Multiscale assessment of ground,aerial and satellite spectral data for monitoring wheat grain nitrogen content

Wheat grain quality characteristics have experienced increasing attention as a central factor affecting wheat end-use products quality and human health.Nonetheless,in the last decades a reduction in grain quality has been observed.Therefore,it is central to develop efficient quality-related phenotyping tools.In this sense,one of the most relevant wheat features related to grain quality traits is grain nitrogen content,which is directly linked to grain protein content and monitorable with remote sensing approaches.Moreover,the relation between nitrogen fertilization and grain nitrogen content(protein)plays a central role in the sustainability of agriculture.Both aiming to develop efficient phenotyping tools using remote sensing instruments and to advance towards a field-level efficient and sustainable monitoring of grain nitrogen status,this paper studies the efficacy of various sensors,multispectral and visible red-greenblue(RGB),at different scales,ground and unmanned aerial vehicle(UAV),and phenological stages(anthesis and grain filling)to estimate grain nitrogen content.Linear models were calculated using vegetation indices at each sensing level,sensor type and phenological stage.Furthermore,this study explores the up-scalability of the best performing model to satellite level Sentinel-2 equivalent data.We found that models built at the phenological stage of anthesis with UAV-level multispectral cameras using red-edge bands outperformed grain nitrogen content estimation(R2=0.42,RMSE=0.18%)in comparison with those models built with RGB imagery at ground and aerial level,as well as with those built with widely used ground-level multispectral sensors.We also demonstrated the possibility to use UAV-built multispectral linear models at the satellite scale to determine grain nitrogen content effectively(R2=0.40,RMSE=0.29%)at actual wheat fields.

Difference of Nitrogen Uptake and Use Efficiency in Conventional Indica Rice Cultivars with Different Nitrogen Use Efficiency for Grain Output

[Objective] The study aimed to confirm difference of nitrogen uptake and used efficiency with different nitrogen use efficiency for grain output (NUEg) types of indica rice.[Method] 88 and 122 conventional indica rice cultivars were solution-cultured in 2001 and 2002, respectively. Dry matter weight (including root system, culm and sheath, leaves, panicle), nitrogen content of different organs, yield and its components were measured. The tested rice cultivars were classified into 6 types (i.e. A, B, C, D, E and F, A was the lowest, and F was the highest) based on their NUEg level by the MinSSw method.[Result](1)Difference of NUEg of the cultivars used in this study were very large; (2) No significant difference of N content at heading stage was observed among different NUEg types of indica rice. In the cultivars with higher NUEg, however, N content in leaf, stem-sheath and entire rice plant were lower at mature stage. (3)Cultivars with higher NUEg were characterized with lower N uptake before heading and at mature stage; (4) Cultivars with higher NUEg were characterized with higher N use efficiency in biomass production and harvest index. [Conclusion] The cultivars with higher NUEg showed lower N uptake and N content, while nitrogen use efficiency was higher.

玉米籽粒氮含量遗传位点挖掘及候选基因预测

玉米籽粒氮含量与品质紧密相关,其遗传机制的解析对玉米品质育种具有重要意义。本研究以252份玉米自交系为关联群体,利用贝叶斯信息与连锁不平衡迭代嵌套式模型(BLINK,bayesian-informationandlinkage-disequilibrium iteratively nested keyway)、固定随机循环概率模型(FarmCPU,fixed and random model circulating probability unification)、一般线性模型(GLM,general linear model)、混合线性模型(MLM,mixed linear model)、多位点混合线性模型(MLMM,multiple loci mixed model)和逐步排它性混合线性模型(SUPER,settlement of MLM under progressively exclusive relationship)等方法分别对其籽粒氮含量进行全基因组关联分析。共鉴定到13个与籽粒氮含量显著关联的SNP(P<3.64E-07)。BLINK、FarmCPU、GLM、MLM、MLMM和SUPER方法分别检测到6个、3个、7个、4个、2个和4个SNP位点。其中,S3_8879213在5种方法中均能检测到,S9_146173702在4种方法中均能检测到,S5_114774030和S7_182217338在3种方法中均能检测到,S1_10906326和S1_177528813在2种方法中均能检测到。共挖掘25个相关候选基因,其中Zm00001eb275080和Zm00001eb330700可能是影响玉米籽粒氮含量的重要候选基因。

