品种和生育时期对冠层光谱指数(NDVI)估测马铃薯植株氮素浓度的影响

NDVI是反映作物叶绿素相对含量及氮素水平的重要参数,但是作物品种和生育时期的变化对NDVI估测氮素营养的能力有重要影响。本研究在内蒙古阴山北麓马铃薯主产区进行了多年多品种田间试验,于2014-2016年7月上旬至8月中旬马铃薯关键生育时期,利用便携式主动作物传感器GreenSeeker获取马铃薯冠层光谱指数NDVI,对比了品种和生育时期对NDVI估测结果的影响。结果表明,块茎形成期NDVI与马铃薯植株氮素浓度相关性较差,随着生育时期的推进,NDVI与植株氮素浓度的线性相关性增强,块茎膨大期与淀粉积累期组合会显著提高NDVI与植株氮素浓度的线性建模效果。品种混合会降低NDVI的灵敏性,增加数据的离散性,基于时间序列归一化的光谱指数TNDVI能够克服这些问题,尤其是在块茎膨大期TNDVI与植株氮素浓度的拟合决定系数(R2)能够由原来的0.13提高到0.47。TNDVI对块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期组合的线性估测建模R2为0.76,显著高于NDVI。株型展开型的品种在块茎膨大期和淀粉积累期更具线性拟合趋势。研究表明,马铃薯生育时期和品种对NDVI估测植株氮素浓度有显著影响,且生育时期的影响更大。构建的TNDVI光谱指数能够克服品种差异导致的块茎膨大期、淀粉积累期数据分异及饱和现象,为NDVI在马铃薯植株氮素浓度诊断应用的普适性上提供了理论依据与方法。

基于高光谱指数估测马铃薯植株氮素浓度的敏感波段提取

【目的】基于光谱指数的氮素营养诊断是快速获取作物氮素营养状况的方式之一。其中,利用可见光和近红外波段光谱反射率构建的比率和归一化光谱指数对估测作物氮素营养状况具有重要意义。解决氮素营养诊断过程中存在的指数饱和及数据离散问题,以评价已有比率和归一化光谱指数对马铃薯关键生育时期植株氮素浓度诊断的可行性。【方法】2014—2016年在内蒙古武川县和四子王旗,设置了4个不同氮肥梯度的多点田间试验。在马铃薯块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期,采集试验地和邻近农田马铃薯地上部和块茎样品,分析其氮素含量。并在马铃薯冠层以上50~80 cm采集光谱数据。用试验田数据建立了12个已发表的比率、归一化光谱指数和波段优化光谱指数与马铃薯关键生育时期植株氮素浓度的相关性与估测模型,并用农田马铃薯数据验证模型的精度。【结果】马铃薯植株氮素浓度分布范围在1.89%~4.69%,平均氮素浓度为3.30%,变异系数为18.75%;验证集数据来源于农民田块,马铃薯植株氮素浓度分布范围在2.00%~4.92%,平均氮素浓度为3.34%,变异系数为19.27%。蓝紫光400~450 nm和红边690~720 nm波段是马铃薯植株氮素浓度估测的敏感波段,部分已有光谱指数虽然可以用于马铃薯植株氮素浓度的估测,但是蓝紫光波段的缺失大大降低了估测的准确性。通过波段优化算法确定的优化光谱指数RSI、NDSI最佳波段位置分别为430、694和426、694 nm。基于优化光谱指数NDSI(426 nm、694 nm)建立的马铃薯植株氮素浓度线性估测模型为y=?6.87x+6.08,决定系数R2最高,为0.68;RSI光谱指数与马铃薯植株氮素浓度的线性估测模型为y=?1.11x+5.92,R2为0.65,与已有比率和归一化光谱指数相比,优化光谱指数RSI和NDSI克服了高氮浓度条件下光谱指数饱和现象,显著提高了马铃薯植株氮素浓度的线性建模效果。农民田块验证数据显示,估测模型的估测值与实测值接近1∶1线,其中NDSI光谱指数估测模型的验证效果最佳,平均相对误差RE和均方根误差RMSE分别为10.58%和0.42%。【结论】本研究通过波段优化算法确定了比率和归一化光谱指数的马铃薯植株氮素浓度敏感波段,采用蓝紫光400~450 nm和红边690~720 nm波段进行马铃薯植株氮素浓度估测,可以改善诊断高氮浓度时的指数灵敏度和数据离散问题,提高马铃薯植株氮素营养诊断的精度。