馬鈴薯光譜及數(shù)字圖像特征參數(shù)對(duì)氮素水平的響應(yīng)及其應(yīng)用

何彩蓮，鄭順林, 2*，萬(wàn)年鑫，趙婷婷，袁繼超, 2，何 衛(wèi)，胡建軍

1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 四川 成都 611130 2.西南地區(qū)作物栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611130 3.四川省農(nóng)科院作物所，四川 成都 610066

馬鈴薯光譜及數(shù)字圖像特征參數(shù)對(duì)氮素水平的響應(yīng)及其應(yīng)用

何彩蓮1，鄭順林1, 2*，萬(wàn)年鑫1，趙婷婷1，袁繼超1, 2，何 衛(wèi)3，胡建軍3

1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 四川 成都 611130 2.西南地區(qū)作物栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611130 3.四川省農(nóng)科院作物所，四川 成都 610066

為準(zhǔn)確、快速地掌握馬鈴薯氮素狀況，提高馬鈴薯對(duì)氮素的利用率，采用便攜式高光譜地物波譜儀、數(shù)碼相機(jī)與SPAD-502葉綠素儀獲取馬鈴薯冠層圖像、葉片光譜、葉片SPAD值，分析不同施氮水平下馬鈴薯兩個(gè)關(guān)鍵生育時(shí)期數(shù)字化指標(biāo)、葉片光譜指標(biāo)、SPAD、產(chǎn)量的變化狀況，以SPAD為輔助驗(yàn)證指標(biāo)，以產(chǎn)量為氮素施用效率評(píng)價(jià)，分析數(shù)字化指標(biāo)、葉片光譜與SPAD、產(chǎn)量的關(guān)系，明確最佳施氮水平下數(shù)字化指標(biāo)、葉片光譜指標(biāo)的臨界值，以期探討快速、簡(jiǎn)便進(jìn)行馬鈴薯氮素營(yíng)養(yǎng)診斷的方法。結(jié)果表明：(1)隨著施氮水平的增加紅邊位置出現(xiàn)了“紅移”，紅邊參數(shù)REP，Lwidth，F(xiàn)D_Max增加，Lo減小。(2)隨著施氮水平增加數(shù)字化指標(biāo)G/B和(G-B)/(R+G+B)逐漸降低，B/(R+G+B)逐漸增加。(3)SPAD隨施氮量增加而提高，施氮量增加低氮水平增產(chǎn)效果明顯，高氮水平增產(chǎn)效果不明顯。光譜、紅邊參數(shù)、數(shù)字化指標(biāo)與SPAD、產(chǎn)量相關(guān)性較好，據(jù)此建立了各個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)馬鈴薯氮營(yíng)養(yǎng)豐缺的量化標(biāo)準(zhǔn)。表明運(yùn)用數(shù)字圖像與光譜技術(shù)進(jìn)行馬鈴薯氮素營(yíng)養(yǎng)診斷具有可行性，為馬鈴薯精準(zhǔn)氮素營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)提供研究思路與技術(shù)支撐。

馬鈴薯; 氮營(yíng)養(yǎng); 數(shù)字圖像; 光譜

引 言

馬鈴薯有望成為我國(guó)第四大主糧，氮素是決定馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵因素。氮肥缺乏抑制馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育，降低產(chǎn)量和品質(zhì)，但過(guò)量施用氮肥造成一定的環(huán)境壓力和資源浪費(fèi)，同時(shí)導(dǎo)致馬鈴薯貪青晚熟與減產(chǎn)。準(zhǔn)確掌握馬鈴薯氮肥狀況，合理有效施用氮肥，提高馬鈴薯生產(chǎn)效率，減輕氮肥不當(dāng)施用對(duì)環(huán)境造成的壓力在生產(chǎn)上十分必要。準(zhǔn)確科學(xué)地施用氮肥，既能保證馬鈴薯生產(chǎn)、又能減輕環(huán)境壓力，因此快速、有效、準(zhǔn)確掌握馬鈴薯氮素狀況，為氮肥的合理施用提供可靠依據(jù)顯得至關(guān)重要。

