本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)植被生長信息無損監(jiān)測領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于葉綠素?zé)晒馓綔y的小麥氮素豐缺診斷方法及其診斷模型的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

氮素是小麥生長及影響產(chǎn)量和品質(zhì)的最主要必需營養(yǎng)元素之一。隨著生長期施氮量的增加，小麥單產(chǎn)雖有一定程度提高，但氮素利用率卻明顯降低，且加重了環(huán)境污染。而且過量施氮可能造成植株倒伏、后期貪青遲熟、加重病蟲害的發(fā)生和籽粒品質(zhì)變劣。而傳統(tǒng)的氮肥管理是建立在田間作物形態(tài)診斷和室內(nèi)測試分析基礎(chǔ)上，常規(guī)的小麥氮素營養(yǎng)診斷的生理方法主要有反射儀法和nmin法、植株硝酸鹽法、二苯胺法和葉片硝酸還原酶法等，這些方法在取樣測定和數(shù)據(jù)分析等過程中需要耗費大量的人力和物力，而且時效性差，依據(jù)其結(jié)果往往難以做出及時有效的反應(yīng)。

而快捷、無損和準(zhǔn)確的小麥植株氮素營養(yǎng)監(jiān)測與診斷技術(shù)將有助于指導(dǎo)小麥氮肥的精確施用和動態(tài)調(diào)控。近年來，無損測試技術(shù)在作物氮營養(yǎng)診斷及氮肥推薦中得到了廣泛的關(guān)注，有著廣闊的發(fā)展前景。近年來利用spad值來評價作物氮素營養(yǎng)狀況，已經(jīng)應(yīng)用于小麥、玉米、茅草等作物上，但這種評價診斷方式易受到外界環(huán)境和品種特性等的影響，其監(jiān)測精度難以盡如人意。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于熒光探測的小麥氮素豐缺診斷方法，并構(gòu)建了診斷模型，本發(fā)明方法克服了冠層光譜等被動式遙感受測試環(huán)境影響大、且難以探測冠層群體中下部生長狀況的弊端，能提高小麥作物植株氮素監(jiān)測精度。

研究表明，葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)可反映作物內(nèi)在特性，可作為主動式遙感技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測植物的健康和生長狀況；隨施氮量增加，小麥葉綠素?zé)晒鈪?shù)呈規(guī)律性變化，且與葉片氮含量和產(chǎn)量關(guān)系密切?；诖?，本發(fā)明通過測量小麥植株不同葉位葉片的熒光參數(shù)，結(jié)合小麥葉位間氮素差異生理學(xué)規(guī)律，創(chuàng)建小麥植株氮素豐缺診斷模型及方法，為小麥生產(chǎn)氮素營養(yǎng)診斷及動態(tài)管理調(diào)控提供依據(jù)。其診斷模型的構(gòu)建方法包括如下步驟：

(1)數(shù)據(jù)采集

①施肥試驗設(shè)置

按常規(guī)方法在待建模生態(tài)區(qū)設(shè)置不同施氮量處理的小麥?zhǔn)┓试囼灒?/p>

②葉片熒光參數(shù)測定

用葉綠素?zé)晒夥治鰞x測定不同施肥處理小麥植株在不同生長時期的全展開的頂部第1至4葉的葉綠素?zé)晒鈪?shù)初始熒光(fo)、最大熒光(fm)、可變熒光(fv)、psii潛在活性(fv/fo)和最大光化學(xué)速率(fv/fm)；

③植株氮含量測定

與熒光參數(shù)測量同步，測定小麥植株各生育時期的植株氮含量；

④產(chǎn)量

根據(jù)實產(chǎn)或常規(guī)測產(chǎn)方法確定對應(yīng)小麥的單位面積籽粒產(chǎn)量(kg·hm^-2)；

(2)構(gòu)建葉綠素?zé)晒庵笖?shù)

以下述公式計算不同生長時期的不同葉位的葉綠素?zé)晒庵笖?shù)(ndfij)：

ndfij＝(fi-fj)/(fi+fj)