耕作措施和施氮量对小麦籽粒产量、籽粒蛋白质含量和氮素利用率的影响

为明确黄淮海地区小麦产量、品质和氮素利用率协同提高的最优耕作和氮肥组合模式,于2018—2020年设置2 a大田定位试验,试验采用裂区设计,主区为耕作方式,分别为旋耕(R)、深耕(P)和深松(B);裂区为施氮量,分别为135 kg/hm^(2)(N135)、180 kg/hm^(2)(N180)、225 kg/hm^(2)(N225)、270 kg/hm^(2)(N270)。结果表明:耕作措施、施氮量及其互作对小麦籽粒产量、籽粒蛋白质含量和氮素利用率均有显著影响。深松较传统旋耕或深耕处理,小麦开花期、成熟期氮素积累量分别增加1.2%~18.9%、5.2%~16.3%,花前氮素转运量、花后氮素积累量分别增加0.8%~70.4%、5.7%~21.9%,植株氮素生产力、氮素利用率分别增加3.2%~21.1%、3.7%~40.7%,最终实现小麦籽粒产量、籽粒蛋白质含量和籽粒蛋白质产量分别提高3.7%~40.7%、3.6%~8.9%和3.0%~49.9%。在一定范围内,增加氮肥施用量可以促进小麦籽粒蛋白质含量的提高,但同时降低了氮素利用率。综合效应看,深松配合270 kg/hm^(2)施氮量可同时实现最高籽粒产量、籽粒蛋白质含量和籽粒蛋白质产量,且氮素利用率高于相同施氮量的旋耕、深耕处理。因此,就本试验区域而言,首选深松耕作方式并配合270 kg/hm^(2)施氮量可实现小麦产量和品质协同提高,同时维持较优的氮素利用率。

热处理工艺及氮含量对20CrMoH奥氏体粗化行为的影响

利用马弗炉热处理和光学金相显微镜对20CrMoH钢原始奥氏体金相组织进行了观察和晶粒尺寸测量,研究了热处理工艺和不同N含量对20CrMoH钢原始奥氏体组织生长规律的影响。研究表明:在热轧组织均匀和细小的情况下,热处理工艺和氮含量均对钢中奥氏体晶粒的影响显著。当N含量为78 ppm时,890℃热处理时晶粒长大不明显;随着加热温度升高,晶粒异常长大现象逐渐显著;当加热温度达到950℃时,晶粒粗化明显,并呈现出不均匀长大现象,出现混晶。当N含量为110 ppm时,890℃和950℃热处理时晶粒长大程度不明显;但是当加热温度达到甚至超过1000℃时,原始奥氏体晶粒出现快速、不均匀长大现象,加热2 h以内即出现混晶。整体而言,热处理温度对20CrMoH材料的原始奥氏体晶粒尺寸和均匀性有显著影响。相比较而言,110 ppm氮含量较78 ppm氮含量材料抵抗晶粒粗化的能力大幅度提升。氮含量的增加能够较大幅度提高20CrMoH齿轮钢的热处理粗化临界温度,拥有更宽的工艺窗口,更有助于产品后续热处理工艺的制定与执行。

氮肥后移对玉米灌浆、光合特性与氮效率的影响

为提高氮肥利用率,以郑单958为材料,2021-2022年在施氮总量250 kg·hm^(-2)条件下,设置4个施氮处理,传统施氮(全部基施,N1)为对照、拔节期后移30%+灌浆期后移10%(N2)、拔节期后移20%+灌浆期后移20%(N3)、拔节期后移10%+灌浆期后移30%(N4),以及不施氮区(N0),分析不同施氮处理对玉米灌浆,光合特性和氮效率的影响。结果表明,氮肥后移处理可显著促进籽粒灌浆,增加籽粒干物质量,灌浆高峰提前,延长了灌浆活跃期,平均灌浆速率和最大灌浆速率增加。与常规施氮不后移相比,氮肥后移处理可使玉米维持较高的叶绿素相对含量(SPAD)、净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)。氮肥后移能够显著提高成熟期氮素累积量、氮肥利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力。氮肥后移还能够显著增加夏玉米穗粒数和百粒重,使籽粒产量平均提高了16.32%~34.67%,生物产量平均提高了12.81%~25.89%。在施氮总量250 kg·hm^(-2)的水平下,拔节期后移20%+灌浆期后移20%(N3)可有效提高河南砂姜黑土区夏玉米氮素供需吻合度,是实现夏玉米增产、增效的有效措施。

