黃仨仨，金明煥，劉禹恒，李飛飛，呂尊富*

(1.杭州市臨安區(qū)人民政府青山湖街道辦事處區(qū)域發(fā)展與治理中心，浙江 杭州 311305；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院，浙江 杭州 311300)

氮素是水稻生長(zhǎng)過程中必需的大量元素，是影響水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。因此，氮素的科學(xué)調(diào)控和監(jiān)測(cè)在水稻生長(zhǎng)中至關(guān)重要[1-4]。獲得作物生育進(jìn)程中生長(zhǎng)指標(biāo)的實(shí)時(shí)信息是實(shí)行精確農(nóng)業(yè)的重要依據(jù)[5-6]。近年來，基于光譜分析的遙感技術(shù)不斷發(fā)展，在農(nóng)田的管理、參數(shù)分析、作物預(yù)測(cè)等方面起到了重要的作用[7-9]。

基于光譜對(duì)作物生長(zhǎng)的無損監(jiān)測(cè)已在國(guó)內(nèi)外研究中取得了一系列的進(jìn)展。李映雪等[10-11]研究表明，稻麥作物葉片的氮含量與歸一化植被指數(shù)(NDVI)有顯著的相關(guān)性，可以選擇810 nm的波段來反演稻麥葉面積指數(shù)。薛麗紅等[12]提出使用近紅外光和綠光的波段(R810/R560)反射率能夠較為精準(zhǔn)地反演水稻葉面積指數(shù)，起到預(yù)測(cè)和估算的作用。Borham等[13-15]利用多光譜成像系統(tǒng)對(duì)溫室中馬鈴薯葉片的葉綠素含量和氮含量進(jìn)行估測(cè)，估算葉片含氮量的準(zhǔn)確度高達(dá)90%～92%。Min等[16]研究柑橘時(shí)研發(fā)出了一種傳感器，對(duì)柑橘葉片可見光波段和近紅外光波段進(jìn)行實(shí)時(shí)的光譜監(jiān)測(cè)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.83。Reusch等[17]利用CropSpecTM傳感器對(duì)不同大田作物的各個(gè)生育時(shí)期測(cè)試反射率，估計(jì)不同作物的氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.9。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)診斷設(shè)備也在不斷進(jìn)步，為實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)過程中的無損監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者和公司研究了許多儀器，為光譜和作物研究提供了技術(shù)支持。基于農(nóng)作物冠層群體監(jiān)測(cè)的需要，美國(guó)NTech公司研發(fā)的Greenseeker系列光譜儀可以通過計(jì)算得到歸一化植被指數(shù)和比值植被指數(shù)，監(jiān)測(cè)作物的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況，方便了解作物生長(zhǎng)狀況，以控制氮肥施加量。賈良良等[18-20]發(fā)現(xiàn)，可以利用高精度的衛(wèi)星光譜影像和地面監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來控制作物氮肥施加量。

本實(shí)驗(yàn)使用的測(cè)量光譜參數(shù)儀器是浙江農(nóng)林大學(xué)和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的便攜式作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀(CGMD302)。該作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀能夠?qū)λ具M(jìn)行快速、準(zhǔn)確、無損地監(jiān)測(cè)，獲取水稻的光譜參數(shù)，目前尚未針對(duì)該儀器建立水稻不同生育階段葉面積指數(shù)、生物量、氮素積累量的光譜參數(shù)預(yù)估模型。本研究利用該儀器建立起的水稻生長(zhǎng)參數(shù)的光譜預(yù)測(cè)模型，能夠?qū)崟r(shí)有效獲取作物生長(zhǎng)信息，推廣該儀器的使用對(duì)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要的實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 材料

本實(shí)驗(yàn)設(shè)在浙江杭州余杭區(qū)水稻實(shí)驗(yàn)田，選擇甬優(yōu)538和浙優(yōu)18兩種優(yōu)秀雜交水稻品種，播種時(shí)間為2017年6月2日，采用直播的播種方式，播種量為18 kg·hm-2。