式中，fi和fj分別代表小麥主莖頂1葉到頂4葉中第i葉位和j葉位的葉綠素?zé)晒鈪?shù)數(shù)值，i和j的值為1到4，且i<j；

(3)建立產(chǎn)量-氮反應(yīng)模型

通過對不同施氮處理條件下小麥籽粒產(chǎn)量與各生育時期地上部植株氮含量間關(guān)系的回歸比較分析，依據(jù)下述一元二次定量方程擬合出對應(yīng)的產(chǎn)量-氮反應(yīng)模型：

yield＝ax²+bx+c

其中，yield為成熟期小麥籽粒產(chǎn)量(㎏/hm²)，x為各關(guān)鍵生育時期地上部所有器官植株的氮素含量(％)，這里關(guān)鍵生育時期為用于小麥?zhǔn)┓试\斷的關(guān)鍵時期，包括返青期、拔節(jié)期、孕穗期和開花期；

(4)確立植株氮素營養(yǎng)豐缺指數(shù)

由下述公式確立對應(yīng)的小麥作物的植株氮素豐缺指數(shù)(nai)：

nai＝na/nopt

式中，na為小麥植株地上部氮濃度的實測值(％)；nopt為由步驟(3)產(chǎn)量-氮反應(yīng)模型求得的最佳氮濃度值(％)；

(5)確定葉位空間組合

利用葉片熒光參數(shù)fo、fm、fv、fv/fo和fv/fm，計算不同葉位組合模式下葉綠素?zé)晒庵笖?shù)值(ndf)，并與對應(yīng)的植株氮含量進行相關(guān)分析，確定不同生育期的與植株氮含量間關(guān)系最為顯著的葉位組合模式及對應(yīng)的葉綠素?zé)晒庵笖?shù)值；

(6)擬合回歸方程

將上步選擇確定的葉綠素?zé)晒庵笖?shù)與對應(yīng)的氮素豐缺指數(shù)進行線性回歸，擬合出對應(yīng)時期的植株氮素豐缺狀況診斷模型。

利用上述診斷模型進行小麥氮素豐缺診斷的方法，包括如下步驟：

(1)用葉綠素?zé)晒夥治鰞x測定待診斷麥田中小麥植株的全展開的頂部第1至4葉的葉綠素?zé)晒鈪?shù)初始熒光fo、最大熒光fm、可變熒光fv、psii潛在活性fv/fo和最大光化學(xué)速率fv/fm；

(2)利用上步所得葉片熒光參數(shù)，并根據(jù)前述所確定的待診斷麥田所在生態(tài)區(qū)的葉位空間組合模式，確定診斷時期所對應(yīng)的葉位空間組合模式的葉綠素?zé)晒庵笖?shù)值ndf；

(3)依據(jù)上步所得葉綠素?zé)晒庵笖?shù)值ndf，代入對應(yīng)的植株氮素豐缺狀況診斷模型，得出小麥植株氮豐缺指數(shù)，從而快速診斷小麥氮素是否虧缺。

對于黃淮生態(tài)區(qū)，在返青期和拔節(jié)期，選用葉綠素?zé)晒庵笖?shù)ndf14(fv/fo)或ndf14(fv/fm)；在孕穗期和開花期，選用葉綠素?zé)晒庵笖?shù)ndf24(fm)。

對于黃淮生態(tài)區(qū)，從返青期到拔節(jié)期的植株氮素豐缺狀況診斷模型為：

y＝-2.281×ndf14(fv/fo)+0.907，r2＝0.768，或

y＝-10.53×ndf14(fv/fm)+0.906，r2＝0.767；

式中y為氮素豐缺指數(shù)。

對于黃淮生態(tài)區(qū)，從孕穗期到開花期的植株氮素豐缺狀況診斷模型為：

y＝-1.291×ndf24(fm)+0.845，r2＝0.740；

式中y為氮素豐缺指數(shù)。

本發(fā)明積極有益的技術(shù)效果在于：

1.本發(fā)明充分利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)的“內(nèi)在性”和主動式遙感受環(huán)境因素影響較小的優(yōu)勢，克服了冠層光譜被動式遙感受測試環(huán)境影響大、且難以探測冠層群體中下部生長狀況的弊端，有利于小麥作物植株氮素監(jiān)測精度的提高。

2.該方法充分利用葉綠素?zé)晒鈪?shù)對葉位空間差異的敏感性，結(jié)合小麥葉位差的氮素營養(yǎng)學(xué)轉(zhuǎn)運規(guī)律，實現(xiàn)了小麥旺盛生長期的植株氮素豐缺診斷，顯著增強了小麥植株氮素豐缺狀態(tài)的機理性。

