北疆棉区滴灌棉花氮磷钾营养综合监测与诊断模型研究

To develop an efficient and precise fertigation management system in cotton of Northern Xinjiang, the effects of reduced nitrogen (N) application rates and different levels of phosphorus (P) and potassium (K) topdressing on growth and yield in field-grown cotton will be investigated by using computer vision technology to capture canopies color images and real-time data collection about growth morphology at different growth stages. The results will be used to discover the relationship between cotton dynamic growth parameters, canopies spectral characteristics and NPK contents in its tissues separately for N, P and K nutrition monitoring and diagnosis model development. This study will essentially be helpful in diagnosis and prediction of NPK levels in cotton based on real-time growth status, and to set up a quantitative and precision fertigation management system with highly efficient absorption and utilization rate of NPK at different stages of cotton growth and high yield potential capability. The precision fertigation management system derived from the proposed model will not only support to improve cotton growth and achieve potential yield, but will also raise the cotton precision cultivation management level, and facilitate the progress of informatization and modernization of cotton cultivation industry.

为探讨新疆北区精准施肥新模式，解决肥料盲施和运筹模式不合理导致的肥料利用率低和产量不稳定等问题。本研究以滴灌棉花为对象，分别采用计算机视觉技术对棉田实时跟踪监测和不同生育期实时采集棉花农艺性状数据的方法，研究通过改变氮磷钾肥料施用量和施用时期对棉花生长和产量形成的影响，进而挖掘棉花生长动态指标、冠层群体图像特征参数与棉株氮磷钾含量的关系及氮磷钾元素间的互作效应关系，构建滴灌棉花氮磷钾营养综合监测与诊断模型，并通过高产田独立试验对模型校正和完善。研究结果将有助于通过棉株苗情变化，及时判断和预测棉花动态氮磷钾营养状况，进而探求改善棉株生长的高效氮磷钾肥料调控措施，达到产量最大化和氮磷钾互作效应最大化兼得的目标，为促进棉花生长和产量潜力开发提供技术支撑；同时对提升棉花生产的管理水平和综合效益，加快棉花种植信息化与现代化的发展进程具有重要意义。

新疆滴灌棉花生产过程中投肥量大、施肥管理粗放，棉花生长过程中大量元素监测精度低导致生产效益降低、环境污染加剧，探索新疆北区精准施肥新模式，研发棉花生产过程中大量元素监测与诊断方法与技术是棉花产业提质增效、减污降碳的重要手段。本项目以滴灌棉花为研究对象，设计了改变氮磷钾施用量和施用时间的试验方案，分别采用计算机视觉技术对棉田实时跟踪监测和不同生育期实时采集棉花农艺性状数据的方法，研究了棉花生长发育和产量形成对减量施氮和不同磷钾追施比例的响应特征，探索了高产高效的氮磷钾综合运筹模式，并解析了高产高效氮磷钾综合运筹模式影响滴灌棉花生长发育及产量形成的机理，建立了棉花氮磷钾营养监测模型。结果表明，滴灌棉花在减氮后适宜的磷钾运筹模式下，即减氮25%，磷钾肥蕾期-花铃期施用比例PK:50%-50%的施肥模式实现高产高效主要归因于氮磷钾综合运筹模式延缓了棉花盛铃前期到吐絮期叶面积衰老速率，维持较高净光合速率，提高了群体生长速率和营养器官向生殖器官干物质转运与积累量，进而维持棉花较高产量水平。再利用无人机搭载多光谱、数码相机，棉花叶柄氮磷钾含量快速检测、化学分析等技术与方法采集棉花关键生育期生长、生化、光谱等数据信息，建立了基于蓝边参数和小波神经网络算法结合的叶柄硝态氮含量估算模型、基于颜色参数衍生植被指数和机器学习算法结合的棉花氮含量预测模型、棉花氮临界稀释浓度曲线模型，其模型精度较高，应用不同平台与技术方法构建的模型可满足不同应用情景的棉花营养监测，提高了棉花氮营养监测精度。