近年來(lái)，作物無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)迅速發(fā)展，運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)于氮素營(yíng)養(yǎng)診斷中受到研究者的關(guān)注。國(guó)外已成功利用數(shù)碼相機(jī)獲得小麥等作物冠層圖像并進(jìn)行該作物的氮素營(yíng)養(yǎng)診斷與氮肥施用模型推薦[1-2]。國(guó)內(nèi)運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)玉米、小麥等作物進(jìn)行氮素營(yíng)養(yǎng)狀況診斷，發(fā)現(xiàn)數(shù)字化指標(biāo)能較好的反映植株全氮狀況，指示作物氮素豐缺，建立氮肥推薦標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。作物冠層光譜技術(shù)是一種無(wú)損測(cè)試遙感技術(shù)，是當(dāng)今作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)的有效方法[5]。植物光譜能夠用于植物氮素營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)[6]。玉米、小麥等作物已運(yùn)用光譜技術(shù)進(jìn)行氮素營(yíng)養(yǎng)狀況診斷與施肥推薦模型的構(gòu)建[7-8]。然而，運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)與作物光譜分析馬鈴薯氮營(yíng)養(yǎng)狀況的研究較少。故運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)與光譜分析技術(shù)，將光譜參數(shù)、數(shù)字化指標(biāo)分別與傳統(tǒng)氮營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)SPAD和產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，探討數(shù)字化指標(biāo)與光譜指標(biāo)對(duì)馬鈴薯不同氮營(yíng)養(yǎng)水平的響應(yīng)，提出馬鈴薯經(jīng)濟(jì)施氮下各指標(biāo)的臨界值值，為快速、有效、簡(jiǎn)便地進(jìn)行馬鈴薯氮營(yíng)養(yǎng)診斷提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

供試材料為脫毒馬鈴薯川芋117，為四川省十二五培育的馬鈴薯新品種。

1.2 方法

試驗(yàn)在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū)進(jìn)行，采用精確控制盆栽沙培試驗(yàn)，盆子規(guī)格為35 cm×56 cm，盆土類(lèi)型為河沙，每盆裝沙20 kg，每盆種植六株馬鈴薯，播深5 cm。試驗(yàn)施氮量設(shè)6個(gè)水平，以SM營(yíng)養(yǎng)液為基礎(chǔ)，氮素采用硝酸銨隨營(yíng)養(yǎng)液施入，設(shè)置不同氮素水平，在馬鈴薯整個(gè)生育期，分6次均勻施用。每公頃施純氮分別為0, 55, 110, 220, 330, 440 kg(用N0, N1, N2, N3, N4, N5代表)，N3為正常水平氮, N0, N1, N2, N4, N5分別為不施氮、1/4正常氮、1/2正常氮、1.5倍正常氮、2倍正常氮，每處理4次重復(fù)。

光譜測(cè)量使用荷蘭AvaField-3便攜式高光譜地物波譜儀，光譜范圍350～2500 nm采樣間隔為0.6 nm，視場(chǎng)角為25 °，選用350～1 050 nm光譜區(qū)間。在馬鈴薯關(guān)鍵生育時(shí)期塊莖形成期、塊莖膨大期，選擇晴天無(wú)云的天氣，中午11:00—14:00之間進(jìn)行葉片光譜的測(cè)定。每個(gè)處理選取代表整體水平的馬鈴薯功能葉片(倒四葉)3片，立即送入遮光的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)平鋪在黑色背景的工作臺(tái)上，用AvaField-3便攜式高光譜地物波譜儀進(jìn)行光譜測(cè)定。測(cè)量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)探頭靠近葉片，每次重復(fù)10次，以其平均值作為該觀測(cè)點(diǎn)的光譜反射值。測(cè)定過(guò)程中，每次測(cè)完后及時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)白板校正。

