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应用数字图像技术进行冬油菜氮素营养诊断的初步研究

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应用数字图像技术进行冬油菜氮素营养诊断的初步研究

作者：魏全全华中农业大学

学位级别：硕士

油菜作为我国重要的油料作物,其生长过程中合理的氮肥施用对于保障产量和品质具有重要意义。根据作物生育过程中的营养状况及时适量追肥是精准养分管理的重要环节。随着现代科技的发展,数字图像技术是近年来作物氮素营养诊断的重要发展... 详细信息

油菜作为我国重要的油料作物,其生长过程中合理的氮肥施用对于保障产量和品质具有重要意义。根据作物生育过程中的营养状况及时适量追肥是精准养分管理的重要环节。随着现代科技的发展,数字图像技术是近年来作物氮素营养诊断的重要发展方向。本文通过两年的田间试验,利用数码相机获取冬油菜冠层数码照片,结合同步进行的植株生物量和叶片叶绿素、氮素养分含量测定,研究冬油菜冠层数码信息和植株氮素营养指标的关系,确定数字图像技术估测冬油菜氮素营养的最佳时期、数码参数和方程模型;在此基础上,进一步研究提出冬油菜冠层数码信息获取的操作规范,确定冬油菜氮素营养快速诊断的最佳时期、数码参数、拍摄参数及方程模型,为冬油菜氮素营养无损诊断体系的建立奠定基础。主要研究结果如下:1.数字图像技术可以应用于冬油菜氮素营养诊断,最佳的冠层数码参数为红光标准化值NRI,适宜估测时期为蕾薹期(移栽126天)(包括)之前均可。冬油菜蕾薹期(包括)之前,与红光值R、绿光值G、蓝光值B、绿光与红光比值G/R、绿光与蓝光比值G/B、蓝光与红光比值B/R、绿光标准化值NGI和蓝光标准化值NBI相比,冬油菜冠层图像数字指标红光标准化值NRI与氮肥用量、地上部生物量、叶片氮浓度、叶绿素浓度、氮素吸收量和氮营养指数均达到显著或极显著水平。冬油菜蕾薹期(移栽后126天),NRI与氮肥施用量、地上部生物量、叶片氮浓度、叶绿素浓度、氮素吸收量、氮营养指数之间的直线方程函数分别为y(t/hm2)=-8.003x+2.706、y(t/hm2)=-64.721x+23.071、y(g/kg)=-692.99x+261.84、y(mg/g)=-12.750x+5.665、y(kg/hm2)=-4087.416x+1412.274、y=-27.198x+9.812,其中叶片氮浓度、叶绿素浓度和氮营养指数预测值与实测值之间的相对均方根误差RMSE分别为0.821、0.330和0.228,相对误差RE%分别为26.32%、28.57%和28.39%,预测结果精度较好,可用于模型的预测。2.利用数字图像技术估测冬油菜氮素营养的推荐操作范围为晴天太阳高度角相对较大的中午;拍摄高度为近地面均可;拍摄角度为易于操作的30°-60°;相机拍摄模式为自动曝光模式;照片像素尺寸为图片相对较为清晰的高分辨率;存储格式为占用空间相对较小的JPEG精细压缩格式。不同拍摄参数(光照强度、拍摄时间、拍摄高度、拍摄角度、拍摄模式、照片像素尺寸和储存格式)获取的冠层NRI与植株生物量、叶片氮素养分以及叶绿素含量均呈现较好的相关性。数字图像技术为无人机低空遥感的氮素营养无损诊断技术提供了理论基础。3.确定氮肥施用量与冬油菜籽粒产量之间的二次方程函数为y=-0.016x2+9.394x+1336.486,最高的理论产量为2715 kg/hm2,及相应的氮肥施用量为294 kg/hm2;明确越冬期和蕾薹期氮素营养诊断临界红光标准化值NRI分别为0.3154和0.3177;初步构建了越冬期和蕾薹期氮肥追肥模型,分别为N追(kg/hm2)=294-(NRI-0.3473)/(-1.312×10-4)和N追(kg/hm2)=294-(NRI-0.3440)/(-1.067×10-4)。

