基于冠层反射光谱的双季稻氮素营养诊断及其调控决策模型研究

高产看苗诊断是我国传统的宝贵经验，光谱遥感是近年发展起来的一个十分活跃的研究领域，本研究基于冠层反射光谱的氮素营养诊断试图从设计思想、手段和方法作一些新的尝试。针对双季水稻品种设置不同氮素水平，研究水稻叶片和冠层尺度高光谱氮素营养的监测时期、监测指标和监测方法。测定各主要生育期不同叶位功能叶及冠层反射光谱数据、导数光谱数据、高光谱植被指数以及"三边"参数，探讨氮素营养诊断的高光谱参数波段、波段宽度和适宜的特征光谱，分析光谱参数与氮素营养状况相关指标间的关系，应用多种数学方法进行曲线模拟，构建估算双季稻氮素营养状况的数学模型，综合多个指标对不同生育期氮素营养状况作出综合评估，形成氮素营养诊断模型，与"水稻生长日历模型（RICAM）"进行综合集成，拟订高产水稻氮素调控决策方案。为实时、快速、无损监测双季稻氮素营养状况及长势长相提供理论和技术支撑。

氮素是水稻生长发育和产量品质影响最显著的营养元素，快速准确经济诊断氮素营养状况是精确农业发展的关键技术之一。本研究以双季水稻品种为研究对象，设置不同施氮水平的田间试验，在冠层和叶层两个尺度上探讨高光谱氮素营养的监测时期、监测指标和监测方法。通过测定不同生育期不同施氮量条件下的反射光谱特征曲线，确定了对氮素营养敏感的波长、波段；分析了原始反射光谱数据、导数光谱数据、“三边”参数以及高光谱植被指数与水稻氮素营养相关指标间的关系，结果表明，不同施氮量群体的冠层高光谱敏感波段主要存在于近红外区域和可见光区域，720-740nm的红边核心区对水稻不同的施氮量具有稳定的响应特征，冠层红边位置随施氮水平的增加向长波方向移动（红移），红边振幅随施氮水平的升高而升高。与氮素含量相关性较好的光谱参数处在红谷、绿峰、红边波段，其中红谷反射率、绿峰反射率与叶片氮素含量呈负相关，红边位置、红边幅值与叶片氮素含量呈正相关；红谷反射率和绿峰反射率与叶片氮素含量的相关系数最高，其次是红边位置和红边幅值，红谷位置和绿峰位置与叶片氮素含量相关不显著。鉴于施氮量与水稻叶片叶绿素含量呈极显著正相关，进一步研究了水稻叶片叶绿素含量与高光谱特征变量的关系，结果表明，基于光谱位置的特征参数与叶绿素的相关系数整体偏低，其中与叶绿素含量相关性较好的光谱位置参数是红边位置和红谷反射率，其次是绿峰反射率和绿峰位置。近红外波段（＞750nm）与红光波段（630-680nm）和550nm左右的绿光波段组合的比值植被指数与水稻冠层叶绿素含量具有较高的相关性，最理想的区域主要集中在近红外波段（R750、R800、R990）与绿光组合的区域。比值植被指数R800/R550、R750/R553和R990/R553，色素比值指数PSSRa、PSSRb和色素归一化指数PSNDa、PSNDb、PSNDc，可以作为水稻冠层叶片叶绿素监测的特征变量。在分析氮素营养与光谱敏感波段和光谱特征变量关系的基础上，构建了基于高光谱的氮素营养状况估算数学模型，并对于模型的可靠性进行了检验。这些结果可以为高光谱监测双季稻氮素营养提供有效的技术支撑。