數(shù)字圖像獲取使用Canon 650型數(shù)碼相機(jī)，在馬鈴薯關(guān)鍵生育時(shí)期塊莖形成期、塊莖膨大期進(jìn)行拍攝。所有的圖像都在晴天12:00—13:00獲取，拍攝時(shí)相機(jī)距地面高度為1.2 m，與地面冠層成60°角。相機(jī)調(diào)至Auto模式，以自動(dòng)曝光模式控制曝光時(shí)間色彩平衡，圖像的分辨率采用1 024×768，得到的圖像為R，G，B真彩色圖像，照片以JPEG格式轉(zhuǎn)入計(jì)算機(jī)。圖像數(shù)據(jù)提取采用Adobe Photoshop7.0軟件，使用其直方圖功能得到各處理圖像的紅光值、綠光值、藍(lán)光值(R，G，B)。

SPAD采用SPAD-502葉綠素儀，每處理選取長(zhǎng)勢(shì)一致4片功能葉，每片測(cè)定6次，記錄平均值。

數(shù)據(jù)分析使用Excel，Origin，Photoshop數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同施氮水平下馬鈴薯葉片光譜的變化規(guī)律

2.1.1 施氮水平對(duì)馬鈴薯葉片光譜動(dòng)態(tài)變化的影響

不同生育時(shí)期的馬鈴薯的反射光譜曲線與綠色植被典型光譜反射曲線規(guī)律一致，馬鈴薯不同施氮水平下，光譜反射率在可見(jiàn)光波段與近紅外波段差異顯著(圖1)。460 nm附近的藍(lán)光區(qū)和690 nm附近的紅光區(qū)有吸收谷，而在550 nm附近的綠光區(qū)存在較明顯的反射峰，700 nm處反射率急劇上升，750 nm以后反射率趨于最大值且走勢(shì)趨于穩(wěn)定，形成高反射平臺(tái)。在塊莖形成期，400～700 nm可見(jiàn)光波段，不同施氮水平反射率都較低，隨著施氮量的增加，馬鈴薯葉片反射率逐漸降低，550 nm綠峰處不同氮處理差異較為明顯。700～1 050 nm近紅外光區(qū)反射平臺(tái)，隨著施氮量的增加馬鈴薯葉片反射率逐漸提高。塊莖膨大期與塊莖形成期的光譜反射率變化規(guī)律一致，塊莖膨大期在高反射平臺(tái)處不同氮水平間差異更明顯。

圖1 不同施氮水平下兩個(gè)生育時(shí)期馬鈴薯葉片原始光譜反射的變化

2.1.2 施氮水平對(duì)馬鈴薯葉片一階微分光譜及紅邊參數(shù)的影響

一階微分光譜是對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)變換，可以部分消除線性和二次型背景噪聲光譜；紅邊是由于植被在紅光波段葉綠素的強(qiáng)烈吸收和近紅外波段葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)多次散射而造成反射率急劇增加，從而出現(xiàn)陡而近于直線的斜邊。由圖2可知，馬鈴薯葉片反射光譜紅邊位置處于680～760 nm之間，N0～N5在塊莖形成期，紅邊位置分別為703，708，714，716 ，718，718 nm，在塊莖膨大期，紅邊位置分別為699，704，713，714，716，719 nm，紅邊位置隨著施氮水平的提高，逐漸向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，呈現(xiàn)“紅移”現(xiàn)象。

不同氮水平下馬鈴薯紅邊位置(REP)、紅谷位置(Lo)、紅邊寬度(Lwidth)、一階導(dǎo)數(shù)最大值(FD_Max)均存在差異(圖3)。隨著施氮水平的提高馬鈴薯葉片REP不斷增大，在塊莖形成期和塊莖膨大期均表現(xiàn)出一致規(guī)律，除N5外其他氮水平下塊莖形成期的REP高于塊莖膨大期，正常氮水平塊莖形成期紅邊位置在716 nm，塊莖膨大期在714 nm。而隨著施氮水平的增加馬鈴薯葉片Lo總體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，高氮處理塊莖形成期大于塊莖膨大期，中低氮處理相反，塊莖形成期和塊莖膨大期大體表現(xiàn)出一致趨勢(shì)，正常氮水平塊莖形成期紅谷位置在667 nm，塊莖膨大期在670 nm。不同施氮水平，馬鈴薯葉片Lwidth有所不同，呈現(xiàn)出隨施氮水平增加而升高的趨勢(shì)(圖3)。馬鈴薯葉片Lwidth在高氮處理兩個(gè)生育時(shí)期的差異較小，低氮處理差異較高氮處理明顯，正常氮水平塊莖形成期紅邊寬度為49，塊莖膨大期紅邊寬度為43.88。隨施氮量的增加馬鈴薯葉片F(xiàn)D_Max逐漸增大，最低與最高施氮量在兩個(gè)生育時(shí)期差異較小，其他施氮水平差異明顯，正常氮水平塊莖形成期一階導(dǎo)數(shù)極大值為0.82，塊莖膨大期一階導(dǎo)數(shù)極大值為0.74。