关键词：冬油菜氮素数字图像技术数码参数拍摄参数模型

酒糟生物炭短期施用对贵州黄壤氮素有效性及细菌群落结构多样性的影响

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环境科学 2020年第10期41卷 4690-4700页

作者：张萌刘彦伶魏全全芶久兰贵州省农业科学院土壤肥料研究所贵阳550006

为实现酱香型酒糟资源化综合利用和黄壤氮素有效性提升,采取田间培养试验,通过设置5个生物炭施用量0%(MB0)、0.5%(MB0.5)、1.0%(MB1.0)、2.0%(MB2.0)和4.0%(MB4.0),研究酒糟生物炭短期施用对贵州黄壤氮素有效性及细菌群落结构多样性的影... 详细信息

为实现酱香型酒糟资源化综合利用和黄壤氮素有效性提升,采取田间培养试验,通过设置5个生物炭施用量0%(MB0)、0.5%(MB0.5)、1.0%(MB1.0)、2.0%(MB2.0)和4.0%(MB4.0),研究酒糟生物炭短期施用对贵州黄壤氮素有效性及细菌群落结构多样性的影响.结果表明,施用酒糟生物炭使土壤全氮(TN)和硝态氮(NN)含量分别提高35.79%~365.26%和122.96%~171.80%,微生物量氮(MBN)含量降低34.10%~59.95%,且随着生物炭施用量的增加,铵态氮/全氮(AN/TN)、硝态氮/全氮(NN/TN)和微生物量氮/全氮(MBN/TN)呈现出降低趋势.施用酒糟生物炭显著降低了土壤细菌OTU数量、群落丰富度和多样性,且随酒糟生物炭施用量的增加,该影响程度随之增加.与未施用酒糟生物炭MB0处理相比,酒糟生物炭的施用显著改变土壤细菌群落结构,随着生物炭施用量的增加,拟杆菌门(Bacteroidetes)相对丰度提高了1.76~2.11倍,而酸杆菌门(Acidobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、浮霉菌门(Planctomycetes)、装甲菌门(Armatimonadetes)、奇古菌门(Thaumarchaeota)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae)相对丰度均出现不同程度的降低,均以MB4.0处理降幅最为显著.同时,酒糟生物炭的施用还增加了一些土壤功能细菌的相对丰度,如链霉菌属(Streptomyces)、极小单胞菌属(Pusillimonas)等,降低了溶杆菌属(Lysobacter)和芽孢杆菌属(Gemmatimonas)等优势菌属的相对丰度.此外,冗余分析(RDA)结果显示,MBN/TN、NN和MBN是引起土壤细菌群落结构变化的主要氮素环境因子,而且MBN/TN、MBN与奇古菌门(Thaumarchaeota)和硝化螺旋菌属(Nitrospira)均呈显著正相关性,说明短期内酒糟生物炭的施用可以显著降低氨氧化古菌和硝化细菌的丰度,抑制土壤氨氧化作用和硝化速率,提高土壤氮素有效性.综上所述,短期内施用酒糟生物炭可以提高黄壤氮素养分,改变土壤细菌群落结构和多样性,并可以通过抑制土壤氨氧化作用和硝化作用有效阻控土壤氮素淋溶发生的风险,提高土壤氮素有效性.

