室内氮胁迫油菜叶片生化参数高光谱估算模型研究

发布时间：2020-10-31 23:24

　　 明确作物施氮量与光谱及生化参数含量的关系,是利用高光谱技术进行作物营养监测的基础。本研究以地面光谱技术为支撑,围绕氮肥、生化参数及光谱三者的关系进行研究分析,尝试确定秋冬季节室内种植油菜的最佳施肥量及收获期,建立生化参数的光谱估算模型。这样,借助遥感技术可快速便捷、无损有效、准确的监测作物营养指标,指导施肥、动态调控,为蔬菜食用安全提供科学鉴定技术和无公害蔬菜生产提供理论依据。为获取氮胁迫下油菜生化参数及叶片光谱数据集,在实验室开展4个月的油菜盆栽实验。实验分别设置4个施氮梯度实验组和1个空白对照组。以20天为一个生育期采集6个生育期的生化参数(氮含量、叶绿素、可溶性蛋白质、可溶性糖、硝酸盐、VC、干物质和含水量)及叶片光谱数据。通过分析油菜整个生育期的生化参数发现随着生育期的延后和施氮量的增加,叶绿素、可溶性蛋白质、可溶性糖、干物质和含水量均在不同程度上呈先增后减的变化趋势。硝酸盐则与施氮量呈正相关关系,随着叶片生长膨大,其含量略微下降。VC含量随生育期的延后呈先减后增趋势,其含量快速生长期最低,随后有所上升但仍未超过幼苗期。总之,不同生化参数含量的最佳表现多在N2实验组成熟期。因此,考虑到经济效益与时间成本,初步确定低肥土壤秋冬季节室内种植油菜的最佳施肥量是0.2g/kg,建议最佳收获期为成熟期,即出苗81~100天间,追肥期为快速生长初期。针对同一时期不同施氮量叶片光谱研究表明,可见光波段反射率随着施氮量的增加而减小,而近红外则随施氮量的增加呈小幅不稳定增加趋势。比较增幅值可知,可见光波段对施氮量的变化较为敏感,近红外增幅变化则不显著。说明氮肥主要通过改变叶片色素含量影响光谱反射率曲线,对叶片结构影响不大。原始光谱和光谱一阶导数与生化参数的相关性分析表明,在全波段范围内两者存在一定的相关性,相关系数呈明显的峰谷特征。不同生化参数与光谱参量的相关性不同。叶绿素、蛋白质、可溶性糖和干物质与原始光谱的可见光及短波红外波段反射率均呈显著负相关,近红外波段呈不显著正相关。VC含量与原始光谱反射率在可见光和近红外波段的相关性不显著,在短波红外1530~1858nm和2144~2301nm处达到极显著正相关。硝酸盐与原始光谱在可见光范围呈显著负相关,近红外波段达极显著正相关,短波红外范围多呈负相关。含水量在可见光波段呈不显著正相关,近红外和短波红外范围内呈负相关。由此可见,不同施氮量对叶片生化参数及光谱反射率产生不同程度的影响,生化参数与光谱反射率具有一定的相关性,为进一步定量分析光谱反射率与生化参数的关系提供丰富的数据支撑。不同生化参数的敏感光谱参量不同。通过相关性分析,选取相关系数大于0.6的光谱参量用于建模,包括曲线统计模型、逐步多元回归模型、偏最小二乘(PLS)回归模型、随机森林算法及PROSPECT共5种模型。结果表明,5种模型的估算能力差异较大,曲线统计模型表现最差,该模型建模精度普遍较低,不能准确估测叶片各参数含量。基于逐步多元回归的建模精度提升到0.642~0.802之间,但该模型具有很大的不稳定性,验证精度低。PLS模型对于各生化参数的验证精度相对稳定。但对干物质、硝酸盐的估算能力欠佳。基于随机森林算法的估测模型对于所有参数的估测效果均有显著提升,建模精度在均0.88以上,验证精度均在0.91以上,RE在0.047%~2.429%之间,RRMSE在0.150%~7.115%。这表明随机森林算法在生化参数估算上优于以上所有模型。同时,通过基于实测数据构建PROSPECT模型,模拟了最佳N值下光谱反射率曲线,并利用代价函数反演叶绿素含量。结合实测叶绿素与叶片氮含量、蛋白质含量及可溶性糖含量的线性关系间接估算了三个生化参数的含量。由此,初步建立了光谱-叶绿素-氮含量/蛋白质/可溶性糖三者之间的定量关系。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S565.4
【部分图文】：

及背景育中需要大量营养供给。在所需的营养中，氮素一，对作物生长及品质形成的影响极为重要，直本物质的形成[1-3]。氮肥是作物营养供应必不可业大国，也是世界上最大的氮肥消耗国，每年消氮肥耗损总量的 33%[4]。随着社会的发展和人口量不断扩大，因此加大化肥施入成为重要的增产，施肥所占比例约为 30%~50%[5]。图 1.1 为 20玉米、水稻和小麦三大粮食作物消耗氮肥量占所是果蔬类消耗比重为 15.3%[6]。2008~2009 年中为 49%，低于世界水平。果蔬氮肥消费比重为了中国果蔬面积大于世界平均水平外，很大原因界水平。

图 1.2 技术路线 论文结构研究内容，论文分为以下五部分：章，绪论。结合大量相关文献论述选题的研究意义及背景，随后简机理与施肥效果，从高光谱遥感的概念及发展应用方面总结了国内最后简要阐述论文的研究内容和技术路线。章，实验与方法。详细介绍了实验设计实施方案，对于光照条件、壤养分等进行系统的介绍，利用 ASD 光谱仪进行活体叶片光谱采样品进行生化参数（含氮量、叶绿素、蛋白质、可溶性糖、VC、质、含水量）测定。章，施氮量对油菜生化参数及光谱的影响。本章工作共两部分，一氮胁迫水平下作物生化参数含量的变化特征，结合氮肥利用率确定组；另一方面分析全生育期叶片光谱吸收特征，探究氮肥对作物光。

盆栽示意图如图 2.1。图 2.1 植物盆栽示意图2.1.2 植物表型特征由于实验在秋冬季节进行，培养环境下气温较低，故适当延长了油菜的生育期，以 20 天为一个生育期，图 2.2（a~f）是全生育期氮胁迫下的油菜表型图。由图 2.2（a）可知，N3 和 N4 盆栽苗初期覆盖率低于其他三组，仍见明显裸土。图 2.2（b）显示该时期不同氮胁迫下的油菜出现表型差异，对照组油菜叶片泛黄，N4 组覆盖率仍较低且茎细短。由图 2.2（c）可知，不同氮胁迫对该时期的作物表征影响更为显著，对照组已出现黄叶，N1 组底部老叶偏黄，N2 组所有叶片颜色均呈墨绿色。N3 组植株较 N2 组差异不明显
【参考文献】

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本文编号：2864662