自蔓延燃烧合成高氮氮化钒铌铁合金的工艺

自蔓延燃烧合成技术是依靠反应自身放热来合成材料的新技术,不需外加热源,设备简单,工序简洁。承德锦科科技股份有限公司利用此技术成功开发了氮化钒铁、氮化钒硅铁、氮化铌铁等专利产品。本文在常规自蔓延燃烧合成技术基础上,通过优化原料配比、原料粒度级配、氮气压力和稀释剂配加量等关键技术,成功开发出了高氮氮化钒铌铁新型合金FeV_(30)Nb_(4)N_(14)。该合金N/(V+Nb)比值达到0.4以上,微合金化过程能充分发挥钒的析出强化和铌的细晶强化作用。使用该合金制备的微合金化钢筋HRB600E的抗拉强度800~855MPa、延伸率16%~18%、正反弯性能均合格,力学性能符合抗震要求;晶粒度等级达到10.5级以上;V平均含量为0.105%,比常规钒氮合金+铌铁复合微合金化工艺的0.140%降低了0.035个百分点,节约钒消耗25%,吨钢成本降低50.5元,为钢企创造了显著的经济效益。

Effects of tridimensional uniform sowing on water consumption, nitrogen use, and yield in winter wheat

Wheat is a staple crop worldwide, but yields may diminish as climate change causes increasingly unpredictable patterns of precipitation and soil nutrient availability. Farmers are thus challenged to maximize planting efficiency to increase yield, while also improving their resource use efficiency. In this study the effectiveness of tridimensional uniform sowing was tested across a range of planting densities for winter wheat crops on the North China Plain. Tridimensional uniform sowing was tested against conventional drilling at three planting densities (180 × 104, 270 × 104, and 360 × 104 plants ha 1) and assessed for water consumption, biomass, nitrogen uptake and allocation, and aspects of yield. The tridimensional uniform sowing treatment outperformed the conventional drilling treatment in most metrics and at most planting densities, while performing markedly better at higher planting densities. Water consumption decreased and nitrogen efficiency increased. Tiller number and percentage of productive tillers, leaf area index, dry weight, and yield increased without a significant decline in grain protein. Nitrogen allocation was more efficient under tridimensional uniform sowing than with conventional drilling, and also varied according to annual precipitation and planting density. Both yield and grain protein contents were significantly correlated with the amount of pre-anthesis accumu- lated nitrogen translocated from vegetative organs to kernels after anthesis. Overall, a density of 270 × 104 plants ha 1 provided the highest water use efficiency and grain yield. Tridimensional uniform sowing will benefit farmers by forming stronger overall crops, promoting the coordinated improvement of yield, nitrogen uptake and efficiency, and increasing grain protein content at higher planting densities.

Changes in Activities of Glutamine Synthetase during Grain Filling and Their Relation to Rice Quality

Four japonica rice varieties differed in cooking and eating qualities were used in a pot experiment to study the relationship between the activities of glutamine synthetase during grain filling and rice quality. The activities of glutamine synthetase gradually increased and then declined as a single peak curve in the course of grain filling. The 15th day after heading was a turning point, before which the enzymatic activities in the inferior rice varieties with high protein content were higher than those in the superior rice varietie with low protein content, and after which it was converse. The activity of glutamine synthetase in grain was correlated with the taste meter value, peak viscosity and breakdown negatively at the early stage of grain filling whereas positively at the middle and late stages. Moreover, it was correlated with the protein content of rice grain and setback positively at the early stage and negatively at the middle and late stages. The correlation degree varied with the course of grain filling. From 15 days to 20 days after heading was a critical stage, in which the direction of correlation between the activity of glutamine synthetase and taste meter value and RVA properties of rice changed.