关键词：酱香型酒糟生物炭黄壤土壤氮素细菌群落结构细菌群落多样性

基于数字图像技术的马铃薯氮素营养估测及验证

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生态学杂志 2021年第9期40卷 3017-3024页

作者：魏全全李飞张萌陈龙芶久兰贵州省农业科学院土壤肥料研究所/农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站贵阳550006 贵州省农业科学院马铃薯研究所/贵州马铃薯工程技术研究中心贵阳550006

于2018—2019年在贵州省毕节市威宁县,以马铃薯为试验材料,连续2年开展不同氮素水平(0、120、240、300和360 kg·hm^(-2))田间试验。2018年采用数码相机分别在块茎形成期和块茎膨大期获取冠层图像数据,并同步采集植株,测定其氮素营养指... 详细信息

于2018—2019年在贵州省毕节市威宁县,以马铃薯为试验材料,连续2年开展不同氮素水平(0、120、240、300和360 kg·hm^(-2))田间试验。2018年采用数码相机分别在块茎形成期和块茎膨大期获取冠层图像数据,并同步采集植株,测定其氮素营养指标,分析冠层数码参数与氮素营养指标的相关性,筛选氮素营养指标估测的最优冠层数码参数,构建氮素营养指标的估测模型。利用2019年相同独立氮素水平试验,对上述方程模型精度进行验证并绘制1∶1线性关系图。结果表明:块茎形成期,冠层数码参数R/B(红光和蓝光比值)较其他冠层数码参数能更好地表征马铃薯氮素营养状况;块茎膨大期,冠层数码参数R/B、G/B(绿光和蓝光比值)和NBI(红光标准化值)均可表征马铃薯氮素营养状况,其中以R/B较好;利用2019年独立试验验证方程模型的准确性,结果表明,生物量和氮素累积量预测值和实测值的R^(2)分别为0.911和0.888,均方根误差RMSE分别为0.685和25.115,相对误差RE分别为12.92%和23.41%,模型预测精度较好。数字图像技术可以进行马铃薯氮素营养的评估预测,评估时期为块茎形成期和块茎膨大期均可,最佳的预测参数为R/B,参数预测的最佳方程模型为直线方程。

关键词：马铃薯数字图像氮素估测方程模型验证

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基于高光谱的冬油菜植株氮素积累量监测模型

农业工程学报 2015年第20期31卷 147-156页

作者：李岚涛马驿魏全全汪善勤任涛李小坤丛日环王振王少华鲁剑巍华中农业大学资源与环境学院武汉430070 农业部长江中下游耕地保育重点实验室武汉430070 湖北省武穴市农业局武穴435400

为无损和定量研究高光谱技术在冬油菜植株氮素积累量(PNA,plant nitrogen accumulation)时空变化监测的适宜性及准确性,该文以两年田间氮肥水平试验为基础,采用单变量线性和非线性回归方法,建立基于特征光谱参数的冬油菜P NA高光谱估算... 详细信息

为无损和定量研究高光谱技术在冬油菜植株氮素积累量(PNA,plant nitrogen accumulation)时空变化监测的适宜性及准确性,该文以两年田间氮肥水平试验为基础,采用单变量线性和非线性回归方法,建立基于特征光谱参数的冬油菜P NA高光谱估算模型。结果表明,采用比值光谱的方法可显著提高冬油菜冠层光谱反射率与PNA间的相关性,其最佳的波段组合为1 259 nm与492 nm处光谱反射率比值(R1259/R492),决定系数R2为0.85。高光谱参数间,以比值植被指数(RVI-5)、归一化光谱指数(NDSI)、线性内插法红边位置(REIP)、三角植被指数(TVI)、742 nm处一阶微分光谱值(FD742)和红边面积(SDR)等光谱参数与PNA相关性较好(平均R2和标准误SE分别为0.69和42.70),且以FD742表现最优(R2=0.79,SE=35.66)。精度分析结果显示,以光谱参数R1259/R492和FD742为自变量的指数方程模型作为高光谱监测油菜PNA的最佳模型,各生育期Noise Equivalent(NE)均较低且表现稳定,同时模型估测精度较高,R2分别为0.98和0.98,相对均方根误差RRMSE分别为0.73和0.72,相对误差MRE分别为14.42%和10.31%。该方法为快捷和精确评估冬油菜PNA提供了新的研究思路。

