时期。在开花期至灌浆中期,冠层反射率一阶导数最大值(FD-Max)N1处理最高,N3处理次之;在开花后26～33d,N3处理的群体结构较其他处理密,导致其一阶导数最大值一直最高。四个处理叶片一阶导数最大值变化趋势不如冠层显著。四个处理的反射率一阶导数最大值对应的红边位置(REPFD-Max)中,N1和N3冠层REPFD-Max在灌浆中期后偏移显著;在开花后26～33d,N3处理的群体上层结构密,叶片宽且厚,冬前追施氮肥影响REPFD-Max偏移程度。基于NDVI基础上,筛选出一个新指数——归一化差异最大指数。冠层归一化差异最大指数(CNDMI)与农化参数的相关系数高于叶片归一化差异最大指数(LNDMI),且CNDMI与产量的相关性比LNDMI显著。冠层归一化差异最大指数与旗叶氮含量、SPAD值和MDA含量有着显著的相关性,相关系数r分别为0.812 88,0.928 21和-0.722 17。综上所述,借助光谱数据和红边参数可以推测小麦含氮量的高低,所处的生育期和施氮肥的模式,进而为田间施肥管理及施肥诊断提供依据。CNDMI与小麦产量有着更好的相关性,符合我国资源卫星的光谱波段范围,具有可实际操作性。

晚播条件下基于高光谱的小麦叶面积指数估算方法

利用高光谱遥感技术,分析晚播条件下小麦叶片与冠层模式光谱特征和叶面积指数(LAI)的变化规律,建立了适用于晚播小麦的叶面积指数估算方法。研究结果表明:(1)从红光和蓝紫光420～663 nm波段提取的叶绿素光谱反射率植被指数(CSRVI)与旗叶SPAD值做相关性分析,结果表明正常播期和晚播处理在叶片模式的相关系数分别为0.963~*和0.997^(**),达显著和极显著水平。(2)利用相关性分析,得出两个播期处理的LAI与SPAD值相关系数分别是0.847~*和0.813~*,均达到显著水平。SPAD值与LAI及CSRVI指数均具有相关性,可以用CSRVI指数建立LAI的估算模型。(3)对叶片模式和冠层模式光谱曲线特征分析得出,叶片模式中在680～780 nm处的反射率呈现陡升趋势,在可见光波段的446和680 nm和近红外波段的1 440和1 925 nm处各有两个明显的吸收波谷,在540～600, 1 660和2 210 nm波段处有两个明显的反射波峰;三种冠层模式中60°模式下的光谱反射率整体表现为最高。(4)将各波段反射率与叶面积指数做相关性分析得出在可见光波段范围内,光谱反射率与LAI总体呈现负相关性, 500～600 nm处有一个波峰。(5)将三种冠层模式下(仪器入射角度分别与地面呈30°, 60°和90°夹角)的等效植被指数与LAI做相关性分析得出:60°冠层模式下八种植被指数与正常播期LAI的相关性均未达显著水平,比值植被指数(RVI)、归一化植被指数(NDVI)、增强型植被指数(EVI)、再次归一化植被指数(RDVI)、土壤调整植被指数(SAVI)、修改型土壤调整植被指数(MSAVI)的等六种植被指数与晚播条件下的LAI具有显著和极显著相关关系; 90°冠层模式下CSRVI指数与正常播期处理的LAI具有显著相关关系, NDVI指数与晚播处理的LAI具有显著相关关系; 30°冠层模式下的八种植被指数与两播期处理的LAI的相关性均未达显著水平。综合分析CSRVI指数、 NDVI指数的相关性最高,这两种指数最具有估算LAI的潜力。(6)通过三种冠层模式所计算的植被指数估算LAI模型,结果表明,正常播期条件下,其最佳估算模型是90°冠层模式CSRVI指数所建立的线性模型Y=-7.873 6+6.223 8X;晚播条件下的最佳模型是60°冠层模式RDVI指数所建立的幂函数模型Y=30 221 333.33X^(17.679 1),两个模型的决定系数R^2分别为0.950~*和0.974^(**)。研究表明试验中所提取的CSRVI指数能够反映旗叶叶绿素含量,可以通过光谱仪器的叶片模式对小麦生育期内叶绿素含量进行监测;通过冠层模式计算的CSRVI指数和RDVI指数所建立的LAI估算模型可以对小麦的LAI进行无损害观察。

江汉平原不同氮肥运筹模式下豆麦和稻/麦轮作系统小麦产量和经济效益差异

研究江汉平原豆麦(大豆/小麦)和稻麦(水稻/小麦)轮作系统中冬小麦生长规律对氮肥运筹模式的响应,可为缩小两种轮作模式下的小麦产量差异提供理论依据。试验设置传统施肥(70%底肥,30%越冬期追肥)和优化施肥(1/3底肥,1/3越冬期追肥,1/3拔节期追肥)2个处理,并以不施氮处理为对照,分析了豆麦和稻麦轮作系统中冬小麦的生长规律、产量及产量构成因素、肥料利用率和施肥效益等。结果表明:施氮和轮作模式均对小麦产量有显著影响,优化施肥产量显著高于传统施肥,两者产量差异在豆麦轮作系统下为920 kg·hm-2,在稻麦轮作系统下为2195 kg·hm-2。相同轮作模式下,传统施肥冬季、春季群体茎蘖数高于优化施肥,而优化施肥在整个生育期干物质总积累量较传统施肥高5%~31%(豆麦)和14%~28%(稻麦)。传统施肥下豆茬小麦产量较高的原因是穗数、成穗率、群体干物质积累量等均高于稻茬小麦;优化施肥下稻茬小麦产量较豆茬小麦增加幅度更大,表明优化氮肥模式可缩小豆麦与稻麦轮作中小麦的产量差异。两种轮作模式中小麦花后粒重分别呈现"慢-快-中"(豆麦)和"中-快-慢"(稻麦)的增加趋势;氮肥农学效率、小麦季纯收益等指标均以稻麦轮作优化施肥处理最高。综上,在江汉平原地区,稻麦轮作优化施肥处理下小麦群体结构合理,干物质积累量较高,产量和施肥效益增加显著,是江汉平原地区兼顾产量与施肥效益的最佳模式。