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内蒙古中西部玉米临界氮浓度稀释模型的构建与验证 被引量:5
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作者 张炜健 高宇 +4 位作者 唐彧哲 张贺景 杨海波 闫东 李斐 《植物营养与肥料学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第11期2020-2029,共10页
【目的】建立内蒙古中西部地区玉米临界氮浓度稀释曲线模型,利用相应的氮营养指数对玉米进行氮素营养诊断,并验证曲线的可靠性,以期为实现内蒙古中西部玉米合理施用氮肥提供理论依据。【方法】于2019—2021年,分别在内蒙古中部的达拉特... 【目的】建立内蒙古中西部地区玉米临界氮浓度稀释曲线模型,利用相应的氮营养指数对玉米进行氮素营养诊断,并验证曲线的可靠性,以期为实现内蒙古中西部玉米合理施用氮肥提供理论依据。【方法】于2019—2021年,分别在内蒙古中部的达拉特旗和西部的五原县、乌拉特前旗3个典型区域,以新玉12、晋单42、先玉1225、泽玉19、宏育203和晋单542以及东农258为试验材料,进行建模田间试验。6个氮肥处理包括传统氮肥(N 400 kg/hm^(2))、不施氮(对照)、推荐优化施氮(N)180 kg/hm^(2)(OPT)以及70%OPT、130%OPT、170%OPT,分别在玉米拔节期(V6)、八叶期(V8)、十叶期(V10)、大喇叭口期(V12)、吐丝期(R1)、乳熟期(R3)和蜡熟期(R5)进行植株取样,测定植株地上部生物量和植株氮浓度,利用地上部生物量和植株氮浓度构建临界氮浓度稀释模型。2021年在达拉特旗进行验证试验,设置推荐施氮示范田和传统习惯生产田,测定玉米植株地上部生物量和植株氮浓度,利用氮营养指数(NNI)对临界氮浓度稀释模型进行验证。【结果】内蒙古中西部不同品种玉米产量水平相当,为10.60~12.72 t/hm^(2)。达拉特旗、五原县、乌拉特前旗3个典型区域的临界氮浓度稀释曲线分别为Nc=3.09DM^(-0.32)、Nc=3.30DM^(-0.28)和Nc=3.58DM^(-0.35),生物量与临界氮浓度拟合的决定系数(R^(2))分别为0.98、0.82和0.88。整合3个试验地点的7个玉米品种数据,将临界氮浓度稀释曲线模型跨地点和品种进一步拟合,建立了内蒙古中西部玉米临界氮浓度稀释曲线Nc=3.32DM^(–0.305),R^(2)为0.89,且达到显著水平,模型验证的均方根误差RMSE为2.39 g/kg。根据新构建的临界氮浓度稀释曲线模型,内蒙古中西部玉米合理施氮量为N 180~220 kg/hm^(2)。【结论】在同一区域,产量水平接近的玉米品种可以共用一条临界氮浓度稀释曲线。内蒙古中西部玉米产量在10.60~12.72 t/hm^(2),构建的内蒙古中西部地区春玉米临界氮浓度稀释曲线为Nc=3.32DM^(–0.305);模型验证结果表明,该模型稳定性较好,可以有效地对内蒙古中西部玉米植株氮素营养状况进行诊断。通过模型推断,内蒙古中西部玉米合理施氮(N)量为180~220 kg/hm^(2)。 展开更多
关键词 玉米 临界氮浓度稀释曲线 氮营养指数 产量
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基于单作物系数法的温室秋季生菜蒸散量估算及验证 被引量:1
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作者 武佳乐 李银坤 +3 位作者 张钟莉莉 刘美英 刘胜尧 贾丽娟 《灌溉排水学报》 CAS CSCD 2024年第4期9-14,共6页
