利用氮营养指示叶位的叶片光谱参数诊断玉米氮营养状况的研究

【摘要】氮素是玉米所需的三大主要营养元素之一,与籽粒产量和品质密切相关,氮营养亏缺会对玉米正常的光合作用、光合产物的转运以及氨基酸、叶绿素、酶、蛋白质等物质的合成产生不利影响。而氮营养过剩不仅无益于玉米产量的提高和品质的改善,还会降低对氮肥的有效利用率,多施的氮肥对环境也造成严重的污染。准确的氮肥管理决策取决于对作物氮营养状况或土壤供氮能力的精确评价,在当今精确农业的发展要求下,建立实时、快速和准确的玉米氮营养状况诊断技术对指导大田氮肥的合理施用有着重要的科学意义和实际应用价值。本研究以不同施氮处理下不同生育时期大田生长玉米为试验材料,对不同叶位叶片含氮量与植株含氮量进行相关性分析,得出不同生育期氮营养指示叶位,分析了不同施氮处理的玉米各叶位反射光谱差异,建立了玉米氮营养指示叶位叶片光谱参数的植株含氮量诊断模型。结合植株氮营养状况诊断和肥料效应函数的肥料推荐技术,对利用光谱参数进行玉米拔节期氮肥推荐作了初步研究。尝试将叶片数字图像颜色特征和光谱参数经信息融合技术处理后建立植株氮营养状况诊断技术,以期获得较单一诊断技术更精确的植株含氮量预测。主要研究结果如下：1、玉米拔节期、大口期、抽雄期不同叶位叶片含氮量均存在较大的差异,因此确定各生育期最能代表植株氮营养状况的叶位,是利用叶片反射光谱进行玉米氮营养状况精确诊断的前提。试验结果表明,拔节期以第6叶(最上部完全展开叶),大口期、抽雄期以第12叶位(穗位叶)叶片含氮量与植株含氮量的相关性最好,因此可以将这3个叶位分别作为上述生育期的植株氮营养指示叶位。指示叶位叶片的R550、NIR/G、mRN705、SR、PRI共5个光谱参数与各生育期植株含氮量的相关系数均至少达到了显著水平,其中R550对拔节期、大口期植株含氮量,以及mND705对抽雄期植株含氮量建立的线性模型R2最大。随施氮水平的提高,各生育期相同叶位叶片含氮量也相应增加,而且氮营养指示叶位叶片的含氮量受增施氮肥的影响较低叶位更大,增施氮肥能够增大指示叶位与其他叶位叶片的含氮量差异,即叶位差距越大,含氮量差异也越大。比较各生育期指示叶位叶片与其他叶位叶片的R550值差异,其中拔节期、大口期、抽雄期的氮营养指示叶位L6、L12、L12分别与非指示叶位L4、L6、L9的R550差值差异、比值差异和植株含氮量之间的相关系数最大,并且要大于各生育期指示叶位叶片R550值与植株含氮量的相关系数,表明氮营养指示叶位与其他叶位叶片的光谱差异能更准确地对玉米植株氮营养状况进行诊断分析。2、不同施肥水平对各生育期土壤硝态氮、碱解氮和全氮含量影响明显,所以合理的氮肥施用管理措施可以提高土壤的供氮能力。各生育期土壤硝态氮、碱解氮含量与玉米植株含氮量的相关系数在0.73～0.82之间,而土壤全氮含量与玉米植株含氮量的相关性相对较差,各生育期相关系数都在0.5以下,所以土壤全氮含量能否作为土壤供氮能力的评价指标还有待做进一步考量。土壤硝态氮、碱解氮含量与各生育期指示叶位叶片光谱参数R550、NIR/G、mND705的相关性较好,均达到了极显著水平,而与光谱参数SR、PRI的相关性相对较差,且不显著。土壤全氮含量与这5个光谱参数的相关性均未达到显著水平。3、对氮肥施量与玉米籽粒产量进行回归分析,二者呈典型的一元二次函数效应递减曲线,函数决定系数R2=0.9258,能较好的模拟产量与氮肥施用量关系,由该函数可得最高产量和经济产量时的氮肥施用量,结合玉米拔节期氮营养指示叶位叶片(L6)光谱参数R550建立的植株含氮量实时诊断模型,进而构建了基于近红外光谱参数的拔节期追氮调控模型,实现追氮用量的精确估算。4、为了提高对玉米植株氮营养状况诊断的准确性,建立利用数字图像颜色特征和光谱参数的植株氮营养状况诊断信息融合技术。首先,采集了各生育期玉米氮营养指示叶位叶片的扫描数字图像,并从中提取了R、G、B、r、g、b共6个颜色特征参数,将这6个参数为人工神经网络的输变入量,创建了结构为3层BP神经网络模型预测植株含氮量。其次,利用R550、NIR/G、mND705、SR、PRI共5个光谱参数,作为BP人工神经网络的输入变量,创建3层BP神经网络模型预测植株含氮量。