密級： 論文編號： 中國農業(yè)科學院 學位論文 玉米營養(yǎng)光譜診斷技術研究 N .) N .) I 摘 要 高效的植物營養(yǎng)診斷方法是植物營養(yǎng)工作者一直研究的熱點課題之一。高光譜技術的發(fā)展為從遙感數(shù)據(jù)中提取生物物理參數(shù)和生物化學參數(shù)成為可能，利用反射光譜數(shù)據(jù)可以估計葉片內生化成分的濃度或含量。本研究將高光譜技術與植物營養(yǎng)診斷相結合，目的為尋求一種高效的植物營養(yǎng)診斷方法。 其意義在于： 是傳統(tǒng)植物營養(yǎng)診斷方法的技術創(chuàng)新； 實現(xiàn)作物養(yǎng)分的快速精準管理 ； 促進高光譜技術在植物營養(yǎng)領域的應用，符合現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的要求 。 本 研究 以玉米為試驗材料，通過盆栽試驗和池栽試驗，利用高光譜技術獲取了玉米不同生育時期的第 6 片完全展開葉和第 12 片完全展開葉（ 果穗葉 ） 的光譜反射率， 通過對不同處理的葉片光譜反射率的波段間差異性分析，對原始光譜反射率與營養(yǎng)元素的相關性分析，得出氮磷鉀營養(yǎng)的光譜敏感時期和敏感波段；通過波段寬度變化試驗，分析不同波段寬度的光譜參量對營養(yǎng)診斷精度的影響，得出營養(yǎng)診斷的適宜波段寬度；通過對不同變換形式的光譜數(shù)據(jù)與營養(yǎng)元素的相關性分析，得出不同形式的光譜數(shù)據(jù)能 顯著改變同營養(yǎng)元素的相關關系；通過篩選不同的光譜特征參量，建立了玉米氮素營養(yǎng)診斷的光譜模型。其主要結論如下： 1. 玉米氮素營養(yǎng)在各個生育時期的光譜響應較為 強烈 。拔節(jié)期和大喇叭口期 由氮引起的 第 6片完全展開葉光譜反射率的敏感波段主要在可見光波段，且 在該波段葉片光譜反射率與氮含量 呈現(xiàn)負的相關關系；開花吐絲期和灌漿期 由氮引起的 果穗葉光譜反射率的敏感波段主要在近紅外波段，且 在該波段葉片光譜反射率與氮含量 呈現(xiàn)正的相關關系。玉米磷素營養(yǎng)在大喇叭口期的光譜響應較為 強烈 。大喇叭口期 由磷處理引起的 第 6 片完全展開葉光譜反射率的 敏感波段在可見光區(qū)域的 350 731段和近紅外區(qū)域的 1415 1800段，在這兩個波段均呈現(xiàn)負的相關關系。玉米鉀素營養(yǎng)在大喇叭口期的光譜響應較為 強烈 。大喇叭口期 由鉀處理引起的 第 6 片完 全展開葉光譜反射率的敏感波段在近紅外波段的 730 932961 11171156 1326 16111739這些波段均表現(xiàn)正的相關關系。 2. 在葉片光譜反射率與營養(yǎng)元素的顯著相關波段范圍內，選擇 100段寬度的光譜參量不會降低估測營養(yǎng)元素含量的精度。 3. 同原始光譜反射率 量的相關性相比，光譜數(shù)據(jù)的微分變換（ D(R)、 D()和 D(N(R)）使得光譜值與營養(yǎng)元素的相關關系沿波長方向呈現(xiàn)戲劇性變化，相關性在波段間不連續(xù)、不穩(wěn)定。歸一化變換 （ N(R) 與 (R)） 在某些光譜波段上能顯著增強或減弱光譜值與營養(yǎng)元素之間的相關性，這種改變在不同生育期和不同葉片上也不一致。對數(shù)變換對光譜值與營養(yǎng)元素的相關性與變換前相比幾乎無影響（ R 與 )， N(R) 與 (R)）。 4. 紅邊斜率（ 拔節(jié)期、大喇叭口期和開花吐絲期與葉片氮含量的相關關系均達到 了極顯著水平。綠峰最大反射率（ 拔節(jié)期、大喇叭口期、開花吐絲期和灌漿期與葉片氮含量的相關關系均達到顯著水平。 R(第 6 片展開葉和果穗葉的氮含量在拔節(jié)期和大喇叭口期表現(xiàn)為正相關關系，在開花吐絲期和灌漿期表現(xiàn)為負相關關系，除灌漿期第 6 片展開葉外均達到顯著或極顯著水平，且在生育前期第 6 片展開葉上相關性強于果穗葉，在生育后期果穗葉上的相關性強于第 6 片展開葉。基于連續(xù)統(tǒng)去除法所得參數(shù)中，波段深度（ 葉片氮含量在拔節(jié)期、大喇叭口期、開花吐絲期和灌漿 期均達到顯著或極顯著相關水平；吸收峰左 端面積（ 吸收峰整體面積（ A）與葉片氮含量在第 6 片完全展開葉上表現(xiàn)出顯著的相關關系，但在生育前期為正相關，在生育后期為負相關，在果穗葉上的相關性與第 6 片完全展開葉相似，但未達到顯著水平。光譜吸收指數(shù)（ 葉片氮含量的相關關系變化同光譜參量 極為相似?；诠庾V特征參量與葉片氮含量的相關關系隨生育期發(fā)生有規(guī)律的變化，說明采用這些變量對葉片氮含量進行估算是可行的。 5. 確立了在玉米生育前期以第 6 片完全展開葉為氮素營養(yǎng)診斷對象，在生育后期以第 12 片完全展開 葉為氮素營養(yǎng)診斷對象。 根據(jù)光譜參量 玉米生育前期和后期與不同葉片 營養(yǎng)元素 的相關性， 建立了以 光譜特征參量，隨玉米生育期變化的二次多項式為氮素營養(yǎng)診斷模型。 