关键词：光谱氮模型植株氮素积累量高光谱参数最优光谱比值

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基于高光谱的冬油菜叶片磷含量诊断模型

农业工程学报 2016年第14期32卷 209-218页

作者：李岚涛汪善勤任涛马驿魏全全高雯晗鲁剑巍华中农业大学微量元素研究中心武汉430070 农业部长江中下游耕地保育重点实验室武汉430070

为快捷、无损和精准表征冬油菜磷素营养与冠层光谱间的定量关系,该文以连续3a田间试验为基础,探究叶片磷含量的敏感波段范围及光谱变换方式,明确基于高光谱快速诊断的叶片磷含量有效波段,降低光谱分析维度,提高磷素诊断时效性。以2013-2... 详细信息

为快捷、无损和精准表征冬油菜磷素营养与冠层光谱间的定量关系,该文以连续3a田间试验为基础,探究叶片磷含量的敏感波段范围及光谱变换方式,明确基于高光谱快速诊断的叶片磷含量有效波段,降低光谱分析维度,提高磷素诊断时效性。以2013-2016年田间试验为基础,测定不同生育期油菜叶片磷含量和冠层光谱反射率。此后,对原初光谱（raw hyperspectral reflectance,R）分别进行倒数之对数（inverse-log reflectance,log（1/R））、连续统去除（continuum removal,CR）和一阶微分（first derivative reflectance,FDR）光谱变换,采用Pearson相关分析确定叶片磷含量的敏感波段区域。在此基础上,利用偏最小二乘回归（partial least square,PLS）构建最优预测模型并筛选有效波段。结果表明,油菜叶片磷含量的敏感波段范围为730-1300 nm的近红外区域;基于敏感波段的FDR-PLS模型预测效果显著优于其他光谱变换方式,建模集和验证集决定系数（coefficient of determination,R2）分别为0.822和0.769,均方根误差（root mean square error,RMSE）分别为0.039%和0.048%,相对分析误差（relative percent deviation,RPD）为2.091。根据各波段变量重要性投影（variable importance in projection,VIP）值大小,确定油菜叶片磷含量有效波段分别为753、826、878、995、1 187和1 272 nm。此后,再次构建基于有效波段的油菜叶片磷含量估算模型,R2和RMSE分别为0.678和0.064%,预测精度较为理想。研究结果为无损和精确评估冬油菜磷素营养提供了新的研究思路。

关键词：光谱分析模型无损检测冬油菜高光谱叶片磷含量偏最小二乘回归变量重要性投影

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黄壤旱地豆科绿肥养分释放特征

草业科学 2021年第1期38卷 63-69页

作者：魏全全张萌陈龙秦松周春火芶久兰贵州省农业科学院土壤肥料研究所/农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站贵州贵阳550006 江西农业大学国土资源与环境学院江西南昌330045

在贵阳市黄壤旱地内采用尼龙网袋法,研究不同含水量的绿肥在直接还田和添加生物炭后翻压还田情况下的养分释放特征,以期为黄壤旱地绿肥科学还田及化肥合理减施提供理论依据。结果表明:不同处理的腐解速率趋势相同,均呈现先快速腐解、再... 详细信息

在贵阳市黄壤旱地内采用尼龙网袋法,研究不同含水量的绿肥在直接还田和添加生物炭后翻压还田情况下的养分释放特征,以期为黄壤旱地绿肥科学还田及化肥合理减施提供理论依据。结果表明:不同处理的腐解速率趋势相同,均呈现先快速腐解、再缓慢腐解、并逐渐趋于平稳的趋势,总腐解速率表现为风干绿肥+生物炭>新鲜绿肥+生物炭>风干绿肥>新鲜绿肥。经过180 d的腐解,新鲜绿肥、风干绿肥、新鲜绿肥+生物炭、风干绿肥+生物炭腐解速率分别为74.77%、83.13%、92.69%和95.83%,添加生物炭处理绿肥腐解速率高于未添加生物炭处理,风干绿肥腐解速率高于绿肥腐解速率。与腐解速率相似,不同处理的氮和磷的累积减少率均先快速腐解,再缓慢腐解,最终腐解平稳,到达平衡,经过180 d的腐解,新鲜绿肥、风干绿肥、新鲜绿肥+生物炭、风干绿肥+生物炭的氮素释放率分别为73.55%、83.80%、92.00%和95.00%,磷素释放率分别为76.40%、87.13%、93.31%和96.27%;钾素腐解率高于氮素和磷素,不同处理的绿肥在腐解30 d后释放率均在80%以上。综上,不同含水量的绿肥腐解速率不同,风干绿肥的腐解速率高于新鲜绿肥,同时添加生物炭能提高风干和新鲜绿肥的腐解速率。绿肥还田后,可适当减少氮和钾的施用量,还田初期可不调整氮磷肥的施用量,钾肥可适当延后施用。

