【毕业学位论文】（Word原稿）玉米营养光谱诊断技术研究植物营养学博士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 玉米营养光谱诊断技术研究 N .) N .) I 摘 要 高效的植物营养诊断方法是植物营养工作者一直研究的热点课题之一。高光谱技术的发展为从遥感数据中提取生物物理参数和生物化学参数成为可能，利用反射光谱数据可以估计叶片内生化成分的浓度或含量。本研究将高光谱技术与植物营养诊断相结合，目的为寻求一种高效的植物营养诊断方法。 其意义在于： 是传统植物营养诊断方法的技术创新； 实现作物养分的快速精准管理 ； 促进高光谱技术在植物营养领域的应用，符合现代农业发展的要求 。 本 研究 以玉米为试验材料，通过盆栽试验和池栽试验，利用高光谱技术获取了玉米不同生育时期的第 6 片完全展开叶和第 12 片完全展开叶（ 果穗叶 ） 的光谱反射率， 通过对不同处理的叶片光谱反射率的波段间差异性分析，对原始光谱反射率与营养元素的相关性分析，得出氮磷钾营养的光谱敏感时期和敏感波段；通过波段宽度变化试验，分析不同波段宽度的光谱参量对营养诊断精度的影响，得出营养诊断的适宜波段宽度；通过对不同变换形式的光谱数据与营养元素的相关性分析，得出不同形式的光谱数据能 显著改变同营养元素的相关关系；通过筛选不同的光谱特征参量，建立了玉米氮素营养诊断的光谱模型。其主要结论如下： 1. 玉米氮素营养在各个生育时期的光谱响应较为 强烈 。拔节期和大喇叭口期 由氮引起的 第 6片完全展开叶光谱反射率的敏感波段主要在可见光波段，且 在该波段叶片光谱反射率与氮含量 呈现负的相关关系；开花吐丝期和灌浆期 由氮引起的 果穗叶光谱反射率的敏感波段主要在近红外波段，且 在该波段叶片光谱反射率与氮含量 呈现正的相关关系。玉米磷素营养在大喇叭口期的光谱响应较为 强烈 。大喇叭口期 由磷处理引起的 第 6 片完全展开叶光谱反射率的 敏感波段在可见光区域的 350 731段和近红外区域的 1415 1800段，在这两个波段均呈现负的相关关系。玉米钾素营养在大喇叭口期的光谱响应较为 强烈 。大喇叭口期 由钾处理引起的 第 6 片完 全展开叶光谱反射率的敏感波段在近红外波段的 730 932961 11171156 1326 16111739这些波段均表现正的相关关系。 2. 在叶片光谱反射率与营养元素的显著相关波段范围内，选择 100段宽度的光谱参量不会降低估测营养元素含量的精度。 3. 同原始光谱反射率 量的相关性相比，光谱数据的微分变换（ D(R)、 D()和 D(N(R)）使得光谱值与营养元素的相关关系沿波长方向呈现戏剧性变化，相关性在波段间不连续、不稳定。归一化变换 （ N(R) 与 (R)） 在某些光谱波段上能显著增强或减弱光谱值与营养元素之间的相关性，这种改变在不同生育期和不同叶片上也不一致。对数变换对光谱值与营养元素的相关性与变换前相比几乎无影响（ R 与 )， N(R) 与 (R)）。 4. 红边斜率（ 拔节期、大喇叭口期和开花吐丝期与叶片氮含量的相关关系均达到 了极显著水平。绿峰最大反射率（ 拔节期、大喇叭口期、开花吐丝期和灌浆期与叶片氮含量的相关关系均达到显著水平。 R(第 6 片展开叶和果穗叶的氮含量在拔节期和大喇叭口期表现为正相关关系，在开花吐丝期和灌浆期表现为负相关关系，除灌浆期第 6 片展开叶外均达到显著或极显著水平，且在生育前期第 6 片展开叶上相关性强于果穗叶，在生育后期果穗叶上的相关性强于第 6 片展开叶。基于连续统去除法所得参数中，波段深度（ 叶片氮含量在拔节期、大喇叭口期、开花吐丝期和灌浆 期均达到显著或极显著相关水平；吸收峰左 端面积（ 吸收峰整体面积（ A）与叶片氮含量在第 6 片完全展开叶上表现出显著的相关关系，但在生育前期为正相关，在生育后期为负相关，在果穗叶上的相关性与第 6 片完全展开叶相似，但未达到显著水平。光谱吸收指数（ 叶片氮含量的相关关系变化同光谱参量 极为相似。基于光谱特征参量与叶片氮含量的相关关系随生育期发生有规律的变化，说明采用这些变量对叶片氮含量进行估算是可行的。 