圖2 不同施氮水平下兩個(gè)生育時(shí)期馬鈴薯葉片一階導(dǎo)數(shù)光譜的變化

圖3 不同施氮水平下兩個(gè)生育時(shí)期馬鈴薯葉片紅邊參數(shù)REP, Lo, Lwidth, FD_Max的變化

隨著施氮水平的增加，馬鈴薯葉片的REP，Lwidth，F(xiàn)D_Max呈現(xiàn)不斷增加，兩個(gè)生育時(shí)期表現(xiàn)出一致變化規(guī)律，中、低氮處理塊莖形成期馬鈴薯葉片REP，Lwidth，F(xiàn)D_Max均高于塊莖膨大期，而施氮水平提高Lo則呈降低趨勢(shì)，中、低氮處理塊莖膨大期Lo高于塊莖形成期。

2.2 不同施氮水平下馬鈴薯冠層圖像數(shù)字化指標(biāo)的變化規(guī)律

根據(jù)R，G，B值得出G/B，R+G+B，G/(R+G+B)，B/(R+G+B)，R/(R+G+B)，(G-B)/(R+G+B)，G-B，R-B，(R-B)/(R+G+B)，R+B，(R-B)/(R+B)，(R-G-B)/(R+G)，R/B這13個(gè)冠層圖像數(shù)字化指標(biāo)。分析數(shù)字化指標(biāo)與馬鈴薯氮素供應(yīng)水平之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，塊莖形成期G/B，R+G+B，G/(R+G+B)，B/(R+G+B)，(G-B)/(R+G+B)相關(guān)性較高，均到達(dá)顯著水平。隨著施氮量的增加，馬鈴薯數(shù)字化指標(biāo)G/B值降低，低氮處理差異高于高氮處理，兩個(gè)生育時(shí)期的差異不大(圖4)，正常氮水平塊莖形成期G/B值為1.153，塊莖膨大期G/B值為1.131。B/(R+G+B)隨施氮水平的增加而增加，兩個(gè)生育時(shí)期呈現(xiàn)一致規(guī)律，正常氮水平塊莖形成期B/(R+G+B)值為0.309，塊莖膨大期B/(R+G+B)值為0.311。(G-B)/(R+G+B)隨氮水平提高而增加，低氮處理差異大于高氮處理，正常氮水平塊莖形成期(G-B)/(R+G+B)值為0.047，塊莖膨大期(G-B)/(R+G+B)值為0.040。

圖4 不同施氮水平下兩個(gè)生育時(shí)期馬鈴薯數(shù)字化圖像指標(biāo)G/B, B/(R+G+B), (G-B)/(R+G+B)的變化

2.3 不同施氮水平馬鈴薯葉片SPAD、產(chǎn)量的影響

馬鈴薯葉片SPAD有隨施氮量增加而提高的趨勢(shì)，塊莖形成期與塊莖膨大期均呈現(xiàn)此種趨勢(shì)(圖5)。相同施氮水平下塊莖形成期SPAD高于塊莖膨大期。低于正常水平的N0，N1，N2施氮量每株產(chǎn)量均低于正常水平，在低氮水平下，增施氮肥增產(chǎn)效果明顯，N1比N0增產(chǎn)超過(guò)1倍，N2較N1增產(chǎn)0.7倍左右，N3較N2增產(chǎn)1倍以上。高氮水平下，施氮量增加增產(chǎn)效果差，N3，N4，N5無(wú)顯著差異。

