基于光谱指数的冬小麦变量施肥效应研究

中国农业科学2007,40(9):1907-1913ScientiaAgriculturaSinica收稿日期：2006-09-06；接受日期：2007-01-10基金项目：国家自然科学基金（40471093，40571118），北京市自然科学基金（4052014）和国家973项目（2005CB121103）作者简介：蒋阿宁（1982-），女，内蒙古阿荣旗人。研究方向为遥感在农业上的应用。E-mail：[e-mail]；Tel：[phone]。通讯作者赵春江（1964-），男，河北定县人，研究员，博士，研究方向为农业信息化及智能化应用。E-mail：[e-mail]基于光谱指数的冬小麦变量施肥效应研究蒋阿宁1,2，黄文江1，赵春江1，刘克礼2，刘良云1，王纪华1（1国家农业信息化工程技术研究中心，北京100097；2内蒙古农业大学农学院，呼和浩特010019）摘要：【目的】由适时获得的高光谱数据代替传统繁琐的实验室土壤养分测定数据来进行变量施肥，实现冬小麦高产优质的目标。【方法】本研究利用冬小麦起身期和拔节期冠层光谱数据，选用反映冬小麦长势信息的优化土壤调节植被指数（OSAVI，optimizationofsoil-adjustedvegetationindex）和变量施肥模型进行变量施肥管理（变量区），以相邻地块常规非变量（均一）施肥区（对照区）为对照，研究了不同氮肥处理冬小麦冠层光谱特征及其施肥效应。【结果】变量施肥之后两种氮肥处理在敏感波段670nm和760～900nm处反射率差异明显，而670nm和760～900nm是氮素和冠层的敏感波段，说明进行变量施肥时，利用基于这两个波段组合的光谱指数OSAVI优于其它波段组合的光谱指数；OSAVI不同生育时期的变化情况，反映了变量施肥在调控作物长势及群体结构上的优势；与对照区相比变量区提高产量达378.72kg·ha-1，并降低了各小区产量之间的变异,变量区土壤硝态氮浓度降低，氮肥利用率提高，生态效益较为明显。【结论】该技术通过改善冬小麦群体质量，延缓了植株衰老，促进干物质和氮积累，增加冬小麦产量和氮肥利用率。关键词：冬小麦；冠层光谱；变量施肥；产量EffectsofVariableNitrogenApplicationBasedonCharacteristicsofCanopyLightReflectanceinWheatJIANGA-ning1,2,HUANGWen-jiang1,ZHAOChun-jiang1,LIUKe-li2,LIULiang-yun1,WANGJi-hua1(1NationalEngineeringResearchCenterforInformationTechnologyinAgricultural,Beijing100097;2AgriculturalCollege,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Huhhot010019)Abstract:【Objective】Theaimofthisstudywastodevelopthetime-specificandtime-criticalmethodtoovercomethelimitationsoftraditionalfieldsamplingmethodsforvariablerateoffertilization.【Method】Experimentswithuniform(CK)andvariablerateofnitrogenfertilizationwerecarriedoutduring2005-2006onanexperimentalfarminBeijing(4010N,11626E).Therelationshipbetweenthevegetationindex(OSAVI,optimizationofsoil-adjustedvegetationindex)andnitrogencontentofwheatplantwasusedtodeterminetheamountofnitrogenfertilizerrecommendedforvariableratemanagementinprecisionagriculture.【Result】Therewasabigdifferenceforcanopyspectralreflectancebetweenthetwonitrogenapplicationtypesinwavebandsof670nmand760-900nmaftervariable-ratenitrogenfertilization.ItwasprovedthatthereliabilityofusingOSAVIwaspreferablethanotherwavebands.OSAVIwasusedtoestimateoftheinfluenceofvariableratenitrogenfertilizationonwinterwheatgrowthcondition.AnalysisbasedontheOSAVIvariabilityofdifferentgrowthstatesofwinterwheatshowedthatvariableratenitrogenfertilizationcanimprovethegrowthofwheat.ComparedtotheCK,thevariable-ratenitrogenfertilizationreducedthevariabilityofwheatyieldandincreasedwheatyield.Itcouldalsopreventundergroundwaterpollutionandenvironmentaldeterioration.