论文部分内容阅读
氮肥施用是水稻生产中比重大、对水稻增产效益最高的环节之一,但目前我国水稻生产中存在氮肥施用过量、总体利用率低的问题。氮肥施用过量不仅增加了生产成本,还对环境造成污染。因此,进行水稻氮肥精准管理研究,对水稻生产的提质增效有重要意义。水稻长势信息的快速获取、解析及配套的施肥决策模型是实现水稻氮肥精准管理的关键。无人机遥感具有运行成本低、操作灵活、对起降场地依赖低、采样的时间尺度大等特点,可弥补现有航天、航空遥感技术的缺陷,在作物长势信息快速获取中应用越来越广。但目前在水稻长势信息的遥感监测及变量施氮决策中,存在水稻氮肥吸收利用的影响因素多、不同品种水稻不同生长期长势信息差异显著等问题。针对上述问题,本课题以美香占2号水稻品种为试验对象,采用地面遥感(Greenseeker手持式光谱仪、叶绿素仪)与无人机遥感(ADC Lite多光谱相机)数据相互验证的方法,结合该品种的特性及其配套农艺、当地种植习惯等,开展了不同施氮水平下水稻地面遥感及无人机遥感信息解析研究,优选了一种标准种植比值指数(目标田块NDVI指数与标准施氮水平田块NDVI指数的比值),建立了标准种植比值法的无人机遥感水稻氮素营养诊断模型(又称水稻施氮水平诊断模型)与施氮决策模型研究,并进行了大田试验验证,开发了配套的水稻氮素营养精准管理决策支持系统。(1)开展了不同施氮水平下水稻地面遥感信息的解析研究,借鉴“3414”肥料试验方法,设计了4个不同施氮梯度的水稻种植试验,利用叶绿素仪SPAD502与Greenseeker RT 100仪器每隔大约6d采集一次数据,数据分析结果表明:水稻冠层NDVI指数与水稻叶片叶绿素含量SPAD值呈显著的相关关系,各时期的相关系数基本上都达到0.6以上,其中在分蘖期(插秧后第18天)相关系数达到0.836;NDVI指数与有效积温间回归分析模型在分蘖期(距插秧0-30d)、抽穗期-乳熟期(距插秧42-87d)的决定系数分别达0.996、0.953,表明水稻的长势与有效积温紧密相关,建立标准施氮条件下有效积温与水稻冠层NDVI指数的解析模型,有利于在水稻氮素营养诊断中,规避因地域不同造成的气候影响因子对模型的干扰。(2)针对不同生长期水稻冠层NDVI指数动态变化难以建立稳定解析模型的问题,提出了标准种植比值指数的水稻氮素营养诊断方法。该方法将当季水稻NDVI指数与标准施氮种植下的水稻NDVI指数进行比较,实现施氮水平的诊断。分别构建了标准种植差值指数DISP(Difference-value Index of Standard Planting)和标准种植比值指数RISP(Ratio Index of Standard Planting),选取变异系数和回归模型的决定系数作为评价指标对两种指数进行对比研究,结果表明:在水稻水稻整个生长期内,RISP较DISP变异系数小、决定系数高,说明RISP更加稳定;基于RISP建立了水稻施氮水平的诊断模型,该回归模型的决定系数为0.991,无需考虑土壤理化性质等影响因素即可建立起水稻施氮水平诊断模型(水稻氮素营养诊断模型)。(3)开展了无人机遥感与地面遥感的水稻氮素营养诊断对比实验,建立了基于无人机遥感的水稻变量施氮决策模型。在追肥期间分别采用固定翼无人机遥感平台(航拍高度200m)和地面遥感Greenseeker RT 100设备(距水稻冠层80 cm)采集水稻冠层NDVI数据,进行了二者相关性的分析研究,结果表明:无人机遥感NDVI指数与地面遥感NDVI指数之间的相关性极显著(在0.01显著性水平下),相关系数达0.897,说明基于地面遥感NDVI指数建立的水稻氮素营养诊断模型可通过转换直接用于无人机遥感的水稻氮素营养诊断模型。根据无人机遥感的水稻氮素营养诊断模型,建立了无人机遥感的水稻氮素营养诊断模型及其变量施氮决策模型。(4)利用所建立的遥感水稻变量施氮决策模型,分别在广东省广州市岑村农场、罗定市太平镇及南雄市黄坑镇安排了小区试验和大田试验进行验证。在小区验证试验中,设置标准施氮处理与遥感模型施氮处理的对比试验,试验结果表明:遥感模型施氮处理与标准施氮处理的水稻NDVI指数基本保持一致。在大田验证试验中,设置了传统施氮处理与遥感模型施氮处理的对比试验,试验结果表明:遥感模型施氮处理较传统施氮处理减少30-40%左右施氮量的情况下(前茬作物为黄烟或马铃薯),遥感模型施氮处理产量略高于传统施氮处理,遥感模型施氮处理产量表现更加均衡。说明利用遥感水稻变量施氮决策模型进行水稻氮肥精准管理,能在保证产量的同时,减少氮肥滥用,减少了氮肥投入成本,具有较好的应用效果。(5)设计了水稻氮素营养精准管理决策支持系统。该系统采用PHP语言编写,选用Mapbox作为GIS服务引擎,MySQL作为数据库管理系统,具有种植区信息管理、遥感图像上传管理、遥感图像解析处理、施肥模型录入与管理、施肥处方图的呈现等功能,规范了无人机遥感数据解析及变量施氮决策的操作流程,为水稻变量氮肥管理提供支撑平台,更好地为有需求的用户提供服务。