基于反射光谱的水稻氮素营养诊断模型研究

【作者】 刘桃菊； 张笑东； 胡雯君； 徐涛； 姚静； 江绍琳； 唐建军；

【机构】 江西农业大学农学院；

【摘要】 氮素运筹是作物生产中最重要的管理措施,适时适量的氮素供给是作物高产优质的根本保证,作物氮素状况是评价长势,提高产量和改善品质的重要指标,因此,生产上需要基于适时掌握作物长势和氮素状况,进行及时合理的氮素诊断和施肥调控。随着高光谱遥感技术的发展,使得遥感能在光谱维上展开,可以直接对地物进行微弱光谱差异的定量分析,能够精细表达植被叶绿素、氮、水等生化组分及细胞结构多次散射的波型,利用反射光谱数据来估测水稻氮素状况已经成为水稻长势监测的一种重要手段。冠层光谱是一种综合信息,是众多地物的混合光谱,为了准确提取目标物的特征信息,可以构造许多对生物理化参数相对敏感的光谱指数,通过构造光谱指数和使用导数光谱技术提高植被指数的估测精度,因此,在遥感定量分析中,有必要采用不同的光谱数据处理技术,通过对冠层高光谱信息的提取和分析,从而对作物长势进行有效监测与营养诊断。本试验以水稻为试验材料,设置不同施氮水平,进行大田和盆栽试验。在水稻拔节期、孕穗期、抽穗期、灌浆期、成熟期,选择天气晴朗、无风或风速很小时测定冠层光谱,并选取有代表性的水稻植株,同步测定叶片和植株的含氮量,研究不同施氮量条件下水稻反射光谱特征及其与叶片氮含量的关系,筛选与氮含量较为敏感的光谱参数,并构建对应的监测模型,结果表明:水稻叶片氮含量与原始光谱反射率在可见光波段无明显相关,在近红外波段相关系数较高,在波长781nm处的相关性最大(r=0.6942)。水稻叶片氮素含量与光谱反射率的一阶导数相关性较强,在许多单一波段都达到了显著水平,其中叶片氮素含量与光谱反射率的一阶导数在波长740nm处相关性最大(r=0.8301),且呈现出极显著正相关关系。对基于光谱位置的光谱特征参数与叶片氮素含量进行分析,其中红边内最大一阶微分值(Dr)与叶片氮素含量的达到极显著负相关(r=-0.748)。以氮素含量为因变量,波长781nm处的反射率为自变量,通过线性拟合建立了氮素含量与该波段处光谱反射率的关系模型,通过筛选,二次方程所建立的模型决定系数(R~2)最大。用叶片氮素含量为因变量,波长740nm处反射率的一阶导数为自变量,通过线性拟合建立这两者的关系模型,通过筛选,幂方程所建立的模型最佳。两者对比,波长740nm处反射率的一阶导数对叶片氮素含量的拟合程度相对高于波长781nm原始光谱反射率的拟合程度。为了验证波长740nm处反射率的一阶导数诊断叶片氮素营养模型的可靠性,采用均方根误差(RMSE)和相对分析误差(RPD)两个指标评价模型精度,通过检验得知,均方根误差RMSE为0.52,分析误差RPD为1.54。更多还原