最后,用BP人工神经网络对以上11个颜色特征和光谱参数做信息融合对植株含氮量诊断。结果表明：单独利用颜色特征和光谱参数对植株氮营养诊断的RMSE值分别为2.33～3.11和1.84～3.37。而将2种不同传感器所获得的植株氮营养信息进行信息融合后,对植株氮营养诊断的RMSE值为1.34～2.12,优于单一技术,利用逐步回归方法对两组参数所做的信息融合也有相同表现,但该方法的RMSE值为2.05～2.84,较BP人工神经网络信息融合方法的RMSE值要大。所以,信息融合技术能够发挥数字图像和近红外光谱检测技术的各自优势,但不同信息融合方法对信息提取的有效程度不同,这也会对模型的预测精度产生较大影响。5、以叶面尘对国道旁栽培玉米叶片反射光谱的影响为研究内容,分析了除尘前后叶片反射率及一阶导数光谱的差异,进而考察了叶面尘干扰下的氮营养光谱监测模型预测精度。结果表明：相对于无尘叶片,叶面尘使得叶片在可见光和短波红外光区的反射率增加,而在近红外光区的反射率减少；三边位置、蓝边斜率和黄边斜率在除尘前后无变化,而有尘叶片的红边斜率和三边面积均较无尘叶片减小；叶面尘干扰下的全氮含量光谱监测模型R2减小,预测精度降低。试验对叶面尘作为光谱检测干扰条件作了初步探讨,为今后叶面尘影响评价及建立修正模型提供理论依据。
【作者】王涛；
【导师】左月明；
【作者基本信息】山西农业大学，农业机械化工程，2013，博士
【关键词】玉米；氮营养指示叶位；近红外光谱；施肥推荐；信息融合；

【参考文献】
[1]刘洋.峡山水库水环境分析及污染控制对策研究[D].成都理工大学,自然地理学,2013,硕士.
[2]王海燕.我国高速公路综合执法问题研究[D].西南政法大学,宪法学与行政法学,2012,硕士.
[3]张峻豪.矩形磁控溅射靶的磁场模拟分析及优化[D].东北大学,流体机械及工程,2010,硕士.
[4]山云利.基于网格GIS的山区土地生态安全评价[D].华中科技大学,环境工程,2013,硕士.
[5]郝亮.一个高可扩展的Web服务器架构设计与热部署实现[D].华中科技大学,计算机技术,2013,硕士.
[6]李德娟.纤维素的RAFT接枝改性及其对纸浆的增强作用[D].齐鲁工业大学,制浆造纸工程,2014,硕士.
[7]淡海英.谈高职院校软件技术专业顶岗实习与专业培养目标的融合[J].电子制作,2014,20:258.
[8]王振立.基于ARM11的网络多媒体通信系统的设计[D].中北大学,电路与系统,2014,硕士.
[9]张光清.Java EE门户网站性能优化技术的研究与实现[D].湖南大学,计算机技术,2011,硕士.
[10]尹雯雯.不规则区域上均匀设计的构造[D].华中师范大学,概率论与数理统计,2014,硕士.
[11]彭磊磊.从认知视角研究中亚留学生汉语学习动机[D].新疆大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[12]刘晓涵,翟洪祥,黄振莺,李萌启.高能球磨对TiC_(0.5)/Cu(Al)复合材料组织和性能的影响[J].北京交通大学学报,2014,04:40-43+50.
[13]徐京城,刘轶,卞迎春.纳米碳含能复合材料热分解的反应分子动力学研究[A].中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集——第41分会：燃料与燃烧化学[C].中国化学会:,2014:1.
[14]林沁.视频中的大规模人群密度与异常行为分析[D].厦门大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[15]李娜,肖迎红,鲁嘉,王延平,许崇正,杨小弟.羧基化石墨烯基导电聚吡咯复合材料的超电容性能[J].应用化学,2013,03:354-359.
[16]陈桂英.提高我国顺丁橡胶生产技术之我见[J].合成橡胶工业.1989(02)
[17]杨玉敬.小学教学中预防性课堂管理的实施策略[D].华中师范大学,小学教育,2013,硕士.