施氮量对3个极早熟高粱品种干物质积累及籽粒品质的影响

为探明不同用量氮素对春播早熟区极早熟高粱的干物质积累、氮素积累及籽粒品质的影响,本试验采用裂区设计,以氮素施用量为主处理,以龙杂19、龙杂20和齐杂722品种为副处理,设置0(N0)、60(N60)、120(N120)、180(N180)、240(N240)、300(N300)kg/hm^(2)共6个施氮水平,研究不同施氮量对不同品种高粱植株干物质积累、氮素积累和籽粒淀粉、单宁及氮、磷、钾含量的影响。结果表明,施用氮肥可有效提高3个品种高粱干物质和氮素积累量,不同生育时期达到较高干物质积累量的施氮量分别为五叶期120~240 kg/hm^(2)、拔节期120~180 kg/hm^(2)、开花期120~240 kg/hm^(2)、成熟期300 kg/hm^(2);各阶段干物质积累量表现为开花期-成熟期>拔节期-开花期>五叶期-拔节期>出苗期-五叶期。同时,不同生育时期达到较高氮素积累量的施氮量分别为五叶期120~240 kg/hm^(2)、拔节期180 kg/hm^(2)、开花期和成熟期240 kg/hm^(2);各阶段氮素积累量表现为拔节期-开花期>开花期-成熟期>五叶期-拔节期>出苗期-五叶期。籽粒淀粉和单宁含量随施氮量增加呈降低趋势,其中,施氮处理后的单宁含量显著低于不施氮处理。施氮肥后籽粒氮含量显著增加,但磷钾含量无显著变化。

氮肥运筹对黄土高原春玉米产量形成和氮代谢的调控效应

为明确黄土高原旱地春玉米减肥增效的科学生产模式,采用完全随机裂区试验设计,以氮肥梯度(N1:225 kg/hm^(2);N2:275 kg/hm^(2);N3:325 kg/hm^(2))为主区,在播种前、大喇叭口期追肥分别占总施氮量的20%、40%条件下,以氮肥后移比例(传统追肥M1:拔节期40%;氮肥后移10%M2:拔节期30%+开花后10 d 10%;氮肥后移20%M3:拔节期20%+开花后10 d 20%;氮肥后移30%M4:拔节期10%+开花后10 d 30%)为副区,测定玉米不同生育阶段硝酸还原酶(NR)活性、花期和成熟期茎秆叶片氮含量变化、花后氮素转运特征和籽粒产量。结果表明:M4处理显著增加了拔节期之后玉米叶片NR活性,同一氮肥运筹模式下,中氮(N2)提高了灌浆期及灌浆期之后玉米叶片NR活性,高氮(N3)反而抑制NR活性。氮肥后移提高了花期、成熟期玉米茎秆叶片氮含量,成熟期N3处理下氮肥后移处理M2、M3、M4较传统追肥M1处理分别高10.1%、14.7%和23.5%。同一施氮水平下,氮肥后移比例越大,玉米茎秆氮素转运量、转运率和对籽粒的贡献率越高,而N2水平下,M4处理显著增加了叶片对籽粒的贡献率。N2和N3水平下M4处理籽粒产量无显著差异,但N2处理纯利润显著高于N3处理。施氮275 kg/hm^(2)且氮肥后移30%(拔节期追肥27.5 kg/hm^(2)+开花后10 d追肥82.5 kg/hm^(2))有利于玉米增产,促进农户增收。

氮肥和品种及种植密度对春玉米机械化收获性状及产量的影响

机械化收获是提高农业生产效率的重要措施,但机械化收获受倒伏、籽粒脱水特性和收获籽粒含水率等的影响。为探讨春玉米形态结构与抗倒伏性之间的关系,籽粒脱水进程和收获籽粒含水率对品种、施氮量和种植密度的响应,该研究以先玉335和陕单609为试验材料,设置0、180和225 kg/hm^(2)三个氮肥水平,6.5×10^(4)和8.5×10^(4)株/hm^(2)两个种植密度,通过2 a大田试验研究品种、种植密度和氮肥对株高、茎粗、穗位系数、抗折强度、弯曲力矩、倒伏系数、灌浆末期籽粒脱水速率、收获籽粒含水率、产量和生物量等的影响。结果表明:不施氮条件下,株高和茎粗对倒伏系数影响较大;施氮条件下,倒伏系数主要受弯曲力矩、抗折强度和株高影响。施氮显著降低陕单609的倒伏系数(P<0.05),施氮处理下陕单609的株高和茎粗较不施氮处理分别增加8%~21%和26%~45%,抗折强度和弯曲力矩分别增加157%~277%和72%~114%,倒伏系数降低30%~47%。施氮可降低籽粒脱水速率,推迟脱水进程,显著增加收获籽粒含水率(P<0.05)。施氮处理籽粒含水率较不施氮处理提高7%~9%。高密度处理收获籽粒含水率比低密度处理低3%(P<0.05)。先玉335的籽粒脱水速率快,收获籽粒含水率比陕单609低7%(P<0.05)。与不施氮处理相比,施氮处理产量和生物量分别显著提高92%和63%(P<0.05)。与低密度处理相比,高密度处理产量显著增加12%(P<0.05)。综上所述,春玉米的倒伏性、灌浆后期籽粒脱水速率及收获籽粒含水率受品种特性影响,也受施肥、栽培措施和气候条件的显著影响。选育籽粒脱水快的品种、适当增加种植密度并合理统筹氮肥施用量可以提高春玉米机械化收获适宜性。