关键词：黄壤旱地豆科绿肥腐解养分释放特征

生物质炭对贵州黄壤朝天椒减氮的生物效应及氮肥利用率的影响

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土壤学报 2019年第5期56卷 1201-1209页

作者：张萌魏全全肖厚军赵欢芶久兰贵州省农业科学院土壤肥料研究所

为探究生物质炭对贵州黄壤朝天椒减氮的施用效果,采用大田试验,研究了生物质炭与氮肥减量配施(CF100B0(化肥氮100%)、CF90B10(化肥氮90%+生物质炭氮10%)、CF85B15(化肥氮85%+生物质炭氮15%)、CF80B20(化肥氮80%+生物质炭氮20%))对贵州... 详细信息

为探究生物质炭对贵州黄壤朝天椒减氮的施用效果,采用大田试验,研究了生物质炭与氮肥减量配施(CF100B0(化肥氮100%)、CF90B10(化肥氮90%+生物质炭氮10%)、CF85B15(化肥氮85%+生物质炭氮15%)、CF80B20(化肥氮80%+生物质炭氮20%))对贵州黄壤朝天椒产量、品质、养分积累和氮肥利用率的影响。结果表明:与常规施肥(CF100B0)处理相比,CF90B10处理可提高朝天椒产量,其中鲜椒增产7.3%、干椒增产2.5%,但是增产效果并不显著,而CF85B15和CF80B20处理的产量略有降低;生物质炭与氮肥减量配施处理可显著影响朝天椒果实中的硝酸盐和Vc含量,其中,CF90B10、CF85B15和CF80B20处理的硝酸盐含量降低了4.8%~8.9%,而CF90B10处理的Vc含量则较CF100B0处理提高了9.6%,但还原糖和游离氨基酸含量在各处理间无差异;此外,与CF100B0处理相比,生物质炭与氮肥减量配施可使氮肥偏生产力(PFPN)提高2.08~2.62kg·kg^-1,以CF90B10处理最高,而氮肥农学效率(AEN)和氮肥表观利用率(REN)则随着生物质炭替代化学氮肥比例的增加呈降低趋势,以CF90B10处理的AEN和REN最高,分别为7.70kg·kg^-1和40.3%。综上,生物质炭与氮肥减量配施可有效保证贵州朝天椒稳产增效,因此,短期条件下推荐生物质炭替代化学氮肥10%作为贵州黄壤朝天椒氮肥减施替代的最适比例。

关键词：生物质炭减施氮肥产量朝天椒品质氮肥利用率

刈割后氮肥施用对饲料油菜地上部产量及品质的影响

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草业科学 2017年第10期34卷 2124-2129页

作者：胡敏魏全全任涛周广生余陵峰鲁剑巍华中农业大学资源与环境学院/农业部长江中下游耕地保育重点实验室湖北武汉430070 华中农业大学植物科学技术学院湖北武汉430070 湖北省畜禽育种中心湖北武汉430070

为进一步在湖北地区冬闲田推广饲料油菜(Brassica campestris)的种植,以饲料油菜1315为试验材料,在湖北省冬闲田研究刈割后氮肥施用对饲料油菜地上部产量及品质的影响。结果表明,第1次刈割后,施用氮肥能显著增加饲料油菜地上部产量(P<0.... 详细信息

