便携式作物氮素监测仪性能水稻田间测试

2 0 1 0年 9月 农 业 机 械 学 报 第 41卷 第 9期 DOI: 10. 3969 / .j issn. 1000-1298. 2010. 09. 016 便携式作物氮素监测仪性能水稻田间测试* 刘海俊 孙传范 曹卫星 焦学磊 习志仁 徐志刚 (南京农业大学江苏省信息农业高技术研究重点实验室, 南京 210095) =摘要> 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了 2个品种和 4个施氮水平的水稻田间试验, 采用自行研制的便携式作物氮素监测仪获取各关 键生育期的水稻冠层反射光谱信息,并实施田间协同取样和实验室氮素含量测定。通过 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 水稻叶片氮含量与冠 层光谱反射率及植被指数之间的相关性和定量关系, 测试并评价便携式作物氮素监测仪的工作性能。结果表明, 便携式作物氮素监测仪具有优异的氮素监测效果和优良的田间工作性能, 在其所具备的 4个特征波段中, 660、710 和 810 nm单一波长的光谱反射率与叶片氮含量的相关性均大于 015,并全部通过 0101水平的极显著检验; 在各生 育期中, 所有双波段光谱植被指数与叶片氮含量的拟合系数均大于 01 7, 并以开花期和成熟期的拟合系数 (大于 01 83)为最高; 对全生育期的整体分析表明,归一化光谱指数 NDV I( 810, 710)和 NDV I( 710, 546)与叶片氮素含量的 决定系数分别达到了 01804和 01759。 关键词: 水稻 氮素含量 监测仪 性能分析 田间试验 中图分类号: S237 文献标识码: A 文章编号: 1000-1298( 2010) 09-0080-05 收稿日期: 2009-11-10 修回日期: 2009-12-31 * 国家自然科学基金资助项目 ( 30871448)、/十一五 0国家科技支撑 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 资助项目 ( 2008BADA4B02)、教育部新世纪优秀人才支持计划资 助项目 (NCET-08-0797)、江苏省创新学者攀登计划资助项目 ( BK20081479)和江苏省自然科学基金资助项目 ( BK2008330) 作者简介: 刘海俊,硕士生,主要从事信息农学研究, E-m ai:l 2007101089@ n jau. edu. cn 通讯作者: 徐志刚,教授,博士,主要从事农业信息工程研究, E-m ai:l xu zh igang@ n jau. edu. cn Evaluation of Portable Crop N itrogenM onitoring Instrum ent Based on R ice Field Experim ent LiuHa ijun Sun Chuanfan CaoW eix ing Jiao Xuelei X i Zhiren Xu Zhigang ( J iangsu K ey Laboratory for Inform ation Agricu lture, N anjing Agr icultural University, N anjing 210095, China) Abstract By using se l-f deve loped portab le instrument for crop n itrogen mon itoring, the information of rice canopy reflectance spectra w as ob tained from the field experiments w ith tw o rice varieties and four n itrogen application rates, and the rice p lantw as sampled from each plot form easurement of leaf n itrogen concentration ( LNC ) simu ltaneously. The co rre lations and the quantitative re lationships betw een LNC and rice canopy reflectance spectra w ere analyzed, and the perfo rmance of portable nitrogen mon itoring instrum ent w as eva luated. R esults show that its ab ility in monitoring n itrogen is excellen,t and its performance is