圖5 不同施氮水平下兩個(gè)生育時(shí)期馬鈴薯SPAD及產(chǎn)量的變化

2.4 葉片光譜、數(shù)字圖像與SPAD的關(guān)系

2.4.1 馬鈴薯葉片光譜與SPAD及產(chǎn)量的關(guān)系

將馬鈴薯不同氮水平兩個(gè)生育時(shí)期的原始光譜、一階導(dǎo)數(shù)光譜分別與SPAD進(jìn)行相關(guān)性分析(圖6)。原始光譜與SPAD在709 nm波段處相關(guān)性最好達(dá)到極顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.935，一階導(dǎo)數(shù)光譜與SPAD在749 nm波段處相關(guān)程度最高達(dá)到極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.975。在400～700 nm可見(jiàn)光波段大部分波段馬鈴薯葉片原始光譜反射率與SPAD存在顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系、700～1 050 nm近紅外區(qū)絕大部分波段馬鈴薯葉片原始光譜反射率與SPAD呈顯著或極顯著正相關(guān)，在709和1 048 nm處存在谷值與峰值分別為-0.935和0.984；一階導(dǎo)數(shù)光譜與SPAD相關(guān)性在藍(lán)光和紅光區(qū)相對(duì)穩(wěn)定、在近紅外平臺(tái)處波動(dòng)較大，與SPAD存在顯著相關(guān)的波段較多。由此可知，馬鈴薯葉片的原始光譜、一階導(dǎo)數(shù)光譜與SPAD相關(guān)性都較好。

不同氮水平兩個(gè)生育時(shí)期馬鈴薯的原始光譜、一階導(dǎo)數(shù)光譜分別與產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析(圖7)。原始光譜與產(chǎn)量在719 nm波段處達(dá)到極顯著相關(guān)相關(guān)性最好其系數(shù)為-0.938，一階導(dǎo)數(shù)光譜與產(chǎn)量在701 nm波段處相關(guān)程度最高達(dá)到極顯著相關(guān)相關(guān)系數(shù)為-0.949。在400～700 nm可見(jiàn)光波段及700～1 050 nm近紅外區(qū)絕大部分波段馬鈴薯葉片原始光譜反射率與產(chǎn)量達(dá)到顯著相關(guān)關(guān)系，在719和589 nm處存在谷值與峰值分別為-0.938和0.936；一階導(dǎo)數(shù)光譜與產(chǎn)量相關(guān)性在藍(lán)光和紅光區(qū)相對(duì)穩(wěn)定、在近紅外平臺(tái)處波動(dòng)較大。馬鈴薯葉片的原始光譜、一階導(dǎo)數(shù)光譜與產(chǎn)量的相關(guān)性都較好。

圖6 馬鈴薯葉片的原始光譜(a)、一階導(dǎo)數(shù)光譜(b)與SPAD的相關(guān)性分析

圖7 馬鈴薯葉片的原始光譜(a)、一階導(dǎo)數(shù)光譜(b)與產(chǎn)量的相關(guān)性分析

分析不同氮水平下兩個(gè)生育時(shí)期馬鈴薯紅邊位置(REP)、紅谷位置(Lo)、紅邊寬度(Lwidth)、一階導(dǎo)數(shù)最大值(FD_Max)與SPAD的相關(guān)性(表1)。發(fā)現(xiàn)紅邊位置(REP)、紅谷位置(Lo)、紅邊寬度(Lwidth)、一階導(dǎo)數(shù)最大值(FD_Max)與SPAD均存在極顯著相關(guān)關(guān)系，紅邊位置與SPAD相關(guān)系數(shù)最高為0.972，除紅谷位置與SPAD為極顯著負(fù)相關(guān)外，其他紅邊參數(shù)均與SPAD存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。紅邊位置(REP)、紅邊寬度(Lwidth)與產(chǎn)量均存在極顯著相關(guān)關(guān)系，紅谷位置(Lo)、一階導(dǎo)數(shù)最大值(FD_Max)與產(chǎn)量均存在顯著相關(guān)關(guān)系，紅邊位置與產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)最高為0.896，除紅谷位置與產(chǎn)量為極顯著負(fù)相關(guān)外，其他紅邊參數(shù)均與產(chǎn)量存在正相關(guān)關(guān)系。紅邊位置與SPAD及產(chǎn)量均達(dá)到極顯著相關(guān)且相關(guān)系數(shù)最高。