實(shí)驗(yàn)儀器。將CGMD302作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)光譜儀上鏡頭對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，在作物上方1 m左右使用，主要通過多光譜傳感器上鏡頭篩選光源，接收長(zhǎng)為720 nm和810 nm的太陽(yáng)光，下鏡頭接收相應(yīng)波段上作物的反射光輻射信息(圖1)。然后通過處理器進(jìn)行一系列的處理，最后在顯示屏上顯示出相應(yīng)的NDVI和RVI值[21]。

圖1 CGMD302作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)光譜儀

1.2 處理設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用裂區(qū)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，主區(qū)為品種，副區(qū)為施氮量，根據(jù)施氮量不同分為0(N0)、60(N1)、120(N2)、180(N3)和240(N4)kg·hm-25個(gè)處理，3次重復(fù)，共計(jì)30個(gè)小區(qū)，其中N0為對(duì)照組。本實(shí)驗(yàn)采取獨(dú)立小區(qū)，小區(qū)之間通過田埂相隔，田埂覆膜，獨(dú)立排灌，保證各個(gè)小區(qū)的氮肥使用情況不會(huì)相互影響。小區(qū)東西長(zhǎng)8.0 m，南北寬4.0 m，面積為32.0 m2。耕作層土壤有機(jī)質(zhì)含量為19.2 g·kg-1，全氮含量為1.04 g·kg-1，堿解氮含量為94.4 mg·kg-1，速效磷含量為50.35 mg·kg-1，速效鉀含量為72.09 mg·kg-1?；省梅痔Y肥施肥量比例為2∶1，施用基肥和分蘗肥時(shí)，每個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)小區(qū)氮素用量的比例為N4∶N3∶N2∶N1=4∶3∶2∶1。在施用基肥時(shí)，磷肥、鉀肥作為基肥一次性用完，用過磷酸鈣450 kg·hm-2；氯化鉀基肥用300 kg·hm-2，所有小區(qū)水平一致。

1.3 樣品處理與測(cè)定

基肥、分蘗肥、穗肥氮素施用量：N0，0；N1，分別為30、15和15 kg·hm-2；N2，分別為60、30和30 kg·hm-2；N3，分別為90、45和45 kg·hm-2；N4，分別為120、60和60 kg·hm-2。

在水稻分蘗前期、分蘗盛期、分蘗末期、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期分別從每個(gè)小區(qū)中選取具有代表性的5株樣品，在實(shí)地獲取該水稻樣品的光譜參數(shù)。將取到的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后去除水稻根部的泥土并清洗干凈，然后按莖、頂1葉、頂2葉、頂3葉、頂4葉、其他葉和穗等不同器官分樣，在105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干至恒重，測(cè)定其干物質(zhì)重，粉碎后用凱式定氮法測(cè)定分器官的全氮濃度，根據(jù)分器官的干物質(zhì)計(jì)算水稻單株氮素累積量，成熟后分小區(qū)收獲、測(cè)定產(chǎn)量。

農(nóng)學(xué)參數(shù)測(cè)定指標(biāo)：葉面積指數(shù)、生物量、氮積累量。本實(shí)驗(yàn)中利用凱氏定氮法，將樣品粉碎后，測(cè)定水稻單株各器官的氮含量。植株氮積累量=各器官氮含量×各器官干物重。

光譜參數(shù)測(cè)定：使用便攜式作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀來采集水稻冠層反射光譜。在水稻生育的關(guān)鍵時(shí)期，即分蘗前期、分蘗盛期、分蘗末期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期選擇晴朗少云、無風(fēng)或微風(fēng)的天氣進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間在9：00—15：00。在每個(gè)小區(qū)測(cè)量時(shí)重復(fù)測(cè)量3次，最終取3次測(cè)量的平均值作為光譜測(cè)量數(shù)據(jù)(NDVI、RVI)。葉面積指數(shù)、生物量、氮積累量監(jiān)測(cè)選取的2個(gè)核心波段分別為810、720 nm。

NDVI：歸一化植被指數(shù)是反映農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況和營(yíng)養(yǎng)吸收的重要參考數(shù)據(jù)之一。根據(jù)該參數(shù)，可以知道不同時(shí)期、不同季節(jié)的作物對(duì)氮元素的需求量，可以科學(xué)地調(diào)控氮素肥料的施用。計(jì)算公式如下：NDVI=(R1-R2)/(R1+R2)，R1和R2分別代表2個(gè)不同波段。