steady in fie ld cond ition. Testing the corre lations betw een LNC and canopy reflectance spectrum o f four characterist ic bands inc luded in the instrum en,t the corre lations in the mono-band o f 660 nm, 710 nm and 810 nm are a llmore than 015 w ith a sign if icance testing ( p< 0101) . During the all grow th stages, the coeffic ients of determ inationR 2 between LNC and spectral vegetation index ( V I) w ith doub le-bands aremore than 017, especially in the flow ering and mature stages ( R2 > 0183 ). In the w ho le grow th per iod, the V I are sign if icantly correlated w ith LNC, such as NDV I ( 810, 710) and NDV I( 710, 546) , the determ inat ion of coe ff ic ients R 2 are 01804 and 01759. Key words R ice, N itrogen concentration, M on ito ring instrumen,t Performance analysis, F ie ld experim ent 引言 作物氮素含量是评价作物长势、产量和品质的 重要指标。目前,我国作物氮素或其他生长信息的 监测多依赖于国外进口光谱仪,主要应用于科研领 域。进口光谱仪应用于田间农业生产中存在价格 高、性能冗余等问题, 且受知识产权制约而难以二次 开发。 快捷、实时、准确的作物氮素营养监测与诊断是 作物氮肥科学管理的必要手段。有关作物氮素营养 状况与冠层光谱信息的定量关系研究, 在水稻、小 麦、大豆、油菜等作物上已有报道 [ 1~ 4 ] , 为作物氮素 营养无损监测设备的研发提供了理论支撑。植物冠 层反射光谱负载了作物氮素信息, 通过冠层反射光 谱的监测分析能够反演作物氮素信息, 这是作物氮 素无损监测仪的工作机理。近年来, 以田间实际生 产应用为目标,相关仪器设备的研发得到了国内研 究者的关注和重视 [ 5~ 7]。 本文采用自行研制的便携式作物氮素监测仪, 通过大田小区栽培试验, 监测并获取水稻各生育期 的冠层光谱反射率和叶片氮含量, 研究水稻叶片氮 含量与冠层光谱反射率之间的相关性以及与光谱指 数之间的定量关系, 以此测验并评价便携式作物氮 素监测仪在田间生产实际中的性能。 1 材料与方法 111 试验设计 试验于 2008年在南京市农林局江宁试验站 (东 经 118b59c, 北纬 31b56c)进行, 供试品种为武香粳 14和 27 123。土壤为黄白土, 有机质含量为 1161% , 全氮含量 1136 g /kg,速效磷含量为 10136mg /kg,速 效钾含量为 8211mg /kg。氮肥肥料种类为尿素 ( N 含量为 4612% )。两水稻品种均设 4个氮素水平, 分别为 0、130、260和 390 kg /hm2纯氮。随机区组设 计, 3次重复, 共 24个小区, 小区面积为 29125m2。 施肥 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 为基肥、糵肥、促花肥、保花肥所需肥料的 质量比为 4B1B215B215,另外配施 P2O5 135 kg /hm2, K 2O 190 kg /hm 2 , 均作基肥一次性施入。移栽株、行 距为 15 cm @ 25 cm,每穴 2株。其他管理同常规高 产田。 112 数据获取与处理方法 11211 冠层光谱反射率 采用江苏省信息农业高技术研究重点实验室自 主开发的便携式作物氮素监测仪, 于水稻的 N - n 期、拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期、成熟期等 6个 关键生育期采集冠层光谱反射率, 仪器设有 546、 660、710、810 nm 4个波段,带宽均为 10 nm。田间测 量选择在晴朗无云或少云的天气进行,测量时间为 10: 00~ 14: 00 (太阳高度角大于 35b)。测量时, 便 携式氮素监测仪的探头距冠层顶部垂直高度110m, 每个小区重复测量 6次。每次采集前后均对监测仪 实施参考板校正。 11212 叶片氮含量 与冠层光谱测定同步, 每小区取 2穴植株带回 实验室。