【目的】基于单作物系数法估算温室秋季生菜蒸散量。【方法】通过2021—2022年温室秋季生菜试验,根据各生育期影响因素修正FAO-56推荐作物系数值,即生育前期根据ET0值和灌溉频率修正,生育中期和生育后期根据气象因素和株高修正,并采用... 【目的】基于单作物系数法估算温室秋季生菜蒸散量。【方法】通过2021—2022年温室秋季生菜试验,根据各生育期影响因素修正FAO-56推荐作物系数值,即生育前期根据ET0值和灌溉频率修正,生育中期和生育后期根据气象因素和株高修正,并采用单作物系数法对温室生菜蒸散量进行估算,以称重式蒸渗仪实测蒸散量ETcm为标准值对蒸散量估算值ETcs进行验证。【结果】不同试验年度逐日ET0均呈逐渐降低变化趋势,介于1.18~2.44 mm/d。温室生菜作物系数修正值(Kc adj)和实测值(K_(c loc))均在生育前期最高,2 a均值分别为0.74±0.13和0.76±0.13;进入快速发育期后二者均呈降低趋势,并在生育中后期逐渐稳定在0.5~0.6。各生育阶段的Kc adj较FAO推荐值(Kc FAO)更接近实测值(K_(c loc)),Kc adj和K_(c loc)相对误差介于-6.7%~5.4%。应用修正单作物系数法估算温室秋季生菜ETcs与实测ETcm的日均值分别为1.310 mm/d和1.283 mm/d,决定系数(R^(2))、平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)、一致性指数(d)分别为0.975、0.176 mm/d、0.222 mm/d、0.955。【结论】修正单作物系数法能够较为准确的估算温室秋季生菜蒸散量。 展开更多
关键词 温室生菜 单作物系数 蒸散量 参考作物蒸散量 称重式蒸渗仪
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氮肥用量和脲酶抑制剂对滴灌马铃薯田氧化亚氮排放和氨挥发的影响 被引量:24
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作者 万伟帆 李斐 +2 位作者 红梅 常菲 高海燕 《植物营养与肥料学报》 CAS CSCD 北大核心 2018年第3期693-702,共10页
【目的】氨挥发和氧化亚氮排放是氮素损失的重要途径。内蒙古阴山北麓滴灌马铃薯田种植面积大,普遍存在过量施肥的问题。研究适宜的氮肥用量,利用脲酶抑制剂来抑制氨挥发和氧化亚氮排放,对提高当地氮肥利用率和减缓环境压力具有重要意... 【目的】氨挥发和氧化亚氮排放是氮素损失的重要途径。内蒙古阴山北麓滴灌马铃薯田种植面积大,普遍存在过量施肥的问题。研究适宜的氮肥用量,利用脲酶抑制剂来抑制氨挥发和氧化亚氮排放,对提高当地氮肥利用率和减缓环境压力具有重要意义。【方法】田间试验分两年在内蒙古武川县两个村庄进行,供试地块种植马铃薯,采用滴灌技术。2015年设置4个处理,分别为:不施氮(CK);优化施氮模式,施N 180 kg/hm^2(Opt);优化施氮减半模式,施N 90 kg/hm^2(Opt R);农民传统施肥量,施N 270 kg/hm^2(Con)。2016年试验处理根据2015年的结果进行调整,设置4个处理:不施氮(CK);优化施氮添加脲酶抑制剂模式,施N 162.6 kg/hm^2(Opt I);优化施氮模式,施N 162.6 kg/hm^2(Opt);农民传统施肥量,施N 320 kg/hm^2(Con)。分别采用静态暗箱法和通气法采集氧化亚氮和氨气,每次施肥后,两天采集一次气体样品,氧化亚氮连续取样三次,氨气持续取样直至气体含量低于仪器检测值下限。【结果】氨挥发速率在施入尿素后第1~5 d出现峰值。