冬小麥冠層葉片氮含量是反映其產(chǎn)量與品質(zhì)的重要指標(biāo),構(gòu)建高普適性、高精準(zhǔn)性冬小麥冠層葉片氮含量高光譜反演模型對(duì)提高其監(jiān)測(cè)效率具有重要意義。以不同地點(diǎn)、品種、年份、施氮水平、生育期的大田試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),基于兩波段光譜植被指數(shù)NDRE和550 nm光譜反射率組合構(gòu)建一個(gè)三波段植被指數(shù)NEW-NDRE,并與11個(gè)傳統(tǒng)冬小麥冠層葉片氮素光譜指數(shù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明:NEW-NDRE及傳統(tǒng)植被指數(shù)中NDRE、NDDA、RI-1dB與冬小麥冠層葉片氮含量的相關(guān)性較好;其中,灌漿初期NEW-NDRE與冬小麥冠層葉片氮含量相關(guān)性最好,決定系數(shù)R²為0.9,均方根誤差（RMSE）為0.4;經(jīng)獨(dú)立數(shù)據(jù)檢驗(yàn),以NEW-NDRE為變量建立的冬小麥冠層葉片氮含量反演模型的平均相對(duì)誤差（RE）為9.3%,明顯低于以NDRE、NDDA、RI-1dB為變量的模型RE�？傮w上,新構(gòu)建的NEW-NDRE對(duì)冬小麥冠層葉片氮含量的模擬能力顯著優(yōu)于傳統(tǒng)指數(shù),減弱了試驗(yàn)條件的限制性,可為精準(zhǔn)施肥提供新的技術(shù)支撐。 

【文章來源】：應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào). 2020,31(05)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：9 頁(yè)

【部分圖文】：

不同肥力水平小麥冠層光譜變化特征

由圖1可知,冬小麥的光譜反射率在整個(gè)生育期差別較大。在可見光區(qū)域,隨生育進(jìn)程推進(jìn),光譜反射率呈先增加后降低的趨勢(shì),在灌漿初期達(dá)到最大值;其中,拔節(jié)期和灌漿中期光譜特征表現(xiàn)基本一致,開花期和灌漿初期光譜反射率表現(xiàn)一致,且在350～550 nm內(nèi)反射率明顯大于拔節(jié)期和灌漿中期,550～760 nm差異不顯著。在近紅外區(qū)域(760～1000 nm),開花期反射率迅速增加,為整個(gè)生育期最高,且該時(shí)期可見光范圍的反射率與近紅外范圍的反射率差異最大;隨著生育進(jìn)程推進(jìn),反射率降低;其中灌漿中期反射率低于拔節(jié)期。由圖2可知,在可見光范圍內(nèi),開花期-灌漿初期反射率維持較高值,灌漿中期最低。開花期,550 nm處高氮和中氮處理反射率比低氮處理分別高24.5%和17.2%;灌漿初期,高氮、中氮處理分別比低氮處理高11.5%和14.9%;拔節(jié)期和灌漿中期,低氮處理反射率稍高于其他處理,但差異不顯著,表明開花期和灌漿初期這3個(gè)處理冬小麥長(zhǎng)勢(shì)有明顯差異,其他兩個(gè)時(shí)期各處理之間差異較小。近紅外波段,拔節(jié)期-灌漿初期高氮處理冠層反射率最高,拔節(jié)期、開花期和灌漿初期分別較低氮處理高12.7%、92.7%和40.1%,中氮處理較低氮處理高14.0%、56.4%和32.0%,表明這3個(gè)時(shí)期高氮處理長(zhǎng)勢(shì)最好;其中拔節(jié)期內(nèi)高氮和中氮處理冠層反射率數(shù)值相當(dāng),變化趨勢(shì)一致,且與低氮處理差異顯著,這可能是因?yàn)橹械揭呀?jīng)能夠滿足作物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的需要,植株的含氮量較高,多余的施氮量并不能被作物吸收,植株的空間含氮量差異縮小,因此,冠層反射率差異較小[30]。灌漿中期可見光范圍內(nèi),處理之間差異不顯著;近紅外區(qū)域,中氮處理反射率最高,低氮處理最低,其中高氮與中氮處理之間差異不顯著,說明灌漿中期中氮和高氮處理小麥冠層植株氮含量相當(dāng),過多的氮肥殘留在土壤中沒有被作物吸收[31]。

光譜分析作物長(zhǎng)勢(shì)及營(yíng)養(yǎng)診斷是一種快速、無損的遙感技術(shù)。早在20世紀(jì)70年代研究就發(fā)現(xiàn),利用550、657、671、710、780 nm波段能夠比較準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)氮素含量[37],但單一波段的光譜反射率不穩(wěn)定,容易受土壤、大氣和環(huán)境的影響[12]。歸一化植被指數(shù)(NDVI)、比值植被指數(shù)(RVI)、差值植被指數(shù)(DVI)等包含更多光譜信息的兩波段結(jié)合的植被指數(shù)在一定程度上提高了光譜監(jiān)測(cè)精度[26,38],但當(dāng)作物生物量達(dá)到一定數(shù)值時(shí),兩波段植被指數(shù)容易出現(xiàn)飽和,降低了對(duì)生理生化指標(biāo)的預(yù)測(cè)精度[28]。為避免植被指數(shù)飽和,許多研究者把兩個(gè)光譜指數(shù)結(jié)合重新構(gòu)建新的光譜指數(shù),例如,葉綠素轉(zhuǎn)移吸收指數(shù)(TCARI)結(jié)合優(yōu)化土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(OSAVI)形成新植被指數(shù)TCARI/OSAVI,提高了預(yù)測(cè)精度[39]。一些研究者則直接在兩波段的比值指數(shù)中插入窄波段構(gòu)建新的光譜指數(shù)以提高反演精度,例如,Sims等[20]和Feng等[24]基于兩波段指數(shù)SR705和ND705插入R445構(gòu)建了三波段植被指數(shù)mSR705和mND705,提高了診斷葉片氮含量的敏感度。鑒于前人構(gòu)建的歸一化紅邊植被指數(shù)(NDRE)和作物冠層結(jié)構(gòu)與顏色變化密切相關(guān)[38],氮含量變化最敏感的波段是530～560 nm[13],其中550 nm是葉綠素的強(qiáng)反射峰,植物葉片在550 nm附近的發(fā)射率與葉片氮含量密切相關(guān)[37]。本研究在NDRE中引入敏感波段550 nm,并采用引用系數(shù)法對(duì)0～1區(qū)間每0.005個(gè)間隔的數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的篩選和監(jiān)測(cè)精度比較,最終選擇將0.045×R550引入NDRE(790,720)構(gòu)成新光譜指數(shù)NEW-NDRE。結(jié)果表明,NEW-NDRE與葉片氮含量的線性關(guān)系增強(qiáng)(R2為0.76～0.93),在灌漿初期相關(guān)性最好。這證實(shí)了包含更多光譜信息的植被指數(shù)有助于提高預(yù)測(cè)生理指標(biāo)的精度。3.3 新光譜指數(shù)的評(píng)估

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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本文編號(hào)：3380752