将叶片从植株上分离后在 105e 下杀青 30m in, 80e 干燥至恒质量, 称叶片干质量, 粉碎后 用半微量凯氏定氮法测定叶片氮含量。 113 数据处理方法 对每个小区的冠层光谱反射率进行归一化处 理, 以消减环境因素对田间光谱测量的影响,归一化 处理的公式为 y= x- Em in Emax - Emin 式中 x ) ) ) 每个小区所测 6次原始的冠层反射率 算术平均值 Emax、Em in ) ) ) 每个小区所测 6个光谱测量值 的最大值、最小值 对所测得水稻冠层 4个波段的光谱反射率数据 实施两两组合, 分别计算比值植被指数 [ 8] ( ratio vegetation index, 简称 RV I)、归一化植被指数 [ 9] ( norma lized d ifference vegetation index, 简称 NDV I) 和差值植被指数 [ 10 ] ( d ifferent ial vegetation index, 简 称 DV I), 总计得到 18个植被指数数据, 各植被指数 的计算方法如表 1。采用 SPSS 1710统计分析软件, 对计算的水稻各生育期植被指数和叶片氮含量实测 值之间的关系进行回归分析。 表 1 常见光谱植被指数计算公式 Tab. 1 Form u las of vege tation index 名称 计算公式 比值植被指数 (RV I) RV I= QNIRQRED 归一化植被指数 (NDV I) N DV I= R V I - 1 RV I+ 1 差值植被指数 (DV I) DVI= QNIR - QRED 注: Q表示光谱反射率。 2 结果与分析 211 水稻叶片氮含量随施氮量的变化特征 叶片氮含量是表征水稻氮素状况的主要指标之 一。如表 2所示,在各生育期, 2个水稻品种的叶片 氮含量均随施氮量的增加而提高, 不同处理间的差 异随生育进程而表现不同; 在拔节期, 2个水稻品种 的叶片氮含量在 0、130和 260 kg /hm2这 3个施氮水 81第 9期 刘海俊 等: 便携式作物氮素监测仪性能水稻田间测试 平间均有显著差异, 但在 260和 390 kg /hm2这 2个 施氮水平间差异不显著,说明在高氮条件下,作物表 现出一定的氮饱和。在开花期和灌浆期, 2个水稻 品种的叶片氮含量在 4个施氮水平间都表现出显著 的差异,这与作物强烈的氮肥需求有关。在孕穗期, 2个水稻品种叶片氮含量的变化规律不明显, 在 0 和 130 kg /hm2 2个施氮水平间差异不显著, 在 130 和 260 kg /hm2 2个施氮水平间差异显著, 这可能是 由于不同品种后期的氮素转运速率不同所造成的。 表 2 不同施氮量下水稻叶片氮素含量的动态变化 Tab. 2 Dynam ic changes of leaf n itrogen con ten t under d ifferent n itrogen levels 品种 施氮水平 /kg# hm- 2 叶片氮素含量 /% 拔节期 孕穗期 开花期 灌浆期 0 2155e 2126cd 2106d 2109d 武香粳 14 130 3102cd 2149c 2127c 2143c 260 3111abc 2193ab 2155b 2161b 390 3137a 3114a 2183a 2177a 0 2167de 2128d 2110d 2111d 27123 130 3106bcd 2144cd 2129c 2148c 260 3119ab 2187b 2159b 2167b 390 3140a 3107a 2184a 2177a 注:不同字母表示试验处理间 5%水平的显著差异。 总体来看, 在 0~ 390 kg /hm2的施氮水平内,叶 片氮含量变幅为 15% ~ 25%。叶片氮含量总的趋 势表现为:在拔节期, 27123品种高于武香粳 14;在 孕穗期,武香粳 14高于 27123;在开花期和灌浆期, 27123高于武香粳 14。由于孕穗期是氮素转运的关 键时期,孕穗期之前,作物强烈吸收土壤的氮肥,叶 片氮含量开始增加, 孕穗期之后氮素开始向籽粒内 部转运,叶片氮含量开始下降。上述趋势表明武香 粳 14品种的氮素累积和转运能力都较强。在同一 生育期和相同施氮量下, 叶片氮含量在 2个品种之 间无显著差异。另外, 两个品种叶片氮含量都在拔 节期达到最大,之后下降直至成熟。 212 单波段冠层光谱反射率与叶片氮含量的相关 分析 各单波段冠层光谱反射率与水稻叶片氮含量 之间的相关系数如表 3所示。 4个波长的光谱反 射率与叶片氮含量的相关性在不同生育期差别较 大, 这是由不同生育期植株的冠层结构和生化组 分发生剧烈变化引起的。从拔节期到孕穗期, 植 株生长旺盛, 冠层覆盖度急剧增加,并在孕穗至开 花期维持较高水平;从灌浆期开始,随着籽粒灌浆 进程的推进, 碳水化合物及氮素开始向籽粒转移 并积累, 绿叶减少, 枯黄叶增加, 叶片氮含量也随 之下降。 