RVI：比值植被指數(shù)，是綠色植物的靈敏指數(shù)參數(shù)，與植物的葉面積指數(shù)、葉綠素含量等相關(guān)性很高，可以用來估算和檢測(cè)植物的生物量。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面積指數(shù)隨生育期的變化

對(duì)不同氮素水平下不同品種水稻進(jìn)行葉面積指數(shù)分析的結(jié)果如圖2所示，甬優(yōu)538和浙優(yōu)18兩個(gè)品種的葉面積指數(shù)隨著移栽后天數(shù)的增加先變大后略微減小。甬優(yōu)538和浙優(yōu)18兩個(gè)品種均在孕穗期葉面積指數(shù)達(dá)到峰值，然后在灌漿期減少，隨著施氮量的提高，水稻的葉面積指數(shù)也在增加，依次為N4>N3>N2>N1>N0。

圖2 葉面積指數(shù)隨移栽后天數(shù)的變化

2.2 生物量隨生育期的變化

對(duì)不同氮素水平下不同品種水稻進(jìn)行分析(圖3)，甬優(yōu)538、浙優(yōu)18兩個(gè)水稻品種地上部干物質(zhì)重隨著移栽后天數(shù)的增加逐漸變大。生物量在分蘗前期至分蘗盛期快速增長(zhǎng)，是因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期水稻幼苗快速生長(zhǎng)，干物質(zhì)快速積累；分蘗盛期至分蘗末期增長(zhǎng)緩慢，是因?yàn)樗敬藭r(shí)出現(xiàn)了大量無效分蘗死亡的現(xiàn)象，而這些死亡的分蘗與水稻的正常生長(zhǎng)干物質(zhì)積累相互抵消，所以這一時(shí)間段內(nèi)水稻干物質(zhì)重積累緩慢。拔節(jié)期到孕穗期，水稻在這個(gè)時(shí)間段開始結(jié)穗，干物質(zhì)重快速增加，在灌漿期達(dá)到最高值。甬優(yōu)538和浙優(yōu)18隨著施氮量的提高，生物量也相應(yīng)增大，依次為N4>N3>N2>N1>N0。

圖3 生物量隨移栽后天數(shù)的變化

2.3 氮積累量隨生育期的變化

對(duì)不同氮素水平下不同品種水稻進(jìn)行分析(圖4)，甬優(yōu)538、浙優(yōu)18兩個(gè)水稻品種地上部氮積累量隨著移栽后天數(shù)的增加而逐漸變大。生物量在分蘗前期至分蘗盛期快速增長(zhǎng)，是因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期水稻幼苗快速生長(zhǎng)，植株氮含量較高，氮素快速積累；分蘗盛期至分蘗末期增長(zhǎng)緩慢，大量無效分蘗死亡的現(xiàn)象，水稻干物質(zhì)積累緩慢，進(jìn)而氮積累變緩。拔節(jié)期到孕穗期，水稻在這個(gè)時(shí)間段開始結(jié)穗，氮積累量快速增加，在灌漿期植株氮積累速率變緩，達(dá)到最高值。甬優(yōu)538和浙優(yōu)18隨著施氮量的提高，氮積累量也相應(yīng)增大，依次為N4>N3>N2>N1>N0。

2.4 葉面積指數(shù)光譜分析

圖4 氮積累量隨移栽后天數(shù)的變化

對(duì)甬優(yōu)538和浙優(yōu)18兩個(gè)水稻品種各個(gè)生育時(shí)期所測(cè)得葉面積指數(shù)與用作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀測(cè)得的光譜參數(shù)進(jìn)行分析，葉面積指數(shù)與NDVI值和RVI值分別呈正相關(guān)(表1、2)。