3.相比前人利用作物上層葉片氮含量、spad和遙感等方法估算氮營養(yǎng)指數(shù)，本發(fā)明僅需測量小麥植株主莖頂部第1、2和頂4葉的熒光參數(shù)，構(gòu)建小麥植株氮素豐缺指數(shù)診斷模型，避免了植株破壞性取樣，且不受品種、土壤和天氣等因素的影響，方法簡單快捷準(zhǔn)確，診斷成本低且普適性和應(yīng)用性較好。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于葉綠素?zé)晒鈪?shù)的小麥氮素豐缺診斷模型的構(gòu)建方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明返青期至拔節(jié)期葉綠素?zé)晒庵笖?shù)與小麥植株氮豐缺指數(shù)診斷模型的模型效果圖(包括圖2a、圖2b)。

圖3是本發(fā)明孕穗期至開花期葉綠素?zé)晒庵笖?shù)與小麥植株氮豐缺指數(shù)診斷模型的模型效果圖。

具體實施例

實施例：黃淮小麥生態(tài)區(qū)小麥氮素豐缺診斷模型的構(gòu)建，主要步驟如下：

1.數(shù)據(jù)采集

①施肥試驗設(shè)置：在黃淮小麥生態(tài)區(qū)設(shè)計2個田間試驗，涉及到不同地點、不同品質(zhì)類型和不同氮肥處理，具體如下：

試驗a：試驗點在鄭州；前茬為玉米，0～20cm土層含有機質(zhì)18.6g·kg^-1、總氮0.93g·kg^-1、速效磷66.32mg·kg^-1、速效鉀94.86mg·kg^-1。供試品種為矮抗58(蛋白質(zhì)含量13.0％～14.5％)和鄭麥366(蛋白質(zhì)含量15.0％～16.0％)。設(shè)4個施氮水平，分別施純氮(n0)0、(n1)90、(n2)180和(n3)270kg·hm^-2，其中50％作基肥，50％于拔節(jié)期追肥。所有處理均基施p2o5150kg·hm^-2和k2o90kg·hm^-2。小區(qū)隨機排列，3次重復(fù)，小區(qū)面積5.8m×7.0m＝40.6m²，基本苗1.8×10⁶株·hm^-2，行距20cm。于返青期{50％麥苗心葉(春生一葉)長出部分達到1～2cm時}、拔節(jié)期(50％植株主莖基部第1節(jié)間伸長2.0cm)、孕穗期(50％植株旗葉葉片全部伸出葉鞘)和開花期測試田間熒光參數(shù)。

試驗b：試驗點在溫縣；小麥播前田菁掩底，0～20cm土壤含有機質(zhì)19.8g·kg^-1、總氮0.99g·kg^-1、速效磷70.02mg·kg^-1、速效鉀79.99mg·kg^-1。設(shè)同樣用量的4個氮處理，50％作基肥，50％為拔節(jié)期追肥。基施p2o5150kg·hm^-2和k2o120kg·hm^-2。基本苗2.0×10⁶株·hm^-2，行距20cm。分別于返青期、拔節(jié)期、孕穗期和開花期測定小麥葉片熒光參數(shù)。

②葉片熒光參數(shù)測定

于晴朗無云或少云的上午(9:30-12:00)，用os5-fl型調(diào)制式葉綠素?zé)晒夥治鰞x(opti-sciences,美國)測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)初始熒光(fo)、最大熒光(fm)、可變熒光(fv)、psii潛在活性(fv/fo)和最大光化學(xué)速率(fv/fm)，以及熒光光化學(xué)猝滅系數(shù)(qp)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qn)、psii量子效率(φpsii)和電子傳遞速率(etr)。取每處理各小區(qū)植株完全展開的頂部第1、2、3、4葉；測定時先用夾子固定小麥葉片，使各葉位葉片受光一致，交叉測量，避免輻射對不同處理的影響，每小區(qū)每個葉位測定5～8片葉。測定暗適應(yīng)熒光參數(shù)前，將葉片充分暗適應(yīng)20min。