[18]李春茹.基于小波变换和HVS的数字图像水印技术[D].西安电子科技大学,计算机应用技术,2004,硕士.
[19]张奇.针刺结合头颈部推拿治疗阴虚火旺型失眠症的临床观察[D].湖北中医药大学,针灸推拿学（专业学位）,2013,硕士.
[20]未安林.绘画与现实—颜文樑绘画风格探析[D].中国艺术研究院,美术学,2013,硕士.
[21]王海英.全数字接收机中载波同步技术研究[D].杭州电子科技大学,电子与通信工程,2013,硕士.
[22]宋钊.白细胞介素8与肺动脉高压大鼠血管重构和血管新生的关系[D].山东大学,儿科学,2013,硕士.
[23]任思佳.连续相位信号的调制解调技术研究[D].长安大学,信号与信息处理,2014,硕士.
[24]杨明.城中村集体不动产收益分配问题研究[D].苏州大学,土地资源管理,2013,硕士.
[25]权婧雅.基于QFD和Kano的新产品开发模糊前端分析模型研究[D].浙江大学,2010.
[26]肖潇.鞍山市农户有机蔬菜生产意愿及其影响因素分析[D].南京农业大学,企业管理,2011,硕士.
[27]陆海根.杭州动物园改造规划与建设研究[D].浙江大学,风景园林（专业学位）,2012,硕士.
[28]詹宇亮.动静脉内瘘成形术后局部血流剪切力对动脉粥样硬化的影响[D].福建医科大学,内科学,2014,硕士.
[29]潘伟兵.改性沥青路面材料路用性能研究及路面力学计算[D].浙江大学,桥梁与隧道工程,2004,硕士.
[30]解玉亮.牦牛与犏牛线粒体基因组比较分析[D].南京农业大学,动物遗传育种与繁殖,2012,硕士.
[31]曹亮.基于RFID技术的水泵集群监测系统设计和实现[D].苏州大学,软件工程（专业学位）,2014,硕士.
[32]廖世波,赖琛,奚廷斐,盛立远,董稳,王巧莉,张志雄.C6位氧化细菌纤维素的制备及结构表征[J].高分子材料科学与工程.
[33]郭林.可见光诱导下α-溴代酮的合成研究[D].哈尔滨工业大学,物理化学,2013,硕士.
[34]刘庆红.客户关系管理系统的研究与设计[D].吉林大学,2004.
[35]王辉.双界面小额支付模块设计与研发[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[36]钱玉琢.吉林省西部农村最低生活保障制度实施问题研究[D].长春工业大学,社会保障,2013,硕士.
[37]莫崇念.温补脾肾法治疗脾肾阳虚型甲状腺功能减退症患者的临床观察[D].成都中医药大学,中医内科学,2012,硕士.
[38]吴铁菲.中小城市建筑色彩与城市性格研究[D].河北师范大学,学科教学,2012,硕士.
[39]李欣.有限元法在复杂终端进气道电磁散射计算中的应用[D].西北工业大学,电磁场与微波技术,2004,硕士.
[40]姜在兴.面向中医临床处方分析的主题模型研究[D].北京交通大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[41]赵倩.RF CMOS片上变压器及模型研究[D].杭州电子科技大学,微电子学与固体电子学,2013,硕士.
[42]夏大慰.十大IT技术影响会计人[N].计算机世界,2003/04/07D14.
[43]王礼.电针串联治疗神经根型颈椎病的临床疗效观察[D].北京中医药大学,针灸推拿学,2014,硕士.
[44]李振凤.血浆miRNA在乳腺癌诊断中的价值[D].青岛大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[45]罗君华.化学修饰电极对镉、苏丹红及没食子酸的检测和研究[D].西南大学,分析化学,2013,硕士.
[46]吕玉琴.交强险与商业第三者责任险并案审理的可行性分析[D].兰州大学,保险法,2012,硕士.
[47]齐怀超.基于视频图像的车辆检测和匹配跟踪方法研究[D].长安大学,智能交通与信息系统工程,2014,硕士.
[48]安晖.护患纠纷中的危机管理制度研究[D].山西医科大学,护理学（专业学位）,2013,硕士.
[49]韩涛.用TM资料对祁连山部分地区进行针叶林、灌木林分类研究[J].遥感技术与应用,2002,06:317-321.
[50]周雯.非法经营罪的个案分析研究[D].西南政法大学,刑法学（专业学位）,2012,硕士.