變量施肥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，國內(nèi)外對變量施肥研究比較多，應(yīng)用的變量施肥算法也比較多。Koch等通過測得玉米田硝態(tài)氮和有機(jī)質(zhì)含量，并結(jié)合Mortvedt等提出的氮推薦算法進(jìn)行變量施肥，結(jié)果表明變量施氮處理比均一施氮處理取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

1材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究于2006年在國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范小湯山基地進(jìn)行。基地位于北京市昌平區(qū)小湯山鎮(zhèn)東北部，地處北緯40°10', 東經(jīng)116°26'。冬小麥品種為京冬8號(hào)，于2005年9月26-27日播種，播種量為330-345kg/hm2。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為潮土，土壤中硝態(tài)氮含量3.00-15.04mg/kg, 全氮含量0.94-0.98g/kg, 有機(jī)質(zhì)含量15.3-15.8g/kg, 有效磷含量2.20-21.18mg/kg, 速效鉀含量 106.96-132.77 mg/kg。隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為3m x 3m, 小區(qū)之間有1m隔離帶。小麥播種時(shí)不施基肥，且在整個(gè)生育期內(nèi)除施氮肥外未施其他肥料。2006年4月14日進(jìn)行變量施肥，按照算法計(jì)算出各小區(qū)施肥量，稱量裝袋，人工撒施。在小麥生長階段，田間管理除氮肥管理不同外，其它管理完全相同，2006年6月20日收獲。

體施肥算法如下 ：

處理一(CK 處理）無肥處理， 在冬小麥整個(gè)生長期內(nèi)不施肥， 共20個(gè)小區(qū)，小區(qū)編號(hào)為：CK-1、 CK-2、CK-3·…··CK-20。

處理二(T 處理）根據(jù)冬小麥拔節(jié)期土壤硝態(tài)氮含量及 目標(biāo)產(chǎn)量確定各變量施肥區(qū)的施肥量。在冬小麥拔節(jié)期測定0 30 cm土壤硝態(tài)氮含量，取兩點(diǎn)混合土壤。設(shè)定2001年基地冬小麥產(chǎn)量的 1.4倍為目標(biāo)產(chǎn)量，結(jié)合土壤硝態(tài)氮含量測定值并依據(jù)N min-Sollwert 法計(jì)算各變量施肥區(qū)的施肥量。共20個(gè)小區(qū)，小區(qū)編號(hào)為T-1、T-2、T-3……T-20 。

處理三(Y處理）以Lukina等算法為基礎(chǔ)，根據(jù)作物起身、 拔節(jié)期的土壤調(diào)節(jié)植被指(OSAVI)確定各變量施肥區(qū)的施肥量。具體思路是，根據(jù)冬小麥起身期和拔節(jié)期的土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(OSAVI)得到當(dāng)季估產(chǎn)系數(shù)，進(jìn)而得到目標(biāo)產(chǎn)量。冬小麥整個(gè)生育期需氮量由目標(biāo)產(chǎn)量確定，已吸收氮量由冬小麥拔節(jié)期的OSAVI測定值確定，最后總需氮量與已吸收氮量相減得到實(shí)際施氮量。共20個(gè)小區(qū)，小區(qū)編號(hào)為：Y-1、Y-2、Y-3……Y-20。

處理四(S處理）根據(jù)作物拔節(jié)期的倒1 和倒2葉的SPAD測定值確定各變量施肥區(qū)的施肥量。具體思路為，測得冬小麥拔節(jié)期倒一葉和倒二葉的 SPAD值并歸一化，根據(jù)歸一化值確定冬小麥目標(biāo)產(chǎn)量和已吸氮量，而總需氮量由目標(biāo)產(chǎn)量確定，最終 施氮量由總需氮量減去已吸氮量得到。共20個(gè)小區(qū)，小區(qū)編號(hào)為：S-1、S-2、S-3 S-20。

處理五(Z處理）以Lukina等算法為基礎(chǔ)，由 CERES-Wheat模型結(jié)合土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(OSAVI)測定值確定各變量施肥區(qū)的施肥量。具體思路為，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)、 土壤數(shù)據(jù)等，由CERES-Wheat作物生長模型模擬出目標(biāo)產(chǎn)量，并根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量得到總需氮量，冬小麥拔節(jié)期的OSAVI測定值確定小麥已吸收氮量，最后根據(jù)總需氮量和已吸收氮量得到施氮量 。共20個(gè)小區(qū)，小區(qū)編號(hào)為：Z-1、Z-2、Z-3··· Z-20。

處理六(W處理）均一施肥處理，該處理各小 區(qū)的施肥量為各變量施肥處理總施肥量的平均施肥 量。共20個(gè)小區(qū)，小區(qū)編號(hào)為：W-1、W-2、W-3、W-20。