表1 不同品種間NDVI與葉面積指數(shù)的比較

表2 不同品種間RVI與葉面積指數(shù)的比較

本實(shí)驗(yàn)采用決定系數(shù)(S-R2)的線性函數(shù)對(duì)葉面積指數(shù)進(jìn)行分析，通過表1和表2互相比較可以分析得到甬優(yōu)538和浙優(yōu)18兩個(gè)水稻品種在各個(gè)生育時(shí)期NDVI、RVI的R2值基本在0.7以上，達(dá)到了極顯著相關(guān)。甬優(yōu)538在分蘗前期NDVI和RVI的R2分別達(dá)到了0.849 8和0.807 2，分蘗末期相對(duì)于其他時(shí)期R2值都相對(duì)較低，為0.740 4和0.707 1。除了孕穗期外其余各時(shí)期R2值都相對(duì)較高。浙優(yōu)18品種在分蘗末期NDVI達(dá)到最高值0.967 2，而在拔節(jié)期達(dá)到最低值0.711 5，其余各時(shí)期R2值也相對(duì)較高。

綜合圖表分析，作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀對(duì)于不同品種的水稻之間差異并不大，2個(gè)水稻品種的擬合關(guān)系都比較好。NDVI的R2值在各個(gè)生育時(shí)期幾乎都大于RVI的R2值，說明NDVI比RVI在葉面積指數(shù)上擬合關(guān)系更好，更加精確。RVI的R2值在各個(gè)時(shí)期差別較大，NDVI的R2值波動(dòng)幅度較小，更加穩(wěn)定。從全生育期的圖5來看，NDVI、RVI與葉面積指數(shù)呈指數(shù)相關(guān)，R2值基本穩(wěn)定在0.80左右，擬合關(guān)系良好，葉面積指數(shù)與RVI的擬合關(guān)系要略優(yōu)于其與NDVI的擬合關(guān)系。

圖5 全生育期光譜指數(shù)與葉面積指數(shù)的相關(guān)關(guān)系

2.5 生物量光譜分析

對(duì)甬優(yōu)538和浙優(yōu)18兩個(gè)水稻品種各個(gè)生育時(shí)期所測(cè)得生物量與用作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀測(cè)得的光譜參數(shù)進(jìn)行分析，生物量與NDVI值和RVI值分別呈正相關(guān)。

本實(shí)驗(yàn)采用決定系數(shù)(S-R2)的線性函數(shù)對(duì)生物量進(jìn)行分析，通過表3和表4比較分析可以得出，甬優(yōu)538 NDVI和RVI的R2值分別在分蘗末期和拔節(jié)期達(dá)到最高的0.899 9和0.935 2，而在灌漿期達(dá)到最低的0.776 0和0.718 9。浙優(yōu)18的NDVI和RVI的R2值在分蘗前期達(dá)到最高的0.890 6和0.977 9，同時(shí)也在灌漿期達(dá)到最低的0.709 5和0.714 6。

表3 不同品種間NDVI與生物量的比較

表4 不同品種間RVI與生物量的比較

綜合圖表分析，各時(shí)期作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀所測(cè)得的NDVI和RVI的R2值都在0.7以上，達(dá)到極顯著的相關(guān)，擬合性良好。從全生育期來看，NDVI和RVI值與生物量呈現(xiàn)指數(shù)相關(guān)，且R2值幾乎在0.8以上，擬合關(guān)系良好。作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀在不同品種的水稻之間差異不明顯。RVI和NDVI之間對(duì)于生物量的擬合差異不大。從圖6來看，NDVI、RVI與全生育期的生物量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，R2值均在0.58以上。

圖6 全生育期光譜指數(shù)與全生育期生物量之間的相關(guān)關(guān)系

2.6 氮積累量光譜分析

對(duì)甬優(yōu)538和浙優(yōu)18兩個(gè)水稻品種各個(gè)生育時(shí)期所測(cè)的氮積累量與作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀所測(cè)得的光譜參數(shù)進(jìn)行比較分析，氮積累量與NDVI、RVI分別呈正相關(guān)。

本實(shí)驗(yàn)采用決定系數(shù)(S-R2)的線性函數(shù)對(duì)氮積累量進(jìn)行分析，通過表5、表6可以分析得出甬優(yōu)538和浙優(yōu)18分別在孕穗期NDVI的R2值達(dá)到最高的0.979 6和0.991 5，說明孕穗期氮積累量與光譜參數(shù)擬合關(guān)系最好。甬優(yōu)538和浙優(yōu)18在各個(gè)生育時(shí)期NDVI、RVI與氮積累量的R2值大都在0.85以上，達(dá)到了極顯著的相關(guān)。而且NDVI、RVI的R2值變化波動(dòng)不大，說明氮積累量與光譜參數(shù)的擬合較穩(wěn)定，比較精確。

