基于苗情光谱诊断的冬小麦变量追氮决策研究

作     者：束美艳 

作者单位：山东科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱金山;顾晓鹤

授予年度：2019年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 09[农学] 070302[理学-分析化学] 0901[农学-作物学] 0703[理学-化学] 

主      题：冬小麦 叶面积指数 归一化差异红边指数 变量追氮 适宜生长指标 光谱诊断 

摘      要：苗情长势是基础地力、水肥盈亏、气象条件等因素的综合体现。氮肥既是冬小麦生长发育的主要营养源之一,又是农业生态系统的重要污染源之一。因此,现代农业需要对养分进行精准管理,提高氮肥利用效率。随着近年来光谱速测仪、无人机以及卫星遥感技术的迅猛发展,基于不同平台的苗情光谱诊断技术也得到了长足的进步,初步实现了群体参量光谱诊断的定量化、快速化和客观化,这也为基于苗情实时动态变化的农作物关键生育期氮肥追施决策提供了可靠的技术支持。由于冬小麦生长发育进程迅速,精准的田间变量施肥决策离不开苗情信息的实时、准确获取,也离不开普适性高的轻简化变量追氮决策模式,因此,有必要针对多平台光谱信息获取的特点,结合冬小麦生产的地域差异,研发一套点面结合的冬小麦苗情诊断与变量追氮技术体系。本文选取京津冀地区的冬小麦生产大县藁城区、晋州市和鹿泉区为研究区,在多年小区氮肥控制试验和变量追氮对照试验的支持下,获取一整套冠层光谱、农学参数、产量、气象、土壤、遥感影像等试验数据集,分析不同施氮水平下的冬小麦关键农学参数光谱响应规律,构建耦合有效积温的冬小麦生长全程苗情时序动态监测模型,以解决冬小麦苗情诊断中的地域与年际差异性问题;分析不同目标产量下的冬小麦叶面积指数(LAI)与归一化差异红边指数(NDRE)的动态变化规律,拟合构建高产目标下的冬小麦LAI与NDRE适宜生长曲线,结合产量水平、适宜生长指标和实测生长指标的内在联系,提出适宜LAI法和适宜NDRE法的冬小麦变量追氮决策模型,以实现任意时间点的基于苗情诊断的冬小麦追肥决策,并与最大LAI法对比分析;结合关键生育期的卫星遥感影像,实现地块尺度和区域尺度相结合的冬小麦变量追氮决策技术体系。主要结论如下:(1)本研究分析了不同施氮水平下的田间速测NDRE与有效积温、实际产量的响应关系,构建基于相对NDRE和有效积温相结合的冬小麦生长全程群体长势时序动态模型。藁城试验区3种施氮水平下所建模型R2分别高达0.96、0.94、0.95,RMSE最低分别为0.05、0.06、0.06,以晋州和鹿泉试验数据进行异域样本验证,取得了较高的精度,说明该模型具有较高的普适性和准确性。RNDRE动态模型耦合了有效积温作为调整参量,能够实时准确地反映冬小麦的苗情动态状况,弥补了以往不同生育期需独立建模的缺点,且适用于不同地区播期不同、品种不同、追肥时间不同的情况。(2)本研究构建了高产目标下的冬小麦生长指标适宜动态曲线,提出适宜LAI和适宜NDRE变量追氮,并将最大LAI法作为参照,对比分析了 3种变量追氮决策模型的实际应用效果,实现了地块尺度与区域尺度相结合的变量追氮处方图制作。本研究所使用的CGMD302型作物生长监测仪测量结果与ASD高光谱仪具有很好的一致性,决定系数优于0.70;施氮水平对于冬小麦苗情长势具有较大影响,NDRE、LAI、生物量、植株氮素含量等参数均呈现出0.5倍N1倍N2倍N的变化规律;所构建的冬小麦生长指标(LAI、NDRE)随有效积温变化的适宜动态曲线,可有效避免播期和气象条件对于苗情光谱诊断精度的干扰;由于河北地区早春偏旱,最大LAI不适用于苗情较弱状态下的起身期追氮,而适宜LAI和适宜NDRE变量追氮模型可有效实现研究区冬小麦起身期和孕穗期分批定量追肥,一方面节约了氮肥投入,另一方面提高了肥效、且有效提升了单产水平;利用田间速测仪CGMD302实现了地块尺度的冬小麦变量追氮决策指导,同时在卫星遥感影像的支持下,开展了冬小麦叶面积指数遥感反演模型,结合适宜LAI追氮模型,实现了县域尺度的冬小麦追氮处方图制作,点面结合的追氮处方图可以为基层农业管理人员提供可靠的冬小麦田间管理支持。