基于叶片及冠层叶绿素参数的冬小麦籽粒蛋白质含量预测研究

小麦籽粒蛋白质含量是衡量小麦营养品质的重要指标,实现小麦品质快速的预测预报对于粮食收购部门和加工企业具有重要意义。研究基于作物叶绿素/氮素速测仪SPAD及Multiplex 3,获取冬小麦不同生育期叶片及冠层叶绿素参数,从小麦个体及群体参量两方面进行冬小麦收获期籽粒蛋白质含量及蛋白产量的预测研究。试验于2012年4—6月在国家精准农业研究示范基地开展,研究结果表明,冬小麦返青至灌浆初期,小麦冠层氮素密度与籽粒蛋白质含量的相关性优于叶片氮素含量与蛋白质含量的相关性,灌浆中期两者与籽粒蛋白质含量相关性差别不大;小麦叶片SPAD值与叶片氮素含量相关性总体优于其与冠层氮素密度的相关性,而叶绿素荧光参数SFR_G,SFR_R与冠层氮素密度的相关性优于其与叶片氮素含量的相关性;叶片SPAD与籽粒蛋白质含量的相关性在拔节期最弱,在灌浆中期最强,小麦冠层叶绿素荧光参数SFR_G,SFR_R与籽粒蛋白质含量相关性在返青至拔节期不显著,但孕穗期开始显著相关,在灌浆中期相关性最强且明显优于同期叶片SPAD与籽粒蛋白质含量的相关性;冬小麦籽粒蛋白产量与叶片SPAD值在小麦孕穗期至灌浆期显著相关,与SFR_G和SFR_R在小麦灌浆期显著相关;研究基于灌浆中期SPAD值及SFR_R值,构建了冬小麦籽粒蛋白质含量及籽粒蛋白产量的预测模型,其中,籽粒蛋白质含量预测模型复相关指数分别为0.426和0.497,模型标准误差分别为0.060%和0.055%,籽粒蛋白产量预测模型复相关指数分别为0.366和0.386,模型标准误差分别为125.367和123.454kg·ha-1。研究表明,利用叶片SPAD值及冠层叶绿素荧光信息,在小麦收获前进行品质的快速预测是可行的。

氮素水平对小麦籽粒产量和蛋白质含量的影响及其生理基础

在大田高产条件下研究了氮素水平对小麦籽粒产量和蛋白质含量的影响及其生理基础。结果表明 ,适当提高氮素水平既能增加小麦籽粒产量又能提高蛋白质含量 ,使籽粒产量和蛋白质含量达到同步增加 ,氮素水平过高虽能够提高籽粒蛋白质含量 ,但籽粒产量下降。适当提高氮素水平可以提高源器官碳素同化能力和氮素同化能力 ,又能够促进开花前暂贮于营养器官中的同化物质向籽粒中运转 ,增加籽粒中淀粉合成有关酶和氮素同化酶的活性 ,从而导致小麦籽粒产量和蛋白质含量同步增加。氮素水平过高 ,虽能促进源器官和籽粒中的氮素同化能力 ,但由于碳素同化酶和籽粒淀粉合成酶活性降低和开花前暂贮于营养器官中的同化物质向籽粒中的运转效率降低 ,而导致小麦籽粒蛋白质含量提高 ,产量下降。

