發(fā)布時(shí)間：2020-10-31 23:24

　　 明確作物施氮量與光譜及生化參數(shù)含量的關(guān)系,是利用高光譜技術(shù)進(jìn)行作物營養(yǎng)監(jiān)測的基礎(chǔ)。本研究以地面光譜技術(shù)為支撐,圍繞氮肥、生化參數(shù)及光譜三者的關(guān)系進(jìn)行研究分析,嘗試確定秋冬季節(jié)室內(nèi)種植油菜的最佳施肥量及收獲期,建立生化參數(shù)的光譜估算模型。這樣,借助遙感技術(shù)可快速便捷、無損有效、準(zhǔn)確的監(jiān)測作物營養(yǎng)指標(biāo),指導(dǎo)施肥、動(dòng)態(tài)調(diào)控,為蔬菜食用安全提供科學(xué)鑒定技術(shù)和無公害蔬菜生產(chǎn)提供理論依據(jù)。為獲取氮脅迫下油菜生化參數(shù)及葉片光譜數(shù)據(jù)集,在實(shí)驗(yàn)室開展4個(gè)月的油菜盆栽實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置4個(gè)施氮梯度實(shí)驗(yàn)組和1個(gè)空白對照組。以20天為一個(gè)生育期采集6個(gè)生育期的生化參數(shù)(氮含量、葉綠素、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、硝酸鹽、VC、干物質(zhì)和含水量)及葉片光譜數(shù)據(jù)。通過分析油菜整個(gè)生育期的生化參數(shù)發(fā)現(xiàn)隨著生育期的延后和施氮量的增加,葉綠素、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、干物質(zhì)和含水量均在不同程度上呈先增后減的變化趨勢。硝酸鹽則與施氮量呈正相關(guān)關(guān)系,隨著葉片生長膨大,其含量略微下降。VC含量隨生育期的延后呈先減后增趨勢,其含量快速生長期最低,隨后有所上升但仍未超過幼苗期�？傊�,不同生化參數(shù)含量的最佳表現(xiàn)多在N2實(shí)驗(yàn)組成熟期。因此,考慮到經(jīng)濟(jì)效益與時(shí)間成本,初步確定低肥土壤秋冬季節(jié)室內(nèi)種植油菜的最佳施肥量是0.2g/kg,建議最佳收獲期為成熟期,即出苗81~100天間,追肥期為快速生長初期。針對同一時(shí)期不同施氮量葉片光譜研究表明,可見光波段反射率隨著施氮量的增加而減小,而近紅外則隨施氮量的增加呈小幅不穩(wěn)定增加趨勢。比較增幅值可知,可見光波段對施氮量的變化較為敏感,近紅外增幅變化則不顯著。說明氮肥主要通過改變?nèi)~片色素含量影響光譜反射率曲線,對葉片結(jié)構(gòu)影響不大。原始光譜和光譜一階導(dǎo)數(shù)與生化參數(shù)的相關(guān)性分析表明,在全波段范圍內(nèi)兩者存在一定的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)呈明顯的峰谷特征。不同生化參數(shù)與光譜參量的相關(guān)性不同。葉綠素、蛋白質(zhì)、可溶性糖和干物質(zhì)與原始光譜的可見光及短波紅外波段反射率均呈顯著負(fù)相關(guān),近紅外波段呈不顯著正相關(guān)。VC含量與原始光譜反射率在可見光和近紅外波段的相關(guān)性不顯著,在短波紅外1530~1858nm和2144~2301nm處達(dá)到極顯著正相關(guān)。硝酸鹽與原始光譜在可見光范圍呈顯著負(fù)相關(guān),近紅外波段達(dá)極顯著正相關(guān),短波紅外范圍多呈負(fù)相關(guān)。含水量在可見光波段呈不顯著正相關(guān),近紅外和短波紅外范圍內(nèi)呈負(fù)相關(guān)。由此可見,不同施氮量對葉片生化參數(shù)及光譜反射率產(chǎn)生不同程度的影響,生化參數(shù)與光譜反射率具有一定的相關(guān)性,為進(jìn)一步定量分析光譜反射率與生化參數(shù)的關(guān)系提供豐富的數(shù)據(jù)支撐。不同生化參數(shù)的敏感光譜參量不同。通過相關(guān)性分析,選取相關(guān)系數(shù)大于0.6的光譜參量用于建模,包括曲線統(tǒng)計(jì)模型、逐步多元回歸模型、偏最小二乘(PLS)回歸模型、隨機(jī)森林算法及PROSPECT共5種模型。結(jié)果表明,5種模型的估算能力差異較大,曲線統(tǒng)計(jì)模型表現(xiàn)最差,該模型建模精度普遍較低,不能準(zhǔn)確估測葉片各參數(shù)含量�；�于逐步多元回歸的建模精度提升到0.642~0.802之間,但該模型具有很大的不穩(wěn)定性,驗(yàn)證精度低。PLS模型對于各生化參數(shù)的驗(yàn)證精度相對穩(wěn)定。但對干物質(zhì)、硝酸鹽的估算能力欠佳�；�于隨機(jī)森林算法的估測模型對于所有參數(shù)的估測效果均有顯著提升,建模精度在均0.88以上,驗(yàn)證精度均在0.91以上,RE在0.047%~2.429%之間,RRMSE在0.150%~7.115%。這表明隨機(jī)森林算法在生化參數(shù)估算上優(yōu)于以上所有模型。同時(shí),通過基于實(shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)建PROSPECT模型,模擬了最佳N值下光譜反射率曲線,并利用代價(jià)函數(shù)反演葉綠素含量。結(jié)合實(shí)測葉綠素與葉片氮含量、蛋白質(zhì)含量及可溶性糖含量的線性關(guān)系間接估算了三個(gè)生化參數(shù)的含量。由此,初步建立了光譜-葉綠素-氮含量/蛋白質(zhì)/可溶性糖三者之間的定量關(guān)系。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S565.4
【部分圖文】：

