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智慧农业（中英文） 2021年第1期3卷 40-50页

作者：张佳菲万亮何勇岑海燕浙江大学生物系统工程与食品科学学院浙江杭州310058 农业农村部光谱检测重点实验室浙江杭州310058 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室浙江杭州310027

准确获取作物冠层生化信息对监测作物生长和指导精准施肥具有重要意义。现有的作物生化参数的垂直分布研究以高光谱遥感反演为主,缺乏与光合生理的联系。本研究主要探究了不同氮素处理水平下油菜苗期冠层内的叶绿素、类胡萝卜素、干物... 详细信息

准确获取作物冠层生化信息对监测作物生长和指导精准施肥具有重要意义。现有的作物生化参数的垂直分布研究以高光谱遥感反演为主,缺乏与光合生理的联系。本研究主要探究了不同氮素处理水平下油菜苗期冠层内的叶绿素、类胡萝卜素、干物质和水分等生化参数的垂直分布变化特性,同时利用快速叶绿素荧光技术测定了叶片的光合性能,并通过线性回归分析和主成分分析进一步剖析了荧光响应与生化参数的内在联系。试验结果表明:(1)苗期中期油菜冠层的叶绿素含量、类胡萝卜素含量、干物质和水分含量均呈抛物线型的非均匀垂直分布,而叶绿素与类胡萝卜素的比值具有与其他生化参数不同的垂直分布模式,其随着叶位升高和施氮量的增加逐渐下降,与推动力DF_(Total)、电子链末端量子产额φ_(Ro)等荧光参数的垂直分布模式相同;(2)荧光参数,特别是DF_(Total),对油菜叶片叶绿素与类胡萝卜的比值、叶绿素和干物质含量具有较强的评估能力;(3)缺氮会降低苗期油菜叶片的光系统Ⅰ和Ⅱ(PSⅠ和PSⅡ)性能,通过最大光化学效率φ_(Po)等荧光参数可对氮素胁迫进行诊断;而不同叶位叶片在PSⅠ性能即电子末端传递效率上具有显著差异,通过DF_(Total)可有效表征冠层生化参数的垂直异质性。上述结果表明,应用快速叶绿素荧光技术对作物进行生化信息的垂直异质性监测具有可行性,可为指导精准施肥和提高优质优产提供新思路和技术支撑。

关键词：快速叶绿素荧光 JIP-测定垂直异质性叶绿素类胡萝卜素氮素

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玉米冠层氮和叶绿素含量的垂直分布及对遥感反演的影响

玉米冠层氮和叶绿素含量的垂直分布及对遥感反演的影响

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作者：杨宏业中国农业科学院

学位级别：硕士

玉米（Zea mays L.）是我国第一大粮食作物,逐步形成了一套以合理密植、精准化水肥调控为中心的玉米高产优质生产体系。氮素是影响玉米生长发育和产量形成的重要元素,通过遥感光谱的方式可以实现氮素营养的精准监测。但是玉米冠层内存... 详细信息

玉米（Zea mays L.）是我国第一大粮食作物,逐步形成了一套以合理密植、精准化水肥调控为中心的玉米高产优质生产体系。氮素是影响玉米生长发育和产量形成的重要元素,通过遥感光谱的方式可以实现氮素营养的精准监测。但是玉米冠层内存在明显的氮素垂直分布异质性问题,影响了氮素遥感监测精度。本研究以黄淮海夏玉米为研究对象,设置五种氮肥处理构建差异化的玉米冠层结构,获取了玉米不同生育时期和垂直叶位的氮素和叶绿素含量,以及对应的叶片和冠层高光谱信息,探究垂直分布对叶片和冠层尺度上遥感光谱监测的影响。主要结果如下:1.叶片叶绿素含量（LCC）在玉米冠层中呈现非对称的‘钟形’垂直分布趋势,叶片光谱响应特征在冠层内同样存在垂直差异。在拔节期,不同叶位的叶片光谱在红边和近红外波段的反射率有明显区别,而在灌浆后期至成熟期,叶位间光谱差异主要集中在可见光波段。基于叶片光谱可以构建植被指数（VI）与LCC的线性回归模型,红边和近红外波段是构建植被指数模型的必要波段,改良红边植被指数（m RER）表现出最好的LCC相关性（R=0.87）。在不同时空条件下,植被指数模型对LCC反演精度存在较大差异,对于拔节期的上部叶片和成熟期的上、下部叶片,植被指数模型无法实现LCC的准确反演（r RMSE=50.35%-61.45%）,对拔节期的下部成熟叶片、吐丝到灌浆期冠层内所有叶片和成熟期的中部叶片能实现较高的叶绿素反演精度,拔节期的第六叶和吐丝后的穗上1-2片具有最高的LCC反演精度（r RMSE=6.65%）。2.冠层叶绿素含量（CCC）的变化是冠层内LCC变化的综合反映,通过筛选敏感叶位可以实现通过LCC估算CCC。在营养生长阶段,第6叶是敏感叶位（R-adj=0.9）;在生殖生长阶段,第11叶和第14叶是敏感叶位（R-adj=0.93）。根据叶片光谱和LCC之间的关系,可以通过叶片光谱可以实现冠层叶绿素含量的快速、准确估算（r RMSE=8.97%）。叶片中的氮素主要用于合成叶绿素和蛋白质,由于氮素敏感波段与水汽波段混合而难以区分,因此以往研究中,氮素遥感监测是由监测叶绿素来间接实现的。在生殖生长阶段,叶片中叶绿素含量与氮素含量具有极显著相关关系（R=0.86）,但在营养生长阶段,冠层顶部3-4片叶中,只有少量的氮素用于合成叶绿素,叶片中叶绿素与氮素含量间相关不显著（R=0.41）,因此在营养生长阶段无法通过叶绿素来进行玉米冠层氮素含量的间接监测。3.冠层光谱在玉米冠层上的有效探测深度为冠层顶部往下的第8-9片叶。蓝光（475nm）和红光（668nm）对冠层深度变化最敏感,最大有效监测深度为顶叶下第11片叶;红边（715nm）和近红外波段（842nm-1158nm）在顶叶以下1-4片叶和9-13片叶时,冠层反射率变化不显著。通过构建氮素敏感植被指数可以准确反演玉米冠层氮素含量（R=0.89）,当冠层深度达到顶叶以下第8-9叶层时,植被指数模型反演的冠层氮素含量预测值低于实际值,此时的平均反演误差r RMSE为15%。NDVI（715,957）对冠层氮素含量有较好的反演效果,当冠层深度为9-10片叶层时,植被指数模型对玉米冠层氮素含量预测精度最好（r RMSE=8.16%）,可监测氮素含量约占总氮素含量的71.3%-82.3%,相应的冠层深度为158.8-179.3cm。

关键词：夏玉米氮素营养指标叶片高光谱冠层高光谱垂直异质性

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