基于氮素营养指数的冬小麦籽粒蛋白质含量遥感反演

基于遥感实现小麦籽粒蛋白质含量提早估测对农业生产具有重要意义。为提高预测小麦籽粒蛋白质含量的准确度,该研究引入能更好反映作物氮素营养状况的农学参数-氮素营养指数,作为衔接遥感信息与产终籽粒蛋白质含量的桥梁。在田间试验的基础上,探讨氮素营养指数与其他农学参数在诊断籽粒蛋白质含量上的优劣,并基于"遥感参数-氮素营养指数-籽粒蛋白质含量"间关系,利用主成分回归算法构建估测籽粒蛋白质含量的遥感反演模型。结果表明,相比于其他参数,冬小麦旗叶期氮素营养指数能更好的反映产终籽粒蛋白质含量;以氮素营养指数为中间变量,所建遥感反演模型能准确预测小麦籽粒蛋白质含量,模型的预测决定系数为0.48,预测标准误差为0.38%,相对误差为2.32%。

氮肥用量对小麦籽粒粒重及淀粉含量的影响

为明确氮肥对小麦强、弱势粒粒重及淀粉品质的影响与调控,以强筋小麦烟农21和中筋小麦鲁麦21为材料,研究了三个氮肥水平(120、240、360 kg N/ha,分别用N1、N2、N3表示)下小麦籽粒增重过程及直、支链淀粉含量的变化规律。结果表明,随氮肥施用量的增加,强、弱势粒千粒重均降低,且灌浆后期处理间差异显著。两个品种强势粒千粒重均高于弱势粒;随氮肥施用量的增加,烟农21强、弱势粒灌浆速率均降低。两个品种强势粒灌浆速率均高于弱势粒;随氮肥使用量的增加,两品种强、弱势粒直链淀粉含量降低。支链淀粉从花后7 d开始积累,花后35 d含量达到最大值。当氮肥施用量为240 kg N/ha时,鲁麦21强、弱势粒支链淀粉含量较高,分别为48.73%和45.03%;烟农21对氮肥的反应与鲁麦21基本一致,强、弱势粒支链淀粉含量分别为57.04%和55.94%。

基于氮素运转原理和GRA-PLS算法的冬小麦籽粒蛋白质含量遥感预测

【目的】及时、有效地预测籽粒蛋白质含量,能够为优质小麦品种的收购和加工提供科学合理的决策支持信息。本研究从籽粒蛋白质形成的氮素运转规律出发,研究冬小麦籽粒蛋白质遥感预测的可行性及在区域与年际间的扩展性,为高分辨率遥感卫星进行大面积蛋白质预测提供理论依据。【方法】利用2012—2013年4个冬小麦品种×4个氮肥梯度的试验数据和地面高光谱数据进行建模;基于小麦籽粒蛋白质形成的氮素运转机理,通过分析籽粒氮素累积量的两个主要来源及其之间的比例关系,重点抓住开花前的植株氮素累积量再运转这一主要来源,而灌浆期根际的氮素直接吸收则通过其与前者的比例关系来确定,通过相关农学参数模型的耦合,同时加入温度影响因子对籽粒氮素运转的影响,初步阐明了利用开花期小麦叶片氮含量可以预测籽粒蛋白质含量的应用机理;然后选择与叶片氮含量相关的植被指数,利用灰色关联分析-偏最小二乘算法(GRA-PLS)选择与叶片氮含量关联度较高的植被指数并进行小麦叶片氮含量的估算,通过与氮素运转模型的耦合构建了基于氮素运转原理的籽粒蛋白质含量遥感预测模型;最后利用2009—2010年的品种×播期×肥料试验和2012—2013年的其他品种氮肥处理试验进行验证。【结果】(1)通过GRA方法对叶片氮含量和植被指数间的关联度进行计算,选择关联度较大的前5个植被指数进行叶片氮含量建模,其植被指数分别为mND705、NDVIcanste、Readone、DCNI和NDCI;(2)通过PLS方法构建的叶片氮含量模型,建模结果的预测值与实测值的决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)分别为0.859和0.257%,验证结果的R2和RMSE分别为0.726和0.063%,利用GRA-PLS方法估算叶片氮素含量具有较好的稳定性;(3)构建的蛋白质预测模型,建模结果和验证结果的预测值与实测值的R2和RMSE分别为0.713、1.30%和0.609、1.19%,预测模型具有较高的精度与可靠性。【结论】基于氮素运转规律构建的小麦籽粒蛋白质含量遥感预测模型,可以作为应用开花期遥感信息来预测籽粒蛋白质含量的机理性解释,初步实现了本研究区域和年际间的籽粒蛋白质含量预测,具有一定的应用前景。

