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《中国农业大学》 2014年
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基于主动作物冠层传感器的冬小麦、水稻精准氮素管理

曹强  
【摘要】:氮肥过量施用及施用时期的不合理是我国冬小麦和水稻生产中的主要问题,导致了较低的氮肥利用率及较高的环境污染风险。然而,在实际生产中又缺乏有效的氮素营养诊断方法和氮肥推荐算法。本研究通过多年多点的冬小麦以及寒地水稻的田间试验,系统地评价了Crop Circle ACS-470主动冠层传感器在当季作物关键生育期估测其氮素营养状况指标的潜力,并分别发展了基于该传感器的氮肥推荐算法。此外,通过4年的定位试验评价了不同氮素管理策略应用于冬小麦/夏玉米轮作体系的效果。综合全文研究结果,本文获得的主要结论如下: (1)通过3年的冬小麦田间试验,评价Crop Circle ACS-470与GreenSeeker传感器在估测冬小麦氮素营养状况时的表现。其结果表明,与GreenSeeker传感器相比,当地上部生物量大于6000kg ha-1时,获取于Crop Circle ACS-470传感器的基于红边的指数CIRE与MSR_RE具有更好的估测能力;当植株吸氮量大于130kg ha-1时,基于绿光的指数CIG和MSR_G的估测能力更好。对于植株氮浓度与氮营养指数而言,Crop Circle ACS-470传感器的表现要优于GreenSeeker传感器,其中,GRDVI在估测氮营养指数表现最好(R2=0.78)。 (2)通过4年的冬小麦田间试验,获取于Crop Circle ACS-470传感器的指数CIG以及由指数GRDVI计算的INSEY可以在冬小麦Feekes4-7时期准确估测植株前期吸氮量和产量潜力,其R2分别为0.87和0.61。基于此结果发展了基于该传感器的冬小麦氮肥推荐算法。9个农户的验证试验表明,与农户传统施肥习惯相比,基于该传感器的精准氮素管理策略可以在获得相同产量的前提下显著地提高氮肥偏生产力59-74%。 (3)通过2年的寒地水稻田间试验及农户验证试验系统地评价了Crop Circle ACS-470主动冠层传感器在水稻关键生育时期估测其氮素营养状况的潜力。其结果表明,MCARI1在全生育时期可以准确估测水稻地上部生物量(R2=0.79)和植株吸氮量(R2=0.83),并可以克服GreenSeeker NDVI的饱和问题。4个基于红边波段的指数(RESAVI、MRESAVI、REDVI和RERDVI)均与氮营养指数线性相关(R2=0.76)。对于植株氮浓度而言,最高的R2仅为0.33,且在使用农户田块的数据进行验证时没有一个指数的表现令人满意。 (4)通过2年的寒地水稻田间试验,其结果表明,在不同的生育时期,无论是估测产量潜力还是估测其对于追施氮肥的反应,Crop Circle ACS-470传感器的表现均优于GreenSeeker传感器。基于此结果,同时根据氮肥最优推荐施肥算法发展了基于该传感器的寒地水稻精准氮素管理策略。 (5)通过4年的定位试验,系统地评价了不同氮素管理策略在冬小麦/夏玉米轮作体系上的应用效果。其研究结果表明,基于土壤无机氮测试技术、GreenSeeker传感器、绿色窗口以及区域优化的氮肥管理策略的施氮量较农户传统施氮管理分别降低了45%、62%、46%以及40%,从而提高了氮肥利用效,减少了氮素盈余及表观氮素损失,且各管理策略间的产量无显著差异。比较而言,在本试验条件下,基于GreenSeeker传感器的精准氮素管理策略是应用于华北平原冬小麦厦玉米轮作体系上较优的氮肥管理策略。
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:S512.1;S511

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