为进一步在湖北地区冬闲田推广饲料油菜(Brassica campestris)的种植,以饲料油菜1315为试验材料,在湖北省冬闲田研究刈割后氮肥施用对饲料油菜地上部产量及品质的影响。结果表明,第1次刈割后,施用氮肥能显著增加饲料油菜地上部产量(P<0.05),与不施氮肥处理(N_0)相比,施用17.25kg·hm^(-2)(N_1)和34.5kg·hm^(-2)(N_2)饲料油菜干草产量分别增加了50.0%和75.0%,粗灰分产量分别提高了45.7%和53.2%,粗纤维产量分别提高了50.7%和90.4%,粗蛋白产量分别提高了84.5%和159.3%,粗脂肪产量分别提高了53.9%和83.8%,可溶性糖产量分别提高了64.7%和68.5%,提升了饲料油菜的生产水平。综合考虑,在湖北地区冬闲田种植饲料油菜,为了提高油菜产量和品质,建议在第1次刈割后追施30kg·hm^(-2)。

关键词：氮肥用量冬闲田干草产量粗灰分粗纤维粗蛋白可溶性糖

保水剂和脲酶抑制剂对贵州高山甘蓝生长的影响

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节水灌溉 2022年第8期 114-120页

作者：魏全全芶久兰张萌陈龙顾小凤贵州省农业科学院土壤肥料研究所/农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站贵阳550006

探究保水剂和脲酶抑制剂在贵州高山冷凉蔬菜甘蓝上的应用效果,为保水剂和脲酶抑制剂在贵州高海拔地区及其相似地区的应用提供理论和实践基础。于2021年在贵州省毕节市威宁县,采用田间试验,以保水剂和脲酶抑制剂为研究试材,研究增施保水... 详细信息

探究保水剂和脲酶抑制剂在贵州高山冷凉蔬菜甘蓝上的应用效果,为保水剂和脲酶抑制剂在贵州高海拔地区及其相似地区的应用提供理论和实践基础。于2021年在贵州省毕节市威宁县,采用田间试验,以保水剂和脲酶抑制剂为研究试材,研究增施保水剂(FB)和脲酶抑制剂(FN)及两者同时施用(FBN)对高山冷凉蔬菜甘蓝产量、养分吸收、肥料利用率、品质以及经济效益的影响。结果表明:与HF处理相比,FB、FN和FBN处理均可显著增加甘蓝产量,增幅为8.13%~15.58%,产值增加6924~13275元/hm^(2),增幅为8.13%~15.58%,FB和FN处理产量差异不显著;FB、FN和FBN处理纯收益分别增加5724、6142和12025元/hm^(2),增幅分别为6.99%、7.50%和14.69%。FB、FN和FBN处理均能提高甘蓝氮磷钾累积量,以FBN为最大,分别达到181.34、44.12和200.93 kg/hm^(2),其中FB和FN处理差异不显著。甘蓝硝酸盐含量显著降低,可溶性糖、Vc、游离氨基酸和蛋白质含量均表现为FBN>FB>FN>HF>NF(不施肥)。单独配施保水剂(FB)或脲酶抑制剂(FN)和同时配施保水剂及脲酶抑制剂(FBN)显著提高甘蓝氮磷钾的农学效率和吸收利用效率,均以FBN处理最高,分别达到195.61 kg/kg、293.42 kg/kg、195.61 kg/kg和41.32%、16.17%、46.78%,FB和FN处理差异不显著。综上,在常规化肥的基础上,同时配施保水剂和脲酶抑制剂的甘蓝生长效果优于单独配施保水剂或脲酶抑制剂,产生显著的协同效应,促进甘蓝生长,研究结果能为贵州高山冷凉蔬菜产业中土壤添加剂的应用提供理论和实践基础。

关键词：高山冷凉蔬菜甘蓝保水剂脲酶抑制剂生长品质产量经济效益养分

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