表 3 水稻叶片氮素含量与单波段冠层光谱反射率 的相关系数 Tab. 3 Corre lation s betw een leaf n itrogen con tent and m ono-band spectra ref lec tance 波长 /nm 拔节期 孕穗期 开花期 灌浆期 全生育期 546 0173* * 0175* * 0185* 0137 0136* * 660 0115 0160* * 0173 - 0157* * - 0172* * 710 0128 0149* 0179 - 0158* * - 0182* * 810 0185* * 0189* * 0194* * 0166* * 0151* * 注: * 代表 5%的显著水平, * * 代表 1%的显著水平。 在拔节期、孕穗期和开花期这 3个阶段, 546 nm 和 810 nm 的光谱反射率与叶片氮含量均表现出 1%水平上的显著相关; 对于灌浆期, 660、710和 810 nm波段表现出较好的相关性并通过 1%水平的 显著检验 (表 3)。在水稻拔节期, 660 nm和 710 nm 波段的光谱反射率与叶片氮含量的相关系数较低, 且没有通过 1%的显著性检验, 这可能是因为拔节 前稻株未封行,稻田水面对水稻冠层特征光谱反射 率具有较大干扰。在所有 4个生育期中, 810 nm波 段的光谱反射率与叶片氮含量达到 1%水平的显著 相关 (表 3)。从拔节期到灌浆期, 810 nm波段的反 射率与叶片氮含量的相关系数先逐步增高, 至开花 期达到最高, 随后开始下降, 这是由于 810 nm波段 对作物冠层的覆盖度很敏感, 开花期作物叶面积达 到最高,从而导致此波段的反射率与叶片氮含量之 间的相关系数也达到最大值。至灌浆期,随着氮素 向籽粒转移,黄叶增加, 810 nm的反射率降低, 相关 系数随之下降。 对于全生育期数据的综合分析表明, 546 nm和 810 nm波段的反射率与叶片氮素含量的相关系数 为正值,在 660 nm和 710 nm处的相关系数为负值, 这与已有的文献报道 [ 11~ 12]不一致, 其原因有待深入 探讨。在 4个波段中,除了 546 nm以外, 其他 3个 波段与叶片氮含量的相关性都在 015以上, 在 710 nm处高达 0182,且 4个波段都通过 0101水平的 显著性检验,这显示了本仪器良好的田间氮素监测 能力。 213 冠层反射光谱指数与叶片氮含量的定量关系 21311 不同生育期 由于冠层反射光谱反映的是植被群体的光谱信 息, 是包括叶片、茎秆、穗及土壤等背景光谱信息的 综合体,单一波段的光谱信息极易受到叶面积、生物 量和背景等的干扰,还易受传感器姿态和大气吸收 82 农 业 机 械 学 报 2 0 1 0年 等因素的干扰,而通过两波段组合的光谱指数,能够 在一定程度上消减背景噪声的干扰, 提高监测精度。 对于便携式氮素无损监测仪所采集到的水稻各生育 期的冠层光谱反射率数据,依据表 1的方法进行计 算,构建了不同的光谱指数,并对冠层反射光谱指数 与叶片氮含量进行了回归分析。为了尽可能展现不 同生育期内便携式作物氮素监测仪对叶片氮含量的 预测能力,选择了直线、对数曲线、二次曲线、三次曲 线、复合函数曲线、幂函数曲线和指数函数曲线 7种 回归方程,并对回归方程进行方差检验,以便选取最 显著的回归方程。每个生育期选取 2个决定系数最 高的回归方程予以分析,如表 4所示。 表 4 水稻不同生育期叶片氮含量 y与不同光谱指数 x之间的定量关系 Tab. 4 Quantitative re lation sh ips be tween leaf n itrogen conten ty and vegetation index x in d ifferen t stage s of r ice 生育期 光谱植被指数 回归方程 决定系数 R2 预测标准误差 N- n期 DV I( 810, 546) y = 24190x 2 - 81903x + 21971 01714 01193 DV I( 810, 710) y= 11284 e11968x 01707 01161 拔节期 RV I( 810, 710) y= 01912 e 01236x 01838 01189 DV I( 810, 660) y = 31680x01649 01811 01165 孕穗期 DV I( 810, 710) y = 31734x + 01694 01778 01188 DV I( 810, 660) y= 11137 e11509x 01778 01143 开花期 DV I( 810, 710) y = - 10147x 2 + 15192x - 31364 01837 01203 DV I( 810, 660) y = - 10144x2 + 16156x - 31871 01860 01211 灌浆期 NDVI( 