表1 馬鈴薯紅邊參數(shù)與SPAD、產(chǎn)量的相關(guān)性分析

Note:*p<0.05% level;**p<0.01 level

2.4.2 馬鈴薯數(shù)字圖像指標(biāo)與SPAD、產(chǎn)量的關(guān)系

對(duì)馬鈴薯數(shù)字圖像指標(biāo)與SPAD、產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)。經(jīng)過(guò)選擇的數(shù)字圖像指標(biāo)G/B，B/(R+G+B)，(G-B)/(R+G+B)在塊莖形成期與塊莖膨大期均與SPAD有顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系。G/B和(G-B)/(R+G+B)在兩個(gè)生育時(shí)期與SPAD呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，B/(R+G+B)在兩個(gè)生育時(shí)期與SPAD呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)程度最高的是指標(biāo)在塊莖形成期的G/B，相關(guān)系數(shù)為-0.953。而數(shù)字圖像指標(biāo)G/B, B/(R+G+B), (G-B)/(R+G+B)，除B/(R+G+B)在塊莖膨大期與產(chǎn)量不存在顯著相關(guān)關(guān)系外，其余在塊莖形成期與塊莖膨大期均與產(chǎn)量有顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系。G/B，(G-B)/(R+G+B)兩個(gè)生育時(shí)期與產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，B/(R+G+B)在塊莖形成期與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)程度最高的指標(biāo)是塊莖形成期的(G-B)/(R+G+B)，相關(guān)系數(shù)為-0.952。

表2 馬鈴薯數(shù)字圖像指標(biāo)與SPAD、產(chǎn)量的相關(guān)性分析

Note:*p<0.05% level;**p<0.01 level

光譜技術(shù)能夠應(yīng)用于監(jiān)測(cè)作物不同施氮量與推薦作物施肥。玉米葉片在可見(jiàn)光波段的光譜反射率有隨著施氮量的增加而顯著減小的趨勢(shì)[9]。生菜[10]葉片紅邊位置、FD_Max隨供氮水平的提高而逐步增加。本研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯葉片反射率在400～700 nm可見(jiàn)光波段隨著施氮量的增加逐漸降低；隨著施氮水平的增加，馬鈴薯葉片的REP，Lwidth，F(xiàn)D_Max呈現(xiàn)增加規(guī)律，而施氮水平提高Lo則呈降低趨勢(shì)。姜繼萍等[11]指出水稻葉片SPAD隨施氮量的提高有所增加。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SPAD隨施氮量增加而提高，施氮量增加低氮水平增產(chǎn)效果明顯，高氮水平增產(chǎn)效果不明顯。400～700 nm可見(jiàn)光波段大部分波段馬鈴薯葉片原始光譜反射率與SPAD存在顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，紅邊位置、紅谷位置、紅邊寬度、一階導(dǎo)數(shù)最大值與SPAD均存在極顯著相關(guān)關(guān)系，與產(chǎn)量存在顯著或極顯著的相關(guān)。