③植株氮含量測定

與熒光參數(shù)測量同步，每小區(qū)取20株，孕穗期取50個單莖，將植株分離為葉片(從上到下第1～4完全展開葉)和莖鞘，并自灌漿開始從穗部剝離籽粒。將各部分樣品在105℃下殺青20min，80℃烘干，然后稱重。樣品經(jīng)粉碎后，采用凱氏定氮法，測定葉片、莖鞘、穎殼和籽粒等部位的全氮含量(％)。各器官的氮素積累量(g·m^-2)＝氮含量(％)×干物質(zhì)重(g·m^-2)。植株氮含量為所有綠葉片和莖鞘氮總積累量與對應(yīng)總干物質(zhì)量的比值(％)。

④產(chǎn)量性狀調(diào)查

成熟前每小區(qū)測定1m雙行3個樣點折算出單位面積穗數(shù)，收獲后取20株室內(nèi)考種，統(tǒng)計每穗粒數(shù)、千粒重和穗粒重；每小區(qū)實收4m²，換算出單位面積籽粒產(chǎn)量(kg·hm^-2)。

2.構(gòu)建葉綠素?zé)晒庵笖?shù)

利用不同年度和品種數(shù)據(jù)相關(guān)分析，除頂部第4葉fo外，不同葉位葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)與對應(yīng)葉片氮含量相關(guān)均顯著(表1)，其中頂部第1葉和第2葉相關(guān)系數(shù)最高，頂部第4葉最差。綜合所有葉位數(shù)據(jù)分析，熒光參數(shù)間差異表現(xiàn)為fv、fm和fv/fo與葉片氮含量間相關(guān)性較好，最優(yōu)化的相關(guān)系數(shù)也僅為0.742。經(jīng)線性回歸分析，方程決定系數(shù)r²＝0.55，這說明利用單一葉片熒光參數(shù)預(yù)測葉片氮含量方程精度低，誤差大。

本例考慮將不同空間位置的葉片進行組合，以提高葉片屬性的空間性對植株氮素營養(yǎng)狀況的敏感程度。不同葉位的歸一化葉綠素?zé)晒庵笖?shù)(ndfij)的計算公式為：

ndfij＝(fi-fj)/(fi+fj)

式中，fi和fj分別代表小麥主莖頂1葉到頂4葉中第i葉位和j葉位的葉綠素?zé)晒鈪?shù)數(shù)值，i和j的值為1到4，且i<j。

表1不同葉位葉綠素?zé)晒鈪?shù)與對應(yīng)葉片氮含量間的相關(guān)系數(shù)

注：*p<0.05；**p<0.01.

3.建立產(chǎn)量-氮反應(yīng)模型

通過對不同試驗條件下小麥籽粒產(chǎn)量與地上部植株氮含量間關(guān)系的回歸比較分析，產(chǎn)量-氮反應(yīng)模式為一元二次定量方程，具體見表2。

表2不同施氮處理下小麥籽粒產(chǎn)量(y，公斤/公頃)與地上部植株氮含量(x，％)間關(guān)系

經(jīng)優(yōu)化求解，試驗a在返青、拔節(jié)、孕穗和開花期的適宜植株氮含量分別為4.89％、3.67％、2.96％和1.82％，而試驗b的適宜植株氮含量分別為4.67％、3.78％、2.75％和2.09％，適宜的植株氮含量在拔節(jié)期兩試驗間差距最小，而在開花期差異最大。

4.確立植株氮素營養(yǎng)豐缺指數(shù)

本發(fā)明建立了小麥作物植株氮素營養(yǎng)指標(biāo)，具體的植株氮素豐缺指數(shù)(nai)計算公式如下：

nai＝na/nopt

式中，na為作物地上部氮濃度的實測值(％)；nopt為產(chǎn)量-氮反應(yīng)模型求得的最佳氮濃度值(％)。

5.確定葉位空間組合優(yōu)化模式

利用試驗設(shè)置的兩品種葉片熒光參數(shù)fo、fm、fv、fv/fo和fv/fm，計算葉綠素?zé)晒庵笖?shù)(ndf)值，并與對應(yīng)植株氮含量進行相關(guān)分析(表3)。ndf值與植株氮含量的關(guān)系隨生育時期、葉位和熒光參數(shù)的不同而不同。返青期和拔節(jié)期基于fv/fo和fv/fm的頂部第1和第2葉與頂部第4葉間的差值(ndf14和ndf24)與植株氮含量間關(guān)系最為顯著，相關(guān)系數(shù)均低于-0.815(p﹤0.001)，而fo、fv和fm相關(guān)性較差，其它葉位間差異與植株氮含量間相關(guān)系數(shù)范圍為-0.582～0.034。葉綠素?zé)晒庵笖?shù)的葉位組合模式間比較，ndf14優(yōu)于ndf24。