及背景育中需要大量營養(yǎng)供給。在所需的營養(yǎng)中，氮素一，對作物生長及品質(zhì)形成的影響極為重要，直本物質(zhì)的形成[1-3]。氮肥是作物營養(yǎng)供應(yīng)必不可業(yè)大國，也是世界上最大的氮肥消耗國，每年消氮肥耗損總量的 33%[4]。隨著社會的發(fā)展和人口量不斷擴(kuò)大，因此加大化肥施入成為重要的增產(chǎn)，施肥所占比例約為 30%~50%[5]。圖 1.1 為 20玉米、水稻和小麥三大糧食作物消耗氮肥量占所是果蔬類消耗比重為 15.3%[6]。2008~2009 年中為 49%，低于世界水平。果蔬氮肥消費(fèi)比重為了中國果蔬面積大于世界平均水平外，很大原因界水平。

圖 1.2 技術(shù)路線 論文結(jié)構(gòu)研究內(nèi)容，論文分為以下五部分：章，緒論。結(jié)合大量相關(guān)文獻(xiàn)論述選題的研究意義及背景，隨后簡機(jī)理與施肥效果，從高光譜遙感的概念及發(fā)展應(yīng)用方面總結(jié)了國內(nèi)最后簡要闡述論文的研究內(nèi)容和技術(shù)路線。章，實(shí)驗(yàn)與方法。詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)施方案，對于光照條件、壤養(yǎng)分等進(jìn)行系統(tǒng)的介紹，利用 ASD 光譜儀進(jìn)行活體葉片光譜采樣品進(jìn)行生化參數(shù)（含氮量、葉綠素、蛋白質(zhì)、可溶性糖、VC、質(zhì)、含水量）測定。章，施氮量對油菜生化參數(shù)及光譜的影響。本章工作共兩部分，一氮脅迫水平下作物生化參數(shù)含量的變化特征，結(jié)合氮肥利用率確定組；另一方面分析全生育期葉片光譜吸收特征，探究氮肥對作物光。

盆栽示意圖如圖 2.1。圖 2.1 植物盆栽示意圖2.1.2 植物表型特征由于實(shí)驗(yàn)在秋冬季節(jié)進(jìn)行，培養(yǎng)環(huán)境下氣溫較低，故適當(dāng)延長了油菜的生育期，以 20 天為一個(gè)生育期，圖 2.2（a~f）是全生育期氮脅迫下的油菜表型圖。由圖 2.2（a）可知，N3 和 N4 盆栽苗初期覆蓋率低于其他三組，仍見明顯裸土。圖 2.2（b）顯示該時(shí)期不同氮脅迫下的油菜出現(xiàn)表型差異，對照組油菜葉片泛黃，N4 組覆蓋率仍較低且莖細(xì)短。由圖 2.2（c）可知，不同氮脅迫對該時(shí)期的作物表征影響更為顯著，對照組已出現(xiàn)黃葉，N1 組底部老葉偏黃，N2 組所有葉片顏色均呈墨綠色。N3 組植株較 N2 組差異不明顯
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2864662