本研究使高光譜技術和理論在植物營養(yǎng)學領域得到進一步的發(fā)展，為更有效的利用高光譜技術進行植物營養(yǎng)診斷提供了新思路，為開發(fā)低成本、高精度的便攜式植物營養(yǎng)光譜診斷儀提供了理論支持。 關鍵詞 ：玉米，氮磷鉀營養(yǎng)，光譜響應，光譜參量，診斷模型 of is of of of it of or of in to a of of in of in of to of In .)as of th 2th at of it of By of of on of it At as 1. of at of th in at in of in at in of at of th in 50731nm 4151800 in of at of th in 309329611117115613266111739 in 2. In 00nm of . by D(R)、D() (N(R). up or in by N(R) (R). by R ), N(R) (R). 4. up to at up to at R(th 2th at at or at in th in 2th at in 2th in th at on or at A) on th be at at on 2th on th as 1 . on of it 5. It it th as at 2th as at It a ed at ed as in of of by of V 目 錄 第一章 緒論 . 1 言 . 1 物營養(yǎng)的常規(guī)診斷方法 . 1 觀診斷 . 1 學診斷 . 2 于葉綠素計的氮素營養(yǎng)診斷 . 2 物營養(yǎng)的光譜診斷方法 . 3 光譜遙感技術 . 3 物的光譜特征 . 4 物營養(yǎng)的光譜診斷基本原理 . 7 物光譜信息提取和處理方法 . 8 物氮素營養(yǎng)的光譜診斷及其研究進展 . 9 物磷素營養(yǎng)的光譜診斷及其研究進展 . 12 物鉀素營養(yǎng)的光譜診斷及其研究進展 . 13 物其他營養(yǎng)元素的光譜診斷及其研究進展 . 14 在的主要問題 . 14 題來源 . 16 究目的和意義 . 16 究依據(jù) . 17 究內容 . 18 術路線 . 18 第二章 材料與方法 . 20 驗材料 . 20 驗設計 . 20 據(jù)獲取 . 21 譜數(shù)據(jù)的獲取 . 21 學數(shù)據(jù)的獲取 . 23 據(jù)分析 . 23 第三章 春玉米葉片營養(yǎng)元素及生化成分含量分析 . 24 同氮處理春玉米葉片營養(yǎng)元素及生化成分含量分析 . 24 同氮處理春玉米葉片氮素和葉綠素含量分析 . 24 同氮處理春玉米葉片內生化成分含量分析 . 26 同磷處理春玉米葉片營養(yǎng)元素含量分析 . 28 同鉀處理春玉米葉片營養(yǎng)元素含量分析 . 29 論 . 30 章小結 . 31 第四章 不同氮磷鉀處理的春玉米葉片光譜特征曲線及差異性分析 . 32 言 . 32 同氮處理的春玉米葉片光譜響應 . 32 同氮處理的春玉米葉片光譜反射率曲線 . 32 同氮處理的春玉米葉片光譜特征差異性分析 . 34 同氮處理的春玉米葉片光譜紅邊特征分析 . 35 同磷處理的春玉米葉片光譜響應 . 38 同磷處理的春玉米葉片光譜反射率曲線 . 38 同磷處理的春玉米葉片光譜特征差異性分析 . 39 同 磷處理的春玉米葉片光譜紅邊特征分析 . 40 同鉀處理的春玉米葉片光譜響應 . 41 同鉀處理的春玉米葉片光譜反射率曲線 . 41 同鉀處理的春玉米葉片光譜特征差異性分析 . 42 同鉀處理的春玉米葉片光譜紅邊特征分析 . 43 論 . 43 章小結 . 45 第五章 不同波段寬度的光譜數(shù)據(jù)與營養(yǎng)元素含量相關性分析及營養(yǎng)診斷. 46 言 . 46 同氮處理春玉米葉片光譜波段寬度變化試驗 . 46 同氮處理不同生育期春玉米葉片光譜反射率與葉片氮含量相關分析 . 46 段寬度變化方法 . 48 歸模型的建立 . 49 同磷處理春玉米葉片光譜波段寬度變化試驗 . 54 同磷處理不同生育期春玉米葉片光譜反射率與葉片磷含量相關分析 . 54 段寬度變化方法 . 56 歸模型的建立 . 56 同鉀處理春玉米葉片光譜波段寬度變化試驗 . 58 同鉀處理不同生育期春玉米葉片光譜反射率與葉片鉀含量相關分析 . 58 段寬度變化方法 . 59 歸模型的建立 . 60 論 . 62 章小結 . 63 第六章 不同變換形式的光譜數(shù)據(jù)與營養(yǎng)元素含量相關性分析及營養(yǎng)診斷. 64 言 . 64 譜數(shù)據(jù)的轉換方法 . 64 素處理的結果與分析 . 65 同生育時期葉片光譜轉換值與氮素的相關性分析 . 65 同形式的光譜變量對氮素營養(yǎng)診斷的精度分析 . 68 素處理的結果與分析 . 71 同生育時期葉片光譜轉換值與磷素的相關性分析 . 71 同形式的光譜變量對磷素營養(yǎng)診斷的精度分析 . 75 素處理的結果 與分析 . 76 同生育時期葉片光譜轉換值與鉀素的相關性分析 . 76 同形式的光譜變量對鉀素營養(yǎng)診斷的精度分析 . 80 論