水分和养分胁迫下的农田混合光谱观测试验与变化机理研究

农田是由土壤和作物二元组分构成的生态系统，在遥感获取的农田影像中每个像元包含了土壤和作物的混合光谱信息。开展水分、养分等因子胁迫下的农田混合光谱观测与变化机理研究，有利于在理论指导下开展农业遥感应用。.本课题结合课题组前期在农田关键参数遥感监测研究方面发现的问题，通过实验观测不同生长期（或植被覆盖度）下农田土壤和作物混合光谱，分析总结农田混合光谱的正常变化规律，在此基础上，设计可控条件下不同水分和养分胁迫的野外观测试验，对照正常农田混合光谱，揭示干旱、养分胁迫时田间不同组分在不同波段的光谱响应特征，深入探讨水分、氮素等关键营养因子胁迫下农田地物的混合光谱变化机理，构建不同植被覆盖度、农田水分和养分胁迫下的反演模型及相关算法，开发基于遥感技术支持的作物健康诊断系统。以宁夏、河北平原等地开展农业遥感应用示范，实现农田干旱与营养亏缺的快速诊断与识别，逐步推广应用本课题的研究成果。

项目已按照基金计划完成相关研究内容。依据项目考核指标与研究任务要求，申请一项国家发明专利“一种土壤与植被混合光谱测量方法及模拟系统”， 已获取专利局发出的初步审查合格通知书。在国内外学术刊物与国际学术会议上先后发表学术论文10篇，其中，被SCI检索6篇， EI检索3篇。开发完成了农田生态系统遥感诊断软件系统，并在宁夏相关部门应用示范，目前已申请软件著作权。先后培养博士生4人，硕士生4人。上述指标分别达到或超过基金计划书上规定的任务要求。.取得成果如下：.提出了农田土壤与植被混合光谱测量的一种方法。该方法可定量控制农田土壤与植被二元组分比例，进行农田混合光谱观测实验，实现不同组分比例下的土壤与植被混合光谱的测量和模拟。通过分析地物光谱仪测量的不同比例土壤与植被混合光谱数据，研究组发现：在土壤植被状况不变的情况下，农田混合像元光谱的变化，仅与农田土壤与植被二元组分比例有关，植被覆盖度的变化直接导致混合像元光谱的变化。在二者组分比例不变的条件下，混合像元内部土壤与植被覆盖空间范围的变化不会导致混合像元光谱的变化。.在观测实验基础上提出了农田光谱混合模型。该光谱模型通过分析冠层上下表面与土壤表面实际反射率，模拟了不同植被覆盖度下的混合光谱。依据该光谱混合模型，课题组进一步研制了模拟系统。该系统利用光谱数据库中的纯像元地物光谱，通过光谱混合模型模拟了不同植被覆盖度下的土壤植被混合光谱，进一步验证了植被与土壤混合光谱的变化规律。.获得了农田小麦在不同氮素下与水分条件下的观测数据，为水分和养分胁迫下农田混合光谱分析奠定了实验观测基础。运用农业综合实验场获得的小麦生长期内的作物冠层光谱和相关生态参数观测数据，分别分析了不同氮素、水分条件下及水氮耦合作用条件下的作物长势参数和冠层光谱的变化特征。研究发现：农田水分和养分严重不足时，对作物生长具有明显胁迫作用。随着氮素施肥量的增加，叶绿素含量光谱特征增强，当氮素施肥量超量时，其对作物生长促进作用的边际效应逐渐减小。对比60%和80%田间持水量，前者更适宜作物生长。分析不同生育期的水氮耦合作用时发现，拔节期氮素起主导因素，抽穗至开花期两者的协同因素突出，灌浆期氮素对于作物生长后期LAI的保持和干物质量的增加具有明显的促进作用。观测实验提高了水分和养分胁迫下农田混合光谱变化机理的认识。上述研究成果分别体现在项目申报的发明专利与发表的文章中。