各處理的具體施肥量見表1

表1 各處理具體施肥量(kg/hm2）

1.2 測定項(xiàng)目與方法

2.2.1 冬小麥冠層光譜反射率的測定

分別在冬小麥起身期、拔節(jié)期、挑旗期、抽穗期、開花期、灌漿初期、灌漿中期、成熟期測定所有處理的冠層光譜。小麥冠層光譜測量儀器可以為萊森光學(xué)iSpecField-WNIR-HRs地物光譜儀。為了減少由光照條件變化引起的誤差，所有冬小麥冠層光譜測量都在10:00-14:00之間進(jìn)行。測量 時(shí)探頭垂直向下 ，并始終保持距小麥冠層 1.3m, 探頭視場角為25°。每小區(qū)測量 20次，并且在各小區(qū)測定前后均測量標(biāo)準(zhǔn)參考板，之后根據(jù)反射率和DN值轉(zhuǎn)換公式(1)計(jì)算出目標(biāo)物的反射率值，最后取平均值作為該小區(qū)的光譜反射值。

式中：R目標(biāo)指目標(biāo)物的反射率；R參考板指所測參考板的反射率；DN目標(biāo)指目標(biāo)物的DN值；DN參考板指參考板的DN值。

1.2.2 冬小麥葉片 SPAD值的測定

分別于冬小麥起身期、拔節(jié)期、挑旗期、抽穗期、開花期、灌漿初期、灌漿中期、成熟期測定各處理小區(qū)冬小麥葉片葉綠素含量。測定時(shí)均選取無損傷的健康倒一葉和倒二葉，測定其中間部位并避開葉脈。每小區(qū)倒一葉和倒二葉各測定20次，取其平均值。

1.2.3 冬小麥產(chǎn)量的測定

2006年6月19日在各小區(qū)內(nèi)選取2 m2面積的冬小麥?zhǔn)斋@至網(wǎng)袋中，風(fēng)干后考種記錄各小區(qū)的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，最后對所有收獲的小麥進(jìn)行脫粒測產(chǎn)得到實(shí)際產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

結(jié)合本研究的需要，考慮到 350-400 nm波段有噪聲，而在1300 nm以后由于水分強(qiáng)吸收而使光譜不連續(xù)，故選取400- 1300 nm波段的反射率數(shù)據(jù)。同時(shí)為了消除光照的影響，對原始測量的光譜反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。利用Yu等提出的方法進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算公式為：

式中：R'為歸一化后反射率；R為原始測量反射率；n為波段數(shù)，本文中所用 波段為400- 1300 nm。

1.3.2 光譜參數(shù)選取

為了研究不同施肥處理對小麥生長的影響，本文中除選用被廣泛應(yīng)用和證明的植被指數(shù)外，還選用 了RTVI 指數(shù) (red-edgetriangular vegeta tion index , 紅邊三角光譜指數(shù)），該 植被指數(shù)可以解決在高植被覆蓋度下出現(xiàn)“ 飽和 “狀態(tài)的問題。表2列出了本文中用到的植被指數(shù)。

表2 光譜特征參數(shù)的定義

2結(jié)果與分析

2.1 施肥處理對各處理冬小麥冠層光譜的影響分析

2.1.1 施肥后冬小麥冠層反射率變化分析

說明施肥對冬小麥長勢的影響，對抽穗期冬小麥冠層反射率進(jìn)行分析。計(jì)算公式如下：

其中：凡為抽穗期冬小麥冠層反射率相對變化量；R為各施肥處理下抽穗期冬小麥的冠層反射率；凡為不施肥處理(CK)抽穗期冬小麥冠層反射率。

圖1 施肥后各處理冬小麥冠層相對反射率變化情況

簡單的數(shù)值比能充分表現(xiàn)出兩者之間的差異。從圖1可以看出，追施氮肥后，與CK區(qū)相比，作物冠層反射率變化表現(xiàn)為可見光波段降低而近紅外波段升高，在圖1上表現(xiàn)為可見光波段小于1而近紅外波段大于1?？梢姽獠糠窒鄬Ψ瓷渎首兓?Ra. 越小，說明冬小麥葉綠素含量越多，長勢越好，近紅外則相反?？梢姽獠ǘ畏矎牡偷礁唔樞?yàn)閆、S、Y和T,近紅外波段正好相反。由此可推斷，Z處理冬小麥長勢最好，其次為 S、Y 和T。此外，不同施肥處理在可見光波段差異明顯而近紅外波段差異較小，可見光波段較為敏感。因此同一時(shí)期各施肥處理反射率與不施肥處理反射率的比值分析可以反映出小麥相對長勢的好與差。