在孕穗和開花期，基于fo、fm和fv的頂部兩張葉片與第4葉間的差值與植株氮含量也具有較好相關(guān)性，其中，基于fm和fv的相關(guān)系數(shù)分別低于-0.761(p﹤0.001)和-0.746(p﹤0.001)，孕穗期優(yōu)于開花期，而基于fv/fo和fv/fm的葉位間差值與植株氮含量關(guān)系較差。葉綠素?zé)晒庵笖?shù)的葉位組合模式間比較，在孕穗期ndf24與ndf14間差異較小，而在開花期ndf24較ndf14表現(xiàn)更好。

由于不同葉位葉片熒光參數(shù)對施氮的反應(yīng)存在空間差異，頂部第4葉與頂1葉和頂2葉的熒光差值(ndf14和ndf24)對增施氮肥反應(yīng)敏感，通過計算熒光參數(shù)的葉位差異指數(shù)，以減少不同地點和品種間差異。

表3不同葉位差異的葉綠素?zé)晒庵笖?shù)與植株氮含量間相關(guān)系數(shù)

注：*p<0.05；**p<0.01.

6.構(gòu)建植株氮豐缺診斷模型

植株氮素豐缺指數(shù)較氮素絕對含量對施肥管理的田間指導(dǎo)價值更大；本發(fā)明將植株氮含量轉(zhuǎn)換為氮素豐缺指數(shù)，分析氮素豐缺指數(shù)與葉綠素?zé)晒庵笖?shù)間定量關(guān)系(表4)；在返青期和拔節(jié)期間，基于頂部第1葉與第4葉差異的葉綠素?zé)晒庵笖?shù)(ndf14)與植株氮素豐缺指數(shù)的相關(guān)系數(shù)優(yōu)于基于頂部第2葉與第4葉差異的葉綠素?zé)晒庵笖?shù)(ndf24)；通過回歸分析，植株氮素豐缺指數(shù)與葉綠素?zé)晒庵笖?shù)間關(guān)系在返青期和拔節(jié)期間差異較小，可用統(tǒng)一回歸方程表達(圖2a，圖2b)；圖2顯示了本發(fā)明ndf14與小麥植株氮素豐缺指數(shù)診斷模型的模擬效果，其中縱坐標(biāo)表示小麥植株氮素豐缺指數(shù)，橫坐標(biāo)表示對應(yīng)的葉綠素?zé)晒庵笖?shù)ndf14。

黃淮生態(tài)區(qū)小麥從返青期到拔節(jié)期的植株氮素豐缺狀況診斷方程為：

y＝-2.281×ndf14(fv/fo)+0.907，r2＝0.768；或

y＝-10.53×ndf14(fv/fm)+0.906，r2＝0.767。

在孕穗期和開花期間，基于頂部第2葉與第4葉差異的葉綠素?zé)晒庵笖?shù)(ndf24)與植株氮素豐缺指數(shù)的相關(guān)系數(shù)優(yōu)于基于頂部第1葉與第4葉差異的葉綠素?zé)晒庵笖?shù)(ndf14)；熒光參數(shù)間比較，fm優(yōu)于fo和fv；氮素豐缺指數(shù)與葉綠素?zé)晒庵笖?shù)間定量關(guān)系在孕穗期和開花期表現(xiàn)一致，可用統(tǒng)一回歸方程表達(圖3)。

黃淮生態(tài)區(qū)小麥從孕穗期到開花期的植株氮素豐缺狀況診斷方程為：

y＝-1.291×ndf24(fm)+0.845，r²＝0.740。

這說明，ndf與nai之間關(guān)系有效減少生育時期的影響，在不同地點、品種和生育時期之間表現(xiàn)穩(wěn)定，因此，可以使用ndf14和ndf24定量估算小麥植株氮豐缺指數(shù)，從而快速診斷小麥氮素是否虧缺。

表4基于頂部2葉與第4葉差的葉綠素?zé)晒庵笖?shù)與植株氮素豐缺指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)

注：**p<0.01.

上面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作了詳細的說明，但是，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下，還可以對上述實施例中的各個具體參數(shù)進行變更，形成多個具體的實施例，均為本發(fā)明的常見變化范圍，在此不再一一詳述。