Con处理2015和2016年氨挥发的最大峰值分别是13.2 mg/(m^2·d)和5.3 mg/(m^2·d),氨挥发累积量分别为N 3.61和3.96kg/hm^2;Opt处理的最大峰值分别为8.69 mg/(m^2·d)和3.19 mg/(m^2·d),累积挥发量分别为N 3.11和2.72 kg/hm^2;Opt R处理氨挥发速率最大峰值为5.63 mg/(m^2·d),氨挥发累积量为2.66 kg/hm^2,Opt I处理氨挥发速率最大峰值为3.67 mg/(m^2·d),氨挥发累积量为2.50 kg/hm^2。氨挥发累积量随着氮肥用量的增加而增多,Con处理的氨挥发量显著高于其他处理;氧化亚氮排放量在施入尿素后第3 d达到峰值,Con处理2015和2016年的氧化亚氮排放峰值分别达到0.3 mg/(m^2·d)和0.2 mg/(m^2·d),氧化亚氮累积排放量分别为N 1.96和1.18 kg/hm^2,显著高于其他处理;Opt处理两年的排放最大峰值均为0.11 mg/(m^2·d),氧化亚氮累积排放量为N 0.95、0.69 kg/hm^2;Opt R的氧化亚氮排放量最大峰值为0.09 mg/(m^2·d),累积量为0.90 kg/hm^2。Opt I的氧化亚氮排放量最大峰值为0.12 mg/(m^2·d),氧化亚氮累积量为0.66 kg/hm^2。相比Opt,Opt I处理的氨挥发和氧化亚氮累积排放量分别降低了11.8%和16.7%,但未达到显著水平。氨挥发速率与土壤温度呈显著正相关,土壤温度的升高会显著增加氨挥发速率,土壤湿度的增加会抑制氨挥发速率,影响不显著。氧化亚氮的排放与土壤湿度呈显著正相关,土壤中水分增加会显著增加氧化亚氮的排放量,土壤温度与氧化亚氮排放成负相关,影响未达到显著水平。【结论】与农民传统施肥模式相比,优化施氮模式可显著降低氨挥发和氧化亚氮排放量,添加脲酶抑制剂未达到显著降低尿素氨挥发量和氧化亚氮排放的效果。土壤湿度和土壤温度在一定程度上影响着氨挥发速率和氧化亚氮的排放通量。在供试地区马铃薯田的施肥管理中,推荐可有效地降低氨挥发和氧化亚氮排放量的优化施氮模式。 展开更多
关键词 氨挥发 氧化亚氮排放 尿素 脲酶抑制剂 滴灌 马铃薯田
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基于无人机高光谱影像的马铃薯叶绿素含量估测 被引量:10
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作者 尹航 李斐 +1 位作者 杨海波 李渊 《植物营养与肥料学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第12期2184-2195,共12页
【目的】叶绿素含量高低反映植被的健康状况与光合能力。研究准确、有效地将冠层影像反演为叶绿素含量的技术参数,以便经济快速、实时地监测作物生长状况。【方法】田间试验于2018—2020年在内蒙古阴山北麓马铃薯主产区进行,设置氮肥梯... 【目的】叶绿素含量高低反映植被的健康状况与光合能力。研究准确、有效地将冠层影像反演为叶绿素含量的技术参数,以便经济快速、实时地监测作物生长状况。【方法】田间试验于2018—2020年在内蒙古阴山北麓马铃薯主产区进行,设置氮肥梯度处理,在马铃薯块茎膨大期和淀粉积累期,测定试验地马铃薯植株SPAD值,通过线性关系将其转化成叶绿素含量。利用无人机为平台搭载S185成像光谱仪获取马铃薯试验区高光谱影像,并从中提取马铃薯冠层光谱反射率。将3年田间试验所获取的125个样本点数据按80%、20%的比例随机划分为训练集与验证集。用训练集数据建立了8个比率、归一化光谱指数,通过波段优化算法建立优化光谱指数和马铃薯关键生育期叶绿素含量的相关性与估测模型,并用验证集数据检验所建立模型的精度,最后利用所构建的估测模型制作马铃薯叶绿素含量分布图。【结果】根据训练集数据,马铃薯植株叶绿素含量分布范围在10.58~23.14 mg/g,平均叶绿素含量为19.80 mg/g,变异系数为14.9%;根据验证集数据,马铃薯植株叶绿素含量分布范围在12.80~23.73 mg/g,平均为19.59 mg/g,变异系数为17.0%。