數(shù)字圖像技術(shù)也被發(fā)現(xiàn)能夠用于作物氮素營(yíng)養(yǎng)的監(jiān)測(cè)及進(jìn)行施肥推薦。李嵐?jié)萚12]提出R/(R+G+B)是最佳的監(jiān)測(cè)水稻氮素營(yíng)養(yǎng)冠層圖像色彩參數(shù)指標(biāo)。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)能夠較好反映馬鈴薯氮營(yíng)養(yǎng)狀況的數(shù)字圖像參數(shù)指標(biāo)是G/B，B/(R+G+B)，(G-B)/(R+G+B)，B/(R+G+B)與(G-B)/(R+G+B)隨氮水平提高而增加，G/B則隨施氮量增加而降低。將三個(gè)數(shù)字圖像指標(biāo)與SPAD及產(chǎn)量分析，G/B，B/(R+G+B)，(G-B)/(R+G+B)均與SPAD及產(chǎn)量相關(guān)性好，尤其G/B與SPAD及產(chǎn)量相關(guān)性均到達(dá)極顯著水平。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)光譜、數(shù)字圖像的各項(xiàng)指標(biāo)與傳統(tǒng)氮素營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)SPAD、產(chǎn)量分析發(fā)現(xiàn)，N3水平為馬鈴薯最佳施氮水平。馬鈴薯N3水平下紅邊參數(shù)Lwidth和FD_Max在塊莖形成期分別為49和0.82，塊莖膨大期為43.88和0.74。馬鈴薯氮素診斷數(shù)字化推薦指標(biāo)為G/B, B/(R+G+B), (G-B)/(R+G+B)，塊莖形成期與塊莖膨大期N3水平分別為1.153和1.131；0.309和0.311；0.047和0.040。馬鈴薯光譜與數(shù)字圖像各指標(biāo)N3水平下的值為馬鈴薯氮素臨界值，低于上述指標(biāo)的臨界值，說(shuō)明馬鈴薯處于缺氮水平；高于上述指標(biāo)的臨界值，則說(shuō)明馬鈴薯供氮過(guò)多。通過(guò)分析馬鈴薯不同生育時(shí)期光譜及冠層數(shù)字圖像，結(jié)果表明：可以利用此兩種方法進(jìn)行馬鈴薯氮素營(yíng)養(yǎng)的診斷。

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(Received Jun.12, 2015; accepted Nov.8, 2015)

*Corresponding author

Potato Spectrum and the Digital Image Feature Parameters on the Response of the Nitrogen Level and Its Application

HE Cai-lian1，ZHENG Shun-lin1, 2*，WAN Nian-xin1，ZHAO Ting-ting1，YUAN Ji-chao1, 2，HE Wei3，HU Jian-jun3

1.College of Agriculture, Sichuan Agricultural Uniersity, Chengdu 611130, China 2.Key Laboratory of Southwest Crop Cultivation, Chengdu 611130, China 3.Crop Research Institute, Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Chengdu 610066, China

In order to know the potatoes nitrogen situation rapidly and accurately, promoting the efficient use of nitrogen fertilizer on the potatoes.Using the feature of portable hyperspectral spectrometer, digital cameras and SPAD-502 chlorophyll meter to abtain the potato digital indicators, leaf spectral and SPAD.Analysing the change status of digital indicators, leaf spectral index, SPAD and production of potatoes under different nitrogen levels in two key periods.Analysing the correlation between canopy image, leaf spectral and SPAD and production, with SPAD as auxiliary validation index, nitrogen fertilizer efficiency evaluation of yield to make sure potato canopy image under the most economic nitrogen application levels and leaf spectral’s critical value to explore the methods of nitrogen nutrition diagnosis quickly and simply.The results show: (1)With nitrogen levels increased, potato tuber formation stage and tuber bulking stage leaf spectral reflectance is the emergence of the "red shift" phenomenon, and the red edge parameters REP, Lwidth, FD_Max increased, Lo decreased.(2)With the nitrogen levels increased, potatoes tuber formation stage and tuber bulking stage digital indicators G/B, (G-B)/(R+G+B) decreased gradually, B/(R+G+B) increased gradually.(3) with the increase of nitrogen application rate SPAD is increased.It is obvious low nitrogen levels increase production with nitrogen increased.It is not obvious the high level of nitrogen stimulation effect.Potato canopy image, leaf spectral and red edge parameters have good correlation with SPAD value and productions, establishing the index evaluation of nitrogen nutrition abundance or lack of quantitative standard of potatoes.Indicating digital image and spectrum technology to nitrogen nutrition diagnosis of potatoes is feasible, provide research ideas and technical support for the potato accurate monitoring of nitrogen nutrition.

Potato; Nitrogen; Digital image; Spectral technique

2015-06-12，

2015-11-08

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD06B0407), 國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(馬鈴薯)建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(CARS-P20)和四川省育種攻關(guān)配套項(xiàng)目(2011NZ0098-15-5)資助

何彩蓮, 女，1991年生, 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院研究生 e-mail: hecailian818@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: zhengshunlin123@163.com

S127; S532

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-2930-07