开放式水稻冠层氮素营养光谱响应机理及估算模型

本研究针对水稻精确追肥管理对开放式水稻冠层氮素营养实时监测技术的迫切需求这一科学问题，综合运用新兴高光谱分析技术与定量建模方法，以不同类型水稻品种在不同氮素、密度和水分处理条件下的试验为基础，着重解析不同处理条件下水稻冠层高光谱反射率、氮素营养指标、冠层结构参数和植株水分状况的时空变化模式，深入探讨冠层结构、土壤和水层背景及植株水分状况对水稻冠层反射光谱的影响机制，提出兼具较强机理性和通用性的开放式水稻冠层氮素营养的敏感光谱参数，构建具有较高精度和普适性的开放式水稻冠层氮素营养光谱估算模型，从而为水稻氮素营养的实时、精确诊断和追肥调控提供理论基础与技术途径。预期结果将有助于解决水稻生长状况的精确诊断和定量追肥这一重要难点问题，对于水稻精确氮肥管理和高产优质高效生态安全生产具有重要的现实意义和良好的应用前景。

水稻追肥时，冠层一般未完全封行，处于开放式冠层状态。因此，建立开放式水稻冠层氮素营养估测的最佳光谱指数及监测模型对于水稻生长诊断和精确管理有重要意义。本研究基于不同株型品种、施氮水平和种植密度的水稻田间试验，在综合考虑不同植被覆盖度（VC）和叶面积指数（LAI）等冠层结构指标对冠层反射光谱影响的基础上，研究了水稻冠层氮素营养指标的敏感高光谱指数及其相互定量关系。结果表明，由两个绿光波段组成的比值光谱指数SR(R553, R537)、SR2(R770, R752)能较好地估测水稻氮含量和氮积累量，且受LAI和VC影响较小。独立试验数据检验结果表明，以SR(R 553, R 537)和SR2(R770, R752)为变量建立的水稻氮含量和氮积累量监测模型可用于开放式水稻冠层氮素营养的估测。另外，为消除土壤背景影响，本研究还研究了基于叶片的水稻叶层氮素营养监测方法。发现水稻冠层顶二叶(L2)和顶三叶(L3)的平均光谱(L23)是估测叶层氮含量的适宜叶位组合。其中绿光、红边窄波段比值指数SR(R780, R580)与叶层全氮含量的决定系数为0.89。从而在叶片水平, 确立了适于叶层全氮含量估测的基于绿光、红边与近红外波段的比值组合。研究结果为开放式水稻冠层的氮素营养监测提供了技术途径。. 项目总体按计划进行，确立了不同氮素营养类型品种和不同氮素水平组合条件下水稻冠层、不同叶位叶片的反射光谱时空变化模式、氮素相关指标积累和转运的动态规律；研明了反射光谱、氮素营养在不同叶位叶片间的分布规律及其与开放式水稻冠层氮素营养参数之间的动态关系；构建基于叶片光谱的开放式水稻冠层氮素营养监测模型。研究明确了不同栽培条件下水稻冠层光谱反射率、氮素营养指标、植被覆盖度、冠层结构参数的时空变化模式；在考虑水土背景影响的基础上，提取了对水稻氮素营养参数敏感、而对冠层结构钝感的关键光谱参数；进而构建了开放式水稻冠层氮素营养的光谱监测模型。发表核心期刊论文16篇，其中SCI/EI论文5篇；培养博士2名，硕士2名，获得国家发明专利2项；鉴定成果1项。