710, 546 ) y= 01877 e 41812x 01626 01154 NDVI( 810, 710 ) y = 41330x11742 01580 01166 成熟期 DV I( 810, 710) y = - 13314x 2 + 76152x - 91947 01898 01147 NDVI( 810, 660 ) y = - 74166x2 + 80192x - 20189 01854 01181 由表 4分析可知,在 N - n期、拔节期、孕穗期、 开花期、灌浆期、成熟期这 6个生育期中, 除了灌浆 期光谱指数与叶片氮含量的拟合系数在 016左右以 外,其他 5个生育期的拟合系数都在 017以上, 特别 是开花期和成熟期的拟合系数达到 0183以上。综 合分析水稻各生育期的光谱指数与叶片氮含量的各 类回归方程,指数方程与二次方程表现尤显突出,均 通过 1%水平的显著性检验。 810 nm和 710 nm波 段所组成的各种光谱指数决定系数较高, 显示了这 2个波段组合的优越性, 其中 DV I( 810, 710)的表现 最佳。 21312 全生育期 水稻全生育期光谱指数与叶片氮含量的综合分 析表明归一化光谱指数的预测性最好 (图 1)。归一 化光谱指数 NDV I( 810, 710)和 NDV I( 710, 546)与 叶片氮含量的决定系数分别达到了 01804和 01759,而且全部是指数回归方程, 表明 810 nm和 710 nm这 2个波段所构建的归一化指数与叶片氮 含量之间具有优异的拟合效果, 也展示出作物氮素 监测仪优良的氮素监测性能。 图 1 水稻叶片氮含量与光谱指数 NDV I( 810, 710)和 NDVI( 710, 546)的关系 F ig. 1 Relationship betw een LNC and NDV I( 810, 710) and NDV I( 710, 546) 83第 9期 刘海俊 等: 便携式作物氮素监测仪性能水稻田间测试 3 结论 采用自主研制的便携式作物氮素监测仪开展水 稻田间试验与测试, 通过研究水稻冠层光谱反射率 及其光谱指数与叶片氮含量之间的相关性及其定量 关系, 评价了便携式作物氮素监测仪在水稻田间的 实际应用性能,结果表明: ( 1) 该仪器所获取的 810 nm波段的冠层光谱 反射率在拔节、孕穗、开花、灌浆期以及整个生育期 都表现出与叶片氮含量具有 1%水平上的显著相关 性,相关系数均值在 0170左右。 ( 2) 在该仪器的 4个波段中, 除了 546 nm以 外, 其他 3个波段与叶片氮含量的相关性都在 015 以上, 在 710 nm 处高达 0182, 且 4个波段都通过 0101水平的显著性检验,显示本仪器具有良好的田 间工作性能。 ( 3) 仪器对水稻各生育期叶片氮含量的监测性 能优良,拟合系数都在 017以上,特别是开花期和成 熟期拟合系数达到 0183以上, 均通过 1%水平的显 著性检验。 ( 4) 仪器对水稻全生育期叶片氮含量的整体监 测展现出优良性能, NDV I( 810, 710)和 NDV I( 710, 546)与叶片氮含量的决定系数分别达到了 01804和 01759,且均为指数回归方程,具有较好的拟合效果。 参 考 文 献 1 乔欣,马旭, 张小超,等. 大豆叶绿素和钾素信息的冠层光谱响应 [ J]. 农业机械学报, 2008, 39( 4): 108~ 111. Q iao X in, M a Xu, Zhang X iaochao, e t a.l Response o f coronary spectrum on chlorophy ll and K info rma tion of soy [ J]. T ransac tions of the Ch inese Soc iety fo rAgr icu ltura lM achinery, 2008, 39( 4): 108~ 111. ( in Chinese) 2 张晓东,毛罕平. 油菜氮素光谱定量分析中水分胁迫与光照影响及修正 [ J] . 农业机械学报, 2009, 40( 2): 164~ 168. Zhang X iaodong, M ao H anp ing. E ffect and correction of w ater stress and lighting facto r on rape n itrogen content spectra l ana ly sis[ J]. T ransactions o f the Chinese Soc iety for Agr icultura lM ach inery, 2009, 40( 2) : 164~ 168. ( in Ch inese) 3 李映雪,朱艳, 田永超,等. 小麦叶片氮含量与冠层反射光谱指数的定量关系 [ J] . 