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冬小麦冠层氮素分布与品质遥感的研究

王之杰  
【摘要】: 明确冬小麦冠层氮素分布及其与籽粒品质的关系,是实现其品质遥感监测的基础。在冬小麦生产过程中,适时掌握其长势信息,尤其是氮素状况,对调优栽培措施的实施及收获前籽粒蛋白水平等品质指标的预测和评价尤为重要。本研究围绕冬小麦冠层氮素时空变化特点及其与籽粒品质的关系,以地面光谱分析技术为支撑,探讨了冬小麦冠层氮素状况诊断和籽粒品质预测的可行性。取得了以下几个方面的进展: 1、初步明确了不同籽粒蛋白质含量品种和不同株型品种个体和群体两种水平氮素指标时空分布特点。时间维上,蛋白质含量低的品种京冬8号个体水平的叶片含氮量高峰期出现晚于籽粒蛋白质含量高的品种中优9507,起身后二者茎鞘含氮量均呈不断下降趋势,灌浆阶段9507叶片和茎鞘含氮量下降快于京冬8号。两品种群体水平氮素指标冠层氮密度(Canopy Nitrogen Density,CND)全生育期总体变化趋势一致。空间维上,个体和群体水平的氮素均存在明显垂直梯度,不同土壤氮素处理下京冬8个体水平的叶片和茎鞘氮素垂直梯度较9507明显。平展型品种上层冠层氮密度高于直立型品种,中下层则反之,平展型品种开花后中下层冠层氮密度降低较快。中优9507对土壤氮素处理的反应不如京冬8敏感。9507硝酸还原酶活性(Nitrate Reductase Activity,NRA)及其垂直梯度值高于京冬8,二者上部叶片硝酸还原酶活性与叶片含氮量具有较高的相关性。 2、不同蛋白质含量品种营养器官氮素对籽粒品质的影响存在差异。叶片含氮量与籽粒品质指标的相关程度高于茎鞘含氮量,京冬8开花期叶片含氮量与蛋白质含量的相关性最高,9507则灌浆盛期最高。冠层氮密度与籽粒蛋白质、湿面筋含量及沉降值等个体指标的相关程度不如与蛋白质、湿面筋产量等群体指标。不同器官垂直分布方面,京冬8第1、2层叶片,9507第1层叶片对籽粒品质贡献较大。茎鞘氮素对9507籽粒品质形成的影响大于京冬8。 3、叶片含氮量与诸多所选光谱特征参量的相关性不如冠层氮密度。冠层氮密度与所选光谱特征参量的良好相关性在于其与冠层光谱“面状信息”的特点具有高度的一致性。基于以上关系建立的冬小麦氮素高光谱诊断模型不易受品种影响,冠层氮密度是一个适合多品种冬小麦氮素状况诊断的理想参数。 4、对于多品种冬小麦群体进行遥感氮素诊断时,适时掌握株型信息可以避免株型影响而导致的生长状况的误诊。本研究引入冬小麦多时相光谱分析技术提取株型信息,明确了利用拔节期近红外波段反射率与起身期同波段光谱反射率差值提取冬小麦株型信息的方法。这一结果在改善定量遥感监测作物形态和生化组分信息的精度上具有较大的应用潜力。 5、冠层不同层次叶片在不同土壤氮素水平下光谱反射特点存在差异。基于这一特点,用差值植被指数(Difference Vegetation Index,DVI)与根据冠层不同层次光合有效辐射分布和近红外波段透射特点匹配的冠层氮密度建立的模型实现了中层氮素状况的预测,为及早掌握冬小麦氮素亏缺、实施水肥管理提供了有效方法。 6、研究了高光谱植被指数在冬小麦籽粒蛋白质含量预测方面的可行性。结果表明,比值植被色素指数(Plant Pigment Ratio,PPR)与叶片含氮量间具有较好的相关性。基于PPR与叶片叶绿素含量、含氮量的关系以及叶片含氮量与籽粒蛋白质含量的关系,建立了不同类型品种籽粒蛋白质含量预测模型。经检验,模型具有较高的精确度和准确度,为田间条件下大面积实施小麦籽 粒蛋白品质初步分级提供了依据。


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