基于绿光波段建立的叶绿素光谱指数(CI_(green))和归一化光谱指数550(ND550)均与马铃薯叶绿素含量具有较好相关性(R^(2)分别为0.48、0.61),但作物种类及生育时期的影响降低了估测的准确性。通过优化波段586、462 nm和586、498 nm计算的优化比率光谱指数(RSI)和优化归一化光谱指数(NDSI)能够明显提高模型准确性,具备良好的线性拟合效果,决定系数R^(2)分别由0.48和0.61提高到0.82和0.83。经验证后,估测模型预测值与实测值接近1∶1线,决定系数R^(2)分别为0.77和0.79,均方根误差RMSE较低。通过反演马铃薯叶绿素含量分布图可知,优化光谱指数(NDSI)模型反演效果较好,叶绿素含量分布范围为18~21 mg/g,与实测值相符合。【结论】本研究优化光谱指数RSI和NDSI最佳敏感波段分别为586、462和586、498 nm,此波段范围内RSI和NDSI与马铃薯关键生育期叶绿素含量相关性最优,通过波段优化算法重新构建的优化光谱指数预测模型可靠性及精度显著高于已有光谱指数,决定系数分别为0.82和0.83,且验证效果较好。应用两种光谱指数对研究区高光谱影像进行叶绿素反演估测,生成的田间马铃薯叶绿素含量分布图显示优化光谱指数NDSI估测效果最好,为光谱指数估测马铃薯关键生育期叶绿素含量提供了理论支持。 展开更多
关键词 马铃薯 叶绿素含量 无人机 光谱指数 高光谱影像
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基于高光谱指数估测马铃薯植株氮素浓度的敏感波段提取 被引量:8
5
作者 杨海波 李斐 +1 位作者 张加康 杨柳 《植物营养与肥料学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第3期541-551,共11页
【目的】基于光谱指数的氮素营养诊断是快速获取作物氮素营养状况的方式之一。其中,利用可见光和近红外波段光谱反射率构建的比率和归一化光谱指数对估测作物氮素营养状况具有重要意义。解决氮素营养诊断过程中存在的指数饱和及数据离... 【目的】基于光谱指数的氮素营养诊断是快速获取作物氮素营养状况的方式之一。其中,利用可见光和近红外波段光谱反射率构建的比率和归一化光谱指数对估测作物氮素营养状况具有重要意义。解决氮素营养诊断过程中存在的指数饱和及数据离散问题,以评价已有比率和归一化光谱指数对马铃薯关键生育时期植株氮素浓度诊断的可行性。【方法】2014—2016年在内蒙古武川县和四子王旗,设置了4个不同氮肥梯度的多点田间试验。在马铃薯块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期,采集试验地和邻近农田马铃薯地上部和块茎样品,分析其氮素含量。并在马铃薯冠层以上50~80 cm采集光谱数据。用试验田数据建立了12个已发表的比率、归一化光谱指数和波段优化光谱指数与马铃薯关键生育时期植株氮素浓度的相关性与估测模型,并用农田马铃薯数据验证模型的精度。【结果】马铃薯植株氮素浓度分布范围在1.89%~4.69%,平均氮素浓度为3.30%,变异系数为18.75%;验证集数据来源于农民田块,马铃薯植株氮素浓度分布范围在2.00%~4.92%,平均氮素浓度为3.34%,变异系数为19.27%。蓝紫光400~450 nm和红边690~720 nm波段是马铃薯植株氮素浓度估测的敏感波段,部分已有光谱指数虽然可以用于马铃薯植株氮素浓度的估测,但是蓝紫光波段的缺失大大降低了估测的准确性。通过波段优化算法确定的优化光谱指数RSI、NDSI最佳波段位置分别为430、694和426、694 nm。