作物学报, 2006, 32( 2): 203~ 209. L iY ingxue, Zhu Yan, T ian Yongchao, et a.l Quantitative relationsh ip betw een leaf nitrogen concentration and canopy reflectance spectra[ J]. A cta Ag ronom ica S inica, 2006, 32( 2): 203~ 209. ( in Ch inese) 4 朱艳,李映雪, 周冬琴,等. 稻麦叶片氮含量与冠层反射光谱的定量关系 [ J] . 生态学报, 2006, 26( 10) : 3 463~ 3 469. Zhu Yan, L i Y ingxue, Zhou Dongq in, e t a.l Quantitative relationsh ip betw een leaf n itrogen concentra tion and canopy reflectance spectra in r ice and wheat[ J]. Acta E co log ica S in ica, 2006, 26( 10) : 3 463~ 3 469. ( in Chinese) 5 王秀,赵春江, 周汉昌,等. 冬小麦生长便携式 NDVI测量仪的研制与试验 [ J] . 农业工程学报, 2004, 20( 4): 95~ 98. W ang X iu, Zhao Chun jiang, Zhou H anchang, et a .l Developm ent and exper im ent o f po rtab le NDV I instrum en t for estima ting grow th condition o fw inter wheat[ J]. T ransac tions of the Ch inese Soc iety of Agr icultural Eng inee ring, 2004, 20( 4): 95~ 98. ( in Ch inese) 6 徐志刚,朱艳, 焦学磊,等. 作物氮素营养无损监测仪的光学系统设计 [ J] . 农业机械学报, 2008, 39( 3): 120~ 122. Xu Zh igang, Zhu Yan, JiaoXuele,i e t a.l Design of op tic system for crop n itrog en non-destructive mon ito ring instrum ent[ J]. T ransac tions of the Ch inese Soc iety fo rAgr icu ltura lM achinery, 2008, 39( 3): 120~ 122. ( in Chinese) 7 徐志刚. 基于冠层反射光谱的便携式作物氮素无损监测光谱仪研制 [ D ] . 南京: 南京农业大学, 2008. 8 Pearson R L, M iller D L. Remo tem apping o f stand ing crop b iomass fo r estim ation o f the productiv ity o f the shortgras, pra ir ie [ C ]M Proceed ing s of the E ighth Interna tiona l Symposium on Rem ote Sensing of Env ironm ent. Ann A rbor, M ich igan: 1972, 2: 1 357~ 1 381. ( in Ch inese) 9 Rouse JW, H aas R H, Sche ll J A. M on ito ring the verna l advancem ent of retrogradation of natura l v ege tation[ R ]. F ina l Report, NASA /GSFC, TypeÓ , G reenbe lt, MD, USA, 1974: 371. 10 R ichardson A J, W iegand C L. D istingu ish ing vege tation from so il background inform ation[ J]. Photogramm e tric Eng ineer ing and Rem ote Sensing, 1977, 43( 12): 1 541~ 1 552. 11 王延颐, 陈玉泉. 水稻长势、产量结构与水稻光谱参数的关系 [ C ]M环境监测与作物估产的遥感研究论文集. 北京: 北京大学出版社, 1991. 12 周启发, 王人潮. 水稻氮素营养水平与光谱特征的关系 [ J]. 浙江农业大学学报 , 1993, 19(增刊 ): 40~ 46. 84 农 业 机 械 学 报 2 0 1 0年