2.1.2 施肥前后各處理反射率變化分析

為了對比不同施肥算法促進(jìn)小麥生長的效果，本文利用不同處理區(qū)施肥前與施肥后冬小麥冠層光譜反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為了使各處理間反射率數(shù)據(jù)具有可比性并消除地力對冬小麥生長的影響，使用下述公式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算公式為：

其中：凡為各施肥處理施肥前后冠層反射率相對變化量，Ri前、Ri后分別為各施肥處理施肥前、后反射率，Rck前、Rck后分別為施肥區(qū)施肥前、后所對應(yīng)時(shí)期的CK區(qū)反射率。

圖2 各施肥處理施肥前后反射率的相對變化量

圖2顯示，各曲線均是相對于CK處理而言，可見光波段曲線越低，表明較CK反射率降低越多，即施肥前后反射率變化越大，那么小麥在此期間增長的越多；近紅外波段則相反?？梢?，按不同的變量施肥算法進(jìn)行施肥對冬小麥生長的促進(jìn)作用不同，其中按基于植被指數(shù)和作物生長模型相結(jié)合的變量施肥算法進(jìn)行施肥最有利于小麥對氮素的吸收以及生長。

2.1.3冬小麥植被指數(shù)NDVI隨主要生育期的變化

歸一化植被指數(shù)NDVI是表征作物長勢最常用的植被指數(shù)

圖3 不同施肥條件下植被指數(shù)隨主要生育期的變化情況

2.2 不同施肥處理區(qū)冬小麥產(chǎn)量對比分析

圖4反映了六種不同施肥處理下冬小麥的產(chǎn)量

圖4 不同施肥處理區(qū)冬小麥產(chǎn)量圖（產(chǎn)量從小到大排列）

表3 不同施肥處理區(qū)冬小麥產(chǎn)量顯著性分析

從圖5可以看出，不施肥處理區(qū)(CK)產(chǎn)量變異系數(shù)最大，其次為T、W、Y、Z、S。除T處理外，其他 變量施肥區(qū)的產(chǎn)量變異度均低于均一施肥區(qū)(W),說明變量施肥處理提高了小麥產(chǎn)量的均一度。在這六種施肥處理中，基于歸一化SPAD值變量施肥處 理(S)的產(chǎn)量變異系數(shù)最低，可見該處理在降低產(chǎn) 量變異度方面效果最佳。

圖5 不同施肥處理區(qū)產(chǎn)量變異情況分析

2.3 不同時(shí)期冬小麥光譜指數(shù)與追肥量相關(guān)性分析

根據(jù)冬小麥不同時(shí)期光譜指數(shù)與追肥量的相關(guān)性分析結(jié)果（表4)可以看出，除在挑旗期和成熟期 各植被指數(shù)與施肥量相關(guān)性不穩(wěn)定外，在其它時(shí)期均與施肥量達(dá)到極顯著相關(guān)，并且在冬小麥整個(gè)生育期內(nèi)它們與施肥量的相關(guān)系數(shù)變化基本一致，即先增大后降低，在開花期或灌漿初期達(dá)到最大，說明拔節(jié)肥對這兩時(shí)期的小麥生長影響最大。

表4 冬小麥不同時(shí)期光譜指數(shù)與施肥量的相關(guān)系數(shù)

2.4 冬小麥不同時(shí)期光譜指數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性分析

分別對冬小麥拔節(jié)期、挑旗期、抽穗期、開花期、灌漿初期、灌漿中期和成熟期的植被指數(shù)與小麥最終產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表5。除DVI指數(shù) 在成熟期與產(chǎn)量無相關(guān)性外，各植被指數(shù)在不同生育時(shí)期均達(dá)到極顯著相關(guān)。

表5 冬小麥不同時(shí)期光譜指數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)

另外，在這五個(gè)植被指數(shù)中，RTVI指數(shù)表現(xiàn)最好，其在不同時(shí)期（除拔節(jié)期以外）與產(chǎn)量的相關(guān)系 數(shù)都要比其它植被指數(shù)大，故用 RTVI指數(shù)預(yù)測小 麥產(chǎn)量要優(yōu)于其它植被指數(shù)。

3 討 論

本文分析中基于光譜指數(shù)和作物生長模型的變 量施肥算法要優(yōu)于其他算法，這與蔣阿寧得到的結(jié)果一致。該算法考慮了影響產(chǎn)量的多種因素，比如品種因素、氣象因素、土壤因素等，能夠更準(zhǔn)確地模擬出冬小麥目標(biāo)產(chǎn)量。因此有必要對基于光譜指數(shù)和作物生長模型的變量施肥算法在時(shí)間和空間上的穩(wěn)定性進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)利用高光譜技術(shù)有效、快速、無損傷地對冬小麥長勢進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測以及進(jìn)行不同變量施肥算法的評估。

審核編輯：符乾江