基于氮肥效应函数与遥感估产模型的苹果施肥决策研究

作     者：白雪源 

作者单位：山东农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱西存

授予年度：2021年

学科分类：082804[工学-农业电气化与自动化] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0902[农学-园艺学] 090201[农学-果树学] 

主      题：氮肥效应函数 遥感估产 苹果树 施肥决策 

摘      要：氮肥的合理施用对于苹果树生长发育至关重要,但长期以来,果农对于果树养分需求的理论认识不够,对于氮肥投入缺乏科学的指导,过量施肥现象严重,导致果树养分不平衡、果实品质下降,进而产生经济效益降低和环境污染等问题。近年来,随着遥感技术的不断发展,农业生产过程中的智能化和信息化水平的不断提高,如何充分发挥遥感技术优势,与农学知识结合,实现果树的区域施肥决策,对果园精准管理和智慧农业的发展具有十分重要的意义。本研究以盛果期红富士苹果树为研究对象,以山东省栖霞市观里镇苹果种植区为研究区,进行了区域产量估测与施肥决策。首先收集了中国苹果主产区共488户苹果种植农户氮肥投入与产量的数据,并对氮肥投入量与产量的关系进行了分析,利用广义可加模型和分段线性模型构建了苹果氮肥效应函数,建立了目标产量与氮肥需求量的定量关系。然后利用研究区2019-2020年苹果全生育期Planet多光谱遥感影像数据和对应的苹果产量数据,比较了基于不同物候期植被指数积分的随机森林模型和遥感与气象数据结合的光能利用率CASA模型对苹果产量估测的精度,并利用最优模型对研究区苹果历史产量进行了估测。最后基于历史产量估测数据和氮肥效应函数进行了区域苹果产量估测与施肥推荐。主要研究结果是:(1)构建了基于农户调研数据的氮肥效应函数以盛果期红富士苹果树为研究对象,对中国苹果主产区共488名果农的苹果氮肥投入量与产量的调研数据进行了统计分析。分析了不同氮肥投入水平下平均产量、产量变异性特征并利用非参数检验对不同氮肥投入水平的产量差异性进行分析。结果表明,相同施肥水平下产量变异性很大,变异系数超过60%,随施肥水平的提高,总体产量总体表现出增加的趋势。氮肥投入量0.5 kg N/株的农户苹果产量显著低于其他氮肥投入水平下的对应产量。基于广义可加模型和线性模型对可实现产量进行拟合构建了氮肥效应函数,可以实现基于预期产量计算氮肥推荐施用量。(2)建立并检验了基于植被指数积分模型和CASA模型的苹果产量估测模型利用2019年和2020年时间序列Planet多光谱影像数据和苹果产量数据构建了植被指数积分模型和CASA模型估测苹果产量,并对模型的精度进行了对比。计算了SR、DVI、NDVI、SAVI、RDVI和EVI,并利用线性插值法构建了逐日的时间序列植被指数曲线。利用NDVI提取了苹果开花期、新梢旺长期、新梢停长期、秋梢旺长期和秋梢停长期,分别构建了基于不同物候期NDVI、SAVI、EVI、DVI、SR和RDVI积分的随机森林模型。利用时间序列SR和NDVI数据结合地表下行短波辐射数据和日均气温数据构建了CASA模型,对模型最大光能利用率进行了优化,比较了SR和NDVI对模型精度的影响。结果表明,基于NDVI积分的随机森林模型检验精度高于其他植被指数积分模型,R、RMSE和RPD分别达到了0.71,16.40 kg/株和1.83,表明模型具有良好的估测性能,可以用于区域苹果产量估测。对于CASA模型,优化后的苹果最大光能利用率为0.499 g C/MJ,基于FPAR的CASA模型苹果产量估测精度最高,R、RMSE和RPD分别为0.57、19.61 kg/株和1.53,表明模型精度一般。本研究对基于NDVI积分的随机森林模型和基于FPAR的CASA模型精度进行了对比,选取基于NDVI积分的随机森林模型进行区域尺度苹果产量估测(3)完成了基于氮肥效应函数与遥感估测模型的苹果施肥推荐计算了2019年2020年苹果开花期、新梢旺长期、新梢停长期、秋梢旺长期和秋梢停长期的观里镇苹果种植区NDVI积分图,利用基于NDVI积分的随机森林模型进行了区域产量估测,获得了2019年2020年观里镇历史产量估测图。基于2019年2020年历史产量估测结果,预测了2021年观里镇苹果产量,并利用建立的氮肥效应函数对推荐施肥量进行计算,得到观里镇苹果推荐施肥图。