基于开花期氮素营养指标的冬小麦籽粒蛋白质含量遥感预测

籽粒蛋白含量(grain protein content,GPC)是衡量小麦品质的重要指标,及时准确的预测小麦GPC有利于小麦的分类收割和分级存储。为了能够选择一个合适的氮素营养指标作为中间变量来反演小麦GPC,该文研究分别以开花期植株氮素累积量(plant nitrogen accumulation,PNA)、植株氮素含量(plant nitrogen content,PNC)、叶片氮素累积量(leaf nitrogen accumulation,LNA)和叶片氮素含量(leaf nitrogen content,LNC)4个氮素营养指标为中间变量,并运用支持向量机(support vector machines,SVM)算法实现4个氮素营养指标的估测,最后构建及评价基于开花期"植被指数(vegetation index,VI)-氮素营养指标(nitrogen nutrition index,NNI)-GPC"模式的冬小麦GPC预测模型。结果表明:1)通过分析植被指数与氮素营养指标的相关性,选择植被指数MSAVI、PSRI、DVI、RDVI和GNDVI作为氮素营养指标模型的构建变量;2)运用SVM方法构建的VI-NNI模型中LNC的建模精度与验证精度相对最优,其建模决定系数(coefficient of determination,R^2)和验证集标准均方根误差(normalized root mean squared error,n RMSE)及验证标准化平均误差(normalized average error,NAE)分别为0.820、9.553%、-1.4%,验证结果稳定性较好;3)构建NNI-GPC模型中PNC的建模精度与验证精度相对最好,其建模R^2和验证n RMSE及NAE分别为0.653、9.843%、-0.3%;4)最终构建的VI-NNI-GPC模型中,以开花期PNC为中间变量的模型建模及反演精度最好,其建模R^2和验证n RMSE及NAE分别为0.631、8.564%、-0.9%。以氮素营养指标为中间变量的GPC遥感反演是可行的,并且比较4个氮素营养指标为中间变量反演GPC,PNC具有较高精度的预测结果,为精确反演GPC提供一个可靠的依据,具有一定的应用前景。

基于穗层反射光谱的小麦籽粒蛋白质含量监测的研究

本试验对近地面高光谱仪监测小麦的不同测定方法进行了探讨,并比较了各方法对籽粒蛋白质含量(GPC)的预测能力。结果表明,穗全氮含量(ETNC)与穗层光谱反射率(Rel)的相关系数普遍高于与冠层光谱反射率(Rc)的相关系数。同时,基于小麦光谱反射率、穗全氮含量、籽粒蛋白质含量三者之间的相关性,选择了包括植被指数在内的20个穗层光谱特征参量,与ETNC进行相关分析,建立了最佳光谱特征参量预测ETNC以及ETNC预测籽粒蛋白质含量(GPC)的统计相关模型。通过2个模型的链接,建立了利用比值植被指数RVI[890,670]预测GPC的回归模型,可以较好地预测小麦籽粒蛋白质含量。在相同条件下,相对于以往基于冠层光谱的方法,基于穗层光谱的RVI[890,670]对GPC的预测表现出较大的优势,决定系数R2由0.662提高到0.865,总均方根差RMSE由0.851降低到0.734。本研究为实现田间条件下小麦氮素及相关品质指标的便携式监测仪的开发研制提供了初步的依据。

基于NDVI和氮素积累的冬小麦籽粒蛋白质含量预测模型

蛋白质含量是小麦重要的品质指标,快速、大面积获取其变化动态信息,对于品种种植区划研究和食品品质加工非常重要。通过设置不同年份、不同区域的小麦种植试验,综合分析TM遥感影像的植被指数和小麦长势信息之间的关系,结合小麦灌浆期间气候环境条件对籽粒品质形成的影响特点,建立基于NDVI和籽粒氮素积累生理生态过程的籽粒蛋白质含量预测模型。利用不同的试验数据对模型的可靠性进行了检验,模型的预测值与测量值较为一致,均方根差(RMSE)小于0.47%-0.59%。模型预测性能较好,且具有一定的解释性和机理性,可以适用于不同年度、不同区域间对小麦籽粒蛋白质含量的监测预报。基于空间遥感信息和籽粒氮素积累的生理生态过程,建立了较为简化的小麦籽粒蛋白质含量的预测模型,模型的研究不仅为实时预测不同生态条件下小麦籽粒蛋白质含量的动态变化奠定了基础,而且是对国内外现有小麦品质模型的发展和完善。