柑橘大小年差异分析及生化参数估测研究

【摘要】柑橘大小年结果现象是十分普遍的现象,直接影响柑橘树的生长发育,近期影响果树产量不稳定,大年供过于求,小年供不应求,远期会使果树提前衰老,易遭病虫害,使果实品质变差,果实产量逐年下降,核心影响是果农的经济收入。因此,柑橘生产上必须采取有效措施,克服柑橘大小年结果现象,促使柑橘年年稳产高产,才能取得良好的经济效益。然而形成柑橘大小年的内在原因是树体营养失调。叶片营养分析是柑橘树营养状况分析的重要技术手段之一,高效的植物营养诊断方法是柑橘营养工作者一直研究的热点课题之一。高光谱遥感技术的发展为从遥感数据中提取生化参数成为可能,利用反射光谱数据可以估测叶片内生化成分的浓度或含量,为精准农业中实时、快速、无损、准确地获取作物营养信息提供重要的理论依据。本研究基于柑橘大小年的普遍现象,以北碚锦橙为研究对象,采用野外光谱辐射仪测量柑橘树冠层的光谱反射率,并同步对叶片进行水分、氮、钾、磷含量的测定,在成熟期以树为单位获取产量数据,分析实验期间柑橘大小年存在的严重程度,分析大小年4-12月生化参数差异。通过高光谱遥感技术处理冠层光谱数据,获取光谱变量。分析柑橘大小年萌芽期(3月)生化参数差异和光谱差异,结合柑橘大小年形成的主要原因：营养失调。采用统计学相关分析法,分析柑橘萌芽期的叶片生化参数与光谱变量之间的相关关系,并建立预测叶片生化参数的模型。通过对叶片营养元素的诊断来控制柑橘大小年现象。研究的主要结果如下：(1)本实验期间柑橘存在严重的大小年情况,连续三年产量数据中有80%以上的柑橘树存在大小年现象,其中60%以上的柑橘树存在极严重的大小年现象。这与试验区果农的管理有一定关系。(2)对柑橘大小年的生化参数差异分析可看出,从4月到12月叶片的水分、氮、磷、钾含量都呈下降趋势,这是因为春季是柑橘各器官生长发育时期,此时期柑橘树需要大量营养元素,再加上果农在早春施肥致使此时期各生化参数偏高。除钾含量外,叶片的其余生化参数小年比大年偏高,这是因为柑橘在小年期果实比大年期少,树体营养供给营养生长,致使叶片营养含量小年比大年高。(3)根据柑橘叶片营养诊断分级标准及周学伍的锦橙叶片矿质元素含量指标,氮含量2.75-3.25为适量阶段,小年期柑橘树在4月处于过量状态,其余时期氮含量都处于低量阶段,亦柑橘在大小年产量都不高。钾含量0.7-1.5为适量区间,大小年的叶片钾含量都较低,这不利于果实的生长发育,影响果树产量。磷含量适宜阶段：0.14-0.17,其中柑橘树小年中的4月份磷含量过量,7月处于高量状态,大年期叶片磷含量处于适量阶段。(4)通过对柑橘树大小年时期的叶片生化参数含量做配对样本T检验,水分含量的显著性差异除10月份外,其他月份都存在P<0.01的差异显著水平。氮含量整个时期大小年都存在P<0.01的差异显著水平；钾含量除8、10月份无显著性差异外,其余月份都存在显著性差异；磷含量除7月外,其余月份都存在P<0.05的差异显著水平。这说明柑橘叶片中的营养元素是与柑橘大小年现象有一定的关系。(5)分析柑橘大小年萌芽期生化参数差异得到：生化参数中差异最大的是氮含量,其他生化参数差异都较小,除钾含量外,大年含量大于小年,这是因为,此时期为萌芽期,果农的肥水管理对此时期柑橘叶片的营养元素有一定影响。根据周学伍的锦橙叶片矿质元素含量指标,氮和钾含量绝大部分的树未达到指标的适宜值,磷含量大年时期绝大部分树达到适宜值,小年时期低于适宜值。结合前面分析结果,可根据柑橘叶片的营养元素含量来判断大小年,叶片营养元素过高或过低会形成小年,只有适量或接近适量值才利于柑橘生长发育,形成大年,亦估测柑橘叶片的营养元素是十分重要的,对克服柑橘大小年现象具有重大意义。(6)对柑橘大小年萌芽期光谱差异分析可得：冠层光谱反射率曲线走势起伏一致,但反射率高低有一定的差异,小年期的反射率在可见光和近红外波段都比大年期反射率高,这可得出绿峰、红谷都会存在一定的差异,小年期反射率曲线较平滑,大年期反射率曲线在700-800间有较明显的反射峰。通过微分技术处理后,除在一些拐点区域存在较大差异外,其他波段区域差异较小,可推出大小年的红边位置,红边幅值存在较大差异。利用柑橘大小年萌芽期的冠层光谱参数进行配对样本T检验和方差分析得出：红边位置、红边幅值、黄边位置、黄边幅值、绿峰反射率、红谷反射率、绿峰／红谷、绿峰红谷归一化值8个光谱参数具有显著性差异,其余光谱参数没有显著性差异,这说明柑橘大小年冠层的一些光谱数据能一定程度上反应柑橘叶片中的生化参数差异。这为利用柑橘冠层光谱信息反演柑橘叶片生化参数提供可能。(7)通过对柑橘萌芽期的叶片生化参数与柑橘冠层高光谱变量进行相关分析,所有生化参数与光谱变量都存在显著相关性,氮含量与光谱变量相关性最好,达到0.885,水分含量其次,钾含量最低。利用相关系数较高的光谱变量与生化参数建立模型并进行精度检验,最后得到以下最佳模型。氮含量：光谱变量Dλ403,反演模型：y=2.617-1315X-5.554*106X2-7.486*109X3,R2=0.885。水分含量：光谱变量DX591,反演模型：y=58.4-921.7X+4.97*109X3,R2=0.638。磷含量：光谱变量Dλ605,反演模型：y=-0.05945-1642X-4239000X2-3.52*109X3,R2=0.748。钾含量与光谱变量的相关性达到了显著水平,但建立的模型未能达到显著性水平,这可能与实验数据的处理方法、建模方法有一定关系。结论说明,利用高光谱遥感估测叶片生化参数是有可能的,这为柑橘叶片营养诊断提供理论依据,为柑橘大小年的科学管理,控制柑橘大小年现象提供科学的方法。
【作者】余天霞；
【导师】罗红霞；
【作者基本信息】西南大学，地图学与地理信息系统，2014，硕士
【关键词】柑橘；大小年结果；生化参数；光谱变量；估测模型；

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