【Conclusion】TheresultssuggestedthataccumulationrateofdrymatterandNmakeswheatyieldandNuseefficiencyincreasebecauseofimprovingwheatpopulationandleavingSenescenceaftervariableratenitrogenfertilization.Keywords:Winterwheat;Canopyspectralreflectance;Variablenitrogenapplication;Yield1908中国农业科学40卷0引言【研究意义】施用氮肥是小麦生产中的重要措施，适量施氮能提高小麦籽粒产量、蛋白质含量并改善加工品质[1~3]，但过量或不合理施氮不仅不能达到高产优质的目的，还会降低氮肥利用率，增加氮肥损失，污染环境[4]。本研究通过高光谱分析技术监测植株营养水平动态，在冬小麦氮肥响应敏感的作业单元内，根据作物的生长状况（冠层光谱数据）进行变量施肥，提高氮肥利用率，为施肥决策与适时观测数据相结合进行田间施肥管理奠定理论基础。【前人研究进展】对变量施肥的效果，国内外学者们做了一些研究。英国国家土壤资源所的Wood等[5,6]在英国小麦高产栽培经验的基础上，用冠层绿色面积指数（greenareageindex，GAI）或群体密度（population，P）来指导变量施肥。若作物GAI或P数值大于标准值，则施肥量低于标准用量；若其数值小于标准值，则施肥量高于标准量。其中增减肥料的用量等于单位GAI需要的氮量与GAI的增减值的乘积。Wittry等[7]对比了玉米和大豆轮作种植情况下变量施磷与传统施磷的试验结果，认为施肥方法不影响作物对磷的反应，变量施磷减少了12%～41%磷肥用量。美国科罗拉多州大学Koch等[8]研究了变量施氮的经济可行性，研究表明变量施肥比传统施肥有更大的经济可行性。Mamo等[9]研究了空间和时间上最经济的玉米施肥量，结果表明变量施氮比统一施氮肥料用量少，经济收益高。在中国，2001年薛绪掌等[10]对冬小麦变量施氮的效果进行研究，结果表明，变量施氮区产量略低于均匀施肥，且产量变异系数增加；变量区的经济效益略低于对照区，但变量施氮降低了土壤硝态氮浓度，减少了污染地下水的可能，生态效果明显。宋晓宇等[11]通过变量施肥前后作物光谱信息的变化，建立了冬小麦拔节期与灌浆初期光谱特征值的变化量与变量施肥量之间的关系，对变量施肥的效果进行了初步的评价，结果表明变量施肥能够改善冬小麦长势状况。梁红霞等[12,13]对冬小麦变量施肥效益也做了研究，结果显示通过变量施肥能够改善冬小麦的长势差异状况，显著提高了冬小麦籽粒产量。张书慧等[14]研究发现变量施肥可以在一定程度上提高玉米的产量，并具有均衡土壤养分的作用。【本研究切入点】但是将施肥决策与适时观测数据相结合进行田间施肥管理方面的报道并不多，特别是根据冠层光谱指数OSAVI（optimizationofsoil-adjustedvegetationindex）的变量施肥的资料更少。【拟解决的关键问题】本研究根据作物的生长状况（冠层光谱数据）进行变量施肥，满足作物生长时期的养分需求，从而降低各生化参数之间的差异，并就变量施肥对作物长势、产量及生态效益进行了评价。1材料与方法1.1试验设计与处理试验于2005～2006年在国家农业信息化工程技术研究中心精准农业试验基地进行。国家精准农业示范基地位于北京市昌平区小汤山镇，地处北纬4010，东经11626。试验选用主栽品种京冬8作为供试材料。播种时间为2005年9月28日，播种量330～345kg·ha-1，不施基肥。在冬小麦起身、拔节期测定其光谱指数值提取OSAVI，根据冬小麦追肥计算公式（1-6），获得每个小区的施肥量作为变量施肥区（共10个小区，分别记做：Y-01、Y-02、Y-03、Y-10，以下简称变量区），1个对照（10个重复，分别记为：CK-01、CK-02、CK-03、CK-10，各个重复施肥量为变量施肥区的平均施肥量，以下简称对照区），随机区组排列，其它条件完全相同。小区面积为3m×3m，变量施肥于2006年4月14日进行，按各小区所用肥量，分别称量装袋，人工撒施。收获时间为2006年6月18日。1.2供试土壤试验地土壤类型为潮土，土壤中0～0.3m土层中硝态氮含量为3.00～15.04mg·kg-1，全氮含量为0.094%～0.098%，有机质含量为1.53%～1.58%，有效磷含量为2.20～21.18mg·kg-1，速效钾的含量分别为106.96～132.77mg·kg-1。1.3测定项目与方法1.3.1小麦冠层光谱反射率的测定小麦冠层光谱测量使用的仪器为ASDFieldspecFR2500光谱仪，该光谱仪的采样间隔为1.4nm（350～1000nm区间）和2nm（在1000～2500nm区间）。所有光谱测量是在天气晴朗、无风或风速很小时，时间10﹕00～14﹕00测定。视场角25°距地表1.30m处垂直测定，在视场范围内重复20次，取平均值作为该小区的光谱反射值，各小区测定前后，进行参考板校正。1.3.2产量的测定6月17号在各小区内选择面积为2m2的小麦，收获至网袋中，风干后脱粒测产。1.3.3土壤硝态氮测定冬小麦收获后在各个小区内分0～0.3m、0.3～0.6m两层取土，每个小区取多点混合样，采用酚二磺酸比色法，对土样进行NO3-N9期蒋阿宁等：基于光谱指数的冬小麦变量施肥效应研究1909的测定[15]。1.3.4茎、叶、壳及籽粒全氮含量的测定成熟期在各小区分别取0.5m样段内的冬小麦植株，按器官分开后，烘干粉碎，采用凯氏定氮法进行测定[16]。1.3.5小麦追氮量计算方法以Lukina等[17]的算法为基础来建立，参考国家农业信息化工程技术研究中心2005年小汤山精准农业试验基地试验数据确定方程系数，具体计算公式如下（单位为kg）：A.基于地物光谱数据计算