表5 不同品種間NDVI與氮積累量的比較

表6 不同品種間RVI與氮積累量的比較

綜合圖表分析，甬優(yōu)538和浙優(yōu)18在各個(gè)生育時(shí)期的NDVI和RVI與氮積累量呈正相關(guān)，且在水稻生育后期擬合度相對(duì)較高。從全生育期來看，NDVI、RVI與氮積累量呈現(xiàn)指數(shù)相關(guān)，且決定系數(shù)R2值均超過0.75，擬合關(guān)系良好(圖7)。RVI對(duì)于氮積累量的擬合性略好于NDVI，但不明顯，2個(gè)品種間差異也不大。運(yùn)用作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀可以較為精準(zhǔn)地預(yù)估水稻在各個(gè)生育時(shí)期的氮積累量。

3 小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)通過在浙江杭州余杭區(qū)開展不同氮素水平的小區(qū)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，通過作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)甬優(yōu)538、浙優(yōu)18兩個(gè)不同品種在各個(gè)生育時(shí)期測(cè)定相應(yīng)NDVI和RVI值，來分析不同品種間不同氮素水平下光譜指數(shù)的差異。運(yùn)用線性回歸和統(tǒng)計(jì)分析了NDVI、RVI與各個(gè)生育時(shí)期水稻的葉面積指數(shù)、生物量、氮積累量之間的關(guān)系。NDVI、RVI值在分蘗期開始逐漸升高，到拔節(jié)期達(dá)到峰值，隨后在抽穗期和灌漿期開始降低。甬優(yōu)538和浙優(yōu)18兩個(gè)品種在相同播種方式下，相同氮素水平處理后，光譜指數(shù)存在著一定的差異。甬優(yōu)538品種莖稈粗壯，穗大粒多，浙優(yōu)18品種株型緊湊，株高適中，甬優(yōu)538品種的長(zhǎng)勢(shì)比浙優(yōu)18更加平均，由作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀所測(cè)得的NDVI值和RVI值更好地反映植株的生育狀況。經(jīng)過回歸分析后，甬優(yōu)538品種各項(xiàng)農(nóng)學(xué)參數(shù)與光譜指數(shù)擬合度也更高，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)產(chǎn)量等生育指標(biāo)。

圖7 全生育期光譜指數(shù)與氮積累量的相關(guān)關(guān)系

對(duì)葉面積指數(shù)進(jìn)行光譜分析時(shí)，葉面積指數(shù)在分蘗末期上升緩慢，是因?yàn)榉痔Y末期光照不均，水稻大量無效分蘗開始死亡，導(dǎo)致葉面積稍有下降，在灌漿期，葉面積指數(shù)開始明顯下降，是因?yàn)樗疽呀?jīng)開始大量結(jié)穗，這些穗會(huì)阻擋葉片，葉片被覆蓋而導(dǎo)致作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀測(cè)得葉面積指數(shù)降低。對(duì)生物量進(jìn)行光譜分析時(shí)，灌漿期NDVI、RVI的R2值都明顯降低。這是因?yàn)楣酀{期水稻大量結(jié)穗，影響了作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量，導(dǎo)致擬合度降低。對(duì)氮積累量進(jìn)行光譜分析時(shí)，各個(gè)生育時(shí)期NDVI、RVI的R2值幾乎都大于0.9，說明氮積累量與光譜參數(shù)擬合度較高，也表明了通過作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀能夠很好的預(yù)測(cè)水稻氮積累量。

甬優(yōu)538和浙優(yōu)18在各個(gè)生育時(shí)期NDVI、RVI與葉面積指數(shù)、生物量、氮積累量的R2值均在0.7以上，達(dá)到了極顯著的相關(guān)。構(gòu)建的全生育期NDVI、RVI與葉面積指數(shù)、生物量和氮積累量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，R2值均在0.75以上，因此，作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀器能夠準(zhǔn)確獲取水稻冠層的NDVI和RVI，實(shí)時(shí)有效地反映水稻的生長(zhǎng)狀況，更好地監(jiān)測(cè)水稻生長(zhǎng)。