5. 确立了在玉米生育前期以第 6 片完全展开叶为氮素营养诊断对象，在生育后期以第 12 片完全展开 叶为氮素营养诊断对象。 根据光谱参量 玉米生育前期和后期与不同叶片 营养元素 的相关性， 建立了以 光谱特征参量，随玉米生育期变化的二次多项式为氮素营养诊断模型。 本研究使高光谱技术和理论在植物营养学领域得到进一步的发展，为更有效的利用高光谱技术进行植物营养诊断提供了新思路，为开发低成本、高精度的便携式植物营养光谱诊断仪提供了理论支持。 关键词 ：玉米，氮磷钾营养，光谱响应，光谱参量，诊断模型 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 录 第一章 绪论 . 1 言 . 1 物营养的常规诊断方法 . 1 观诊断 . 1 学诊断 . 2 于叶绿素计的氮素营养诊断 . 2 物营养的光谱诊断方法 . 3 光谱遥感技术 . 3 物的光谱特征 . 4 物营养的光谱诊断基本原理 . 7 物光谱信息提取和处理方法 . 8 物氮素营养的光谱诊断及其研究进展 . 9 物磷素营养的光谱诊断及其研究进展 . 12 物钾素营养的光谱诊断及其研究进展 . 13 物其他营养元素的光谱诊断及其研究进展 . 14 在的主要问题 . 14 题来源 . 16 究目的和意义 . 16 究依据 . 17 究内容 . 18 术路线 . 18 第二章 材料与方法 . 20 验材料 . 20 验设计 . 20 据获取 . 21 谱数据的获取 . 21 学数据的获取 . 23 据分析 . 23 第三章 春玉米叶片营养元素及生化成分含量分析 . 24 同氮处理春玉米叶片营养元素及生化成分含量分析 . 24 同氮处理春玉米叶片氮素和叶绿素含量分析 . 24 同氮处理春玉米叶片内生化成分含量分析 . 26 同磷处理春玉米叶片营养元素含量分析 . 28 同钾处理春玉米叶片营养元素含量分析 . 29 论 . 30 章小结 . 31 第四章 不同氮磷钾处理的春玉米叶片光谱特征曲线及差异性分析 . 32 言 . 32 同氮处理的春玉米叶片光谱响应 . 32 同氮处理的春玉米叶片光谱反射率曲线 . 32 同氮处理的春玉米叶片光谱特征差异性分析 . 34 同氮处理的春玉米叶片光谱红边特征分析 . 35 同磷处理的春玉米叶片光谱响应 . 38 同磷处理的春玉米叶片光谱反射率曲线 . 38 同磷处理的春玉米叶片光谱特征差异性分析 . 39 同 磷处理的春玉米叶片光谱红边特征分析 . 40 同钾处理的春玉米叶片光谱响应 . 41 同钾处理的春玉米叶片光谱反射率曲线 . 41 同钾处理的春玉米叶片光谱特征差异性分析 . 42 同钾处理的春玉米叶片光谱红边特征分析 . 43 论 . 43 章小结 . 45 第五章 不同波段宽度的光谱数据与营养元素含量相关性分析及营养诊断. 46 言 . 46 同氮处理春玉米叶片光谱波段宽度变化试验 . 46 同氮处理不同生育期春玉米叶片光谱反射率与叶片氮含量相关分析 . 46 段宽度变化方法 . 48 归模型的建立 . 49 同磷处理春玉米叶片光谱波段宽度变化试验 . 54 同磷处理不同生育期春玉米叶片光谱反射率与叶片磷含量相关分析 . 54 段宽度变化方法 . 56 归模型的建立 . 56 同钾处理春玉米叶片光谱波段宽度变化试验 . 58 同钾处理不同生育期春玉米叶片光谱反射率与叶片钾含量相关分析 . 58 段宽度变化方法 . 59 归模型的建立 . 60 论 . 62 章小结 . 63 第六章 不同变换形式的光谱数据与营养元素含量相关性分析及营养诊断. 64 言 . 64 谱数据的转换方法 . 64 素处理的结果与分析 . 65 同生育时期叶片光谱转换值与氮素的相关性分析 . 65 同形式的光谱变量对氮素营养诊断的精度分析 . 68 素处理的结果与分析 . 71 同生育时期叶片光谱转换值与磷素的相关性分析 . 71 同形式的光谱变量对磷素营养诊断的精度分析 . 75 素处理的结果 与分析 . 76 同生育时期叶片光谱转换值与钾素的相关性分析 . 76 同形式的光谱变量对钾素营养诊断的精度分析 . 80 论