基于优化光谱指数NDSI(426 nm、694 nm)建立的马铃薯植株氮素浓度线性估测模型为y=?6.87x+6.08,决定系数R2最高,为0.68;RSI光谱指数与马铃薯植株氮素浓度的线性估测模型为y=?1.11x+5.92,R2为0.65,与已有比率和归一化光谱指数相比,优化光谱指数RSI和NDSI克服了高氮浓度条件下光谱指数饱和现象,显著提高了马铃薯植株氮素浓度的线性建模效果。农民田块验证数据显示,估测模型的估测值与实测值接近1∶1线,其中NDSI光谱指数估测模型的验证效果最佳,平均相对误差RE和均方根误差RMSE分别为10.58%和0.42%。【结论】本研究通过波段优化算法确定了比率和归一化光谱指数的马铃薯植株氮素浓度敏感波段,采用蓝紫光400~450 nm和红边690~720 nm波段进行马铃薯植株氮素浓度估测,可以改善诊断高氮浓度时的指数灵敏度和数据离散问题,提高马铃薯植株氮素营养诊断的精度。 展开更多
关键词 马铃薯 光谱指数 植株氮素浓度 高光谱遥感
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优化光谱指数助力机器学习提高马铃薯叶绿素含量反演精度
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作者 刘楠 李斐 +4 位作者 杨海波 尹航 高飞 贾禹泽 孙智 《植物营养与肥料学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第8期1531-1542,共12页
【目的】基于光谱指数的遥感估测方法因计算简单而被用于作物生长实时监测,但在作物生育前期易受土壤背景的影响而后期容易失去灵敏性。随着人工智能的快速发展,利用机器学习算法对叶绿素进行估测成为提高遥感监测精度的普遍接受的方法... 【目的】基于光谱指数的遥感估测方法因计算简单而被用于作物生长实时监测,但在作物生育前期易受土壤背景的影响而后期容易失去灵敏性。随着人工智能的快速发展,利用机器学习算法对叶绿素进行估测成为提高遥感监测精度的普遍接受的方法。然而机器学习算法种类较多,且估测结果与输入变量有很大的关系,本研究选用最常用的偏最小二乘法和随机森林算法,比较不同投入变量对这两个算法马铃薯叶绿素含量估测精度的影响。【方法】2019—2020年,在内蒙古马铃薯主产区进行不同氮素水平田间试验,在马铃薯关键生育时期获取光谱数据和叶绿素值,利用试验数据对光谱指数进行波段优化,寻找叶绿素敏感的优化光谱指数。分别利用全反射光谱波段和优化光谱指数作为输入变量,代入随机森林和偏最小二乘法模型对马铃薯叶绿素含量进行估测,将试验数据分为75%的建模集和25%的验证集,比较模型的精确度,同时对模型进行评价。【结果】光谱指数优化波段主要集中在紫光和绿光范围,基于中心波段408和552 nm的光谱指数Opt-NDVI优化效果最好。通过优化,光谱指数与马铃薯叶绿素含量的相关性显著提高,但是相关性受生育时期影响较大,马铃薯花后生育时期其相关性高于花前生育时期。利用随机森林和偏最小二乘法建模结果表明,与优化光谱指数相比,机器学习模型显著提高了对马铃薯叶绿素含量的估测能力,随机森林和偏最小二乘法模型都具有较高的估测精度。通过验证集数据和PROSAIL物理模型的验证和评价证明,基于优化光谱指数的随机森林模型具有更好的建模能力,实测值与估测值具有良好的线性拟合,且验证效果最好,同时克服了生育时期的影响。【结论】光谱指数的预测能力受生育时期的影响较大,优化光谱指数作为输入变量不仅可有效减少输入变量数量从而提高随机森林算法和偏最小二乘法的计算效率,而且可使预测精度有所提高。基于优化光谱指数的随机森林算法对马铃薯叶绿素含量的估测精度最高,在各生育时期都具有较好的估测能力,克服了生育时期的影响,利用该方法可对马铃薯叶绿素含量进行估测。 展开更多
关键词 叶绿素 光谱指数 波段优化 随机森林 偏最小二乘法
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