基于RapidSCAN CS-45的新疆滴灌冬小麥氮肥推薦研究

賴 寧，耿慶龍，李青軍，趙海燕，陳署晃

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)遙感中心，烏魯木齊 830091；3.新疆九圣禾種子標(biāo)準(zhǔn)研究院有限公司，新疆昌吉 831113)

施氮有助于小麥增產(chǎn)，但過量施氮和缺氮不利于其產(chǎn)量形成[1]。新疆是我國重要的小麥優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)和國家糧食戰(zhàn)略后備基地，滴灌栽培已被證實(shí)是小麥節(jié)水增產(chǎn)、農(nóng)民增收的重要措施[2]。近年來，隨著滴灌技術(shù)的發(fā)展和大面積推廣應(yīng)用，冬小麥滴灌栽培面積逐年上升。據(jù)調(diào)查，新疆滴灌冬小麥種植存在盲目施氮、施氮量過大、施肥時(shí)期不合理等問題[3]。滴灌小麥采用水肥多次分期施用，有別于常規(guī)灌溉一次性施肥，因此根據(jù)滴灌冬小麥的施氮特點(diǎn)，開展相應(yīng)的施肥推薦研究，對(duì)新疆冬小麥氮肥科學(xué)合理施用、綠色協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展和確保糧食安全具有重要意義。

傳統(tǒng)氮肥推薦方法包括以農(nóng)田土壤-作物植株測(cè)試分析為主的測(cè)土配方施肥技術(shù)、氮肥效應(yīng)函數(shù)法以及氮素輸入輸出平衡法[4-5]，這些方法能夠準(zhǔn)確估算作物的氮素需求量，對(duì)田間氮肥管理和推薦具有重要意義，但都需要田間取樣和實(shí)驗(yàn)室復(fù)雜的化學(xué)分析，操作過程繁瑣，時(shí)效性差。遙感技術(shù)具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、無損作物的特點(diǎn)，是作物養(yǎng)分信息獲取和監(jiān)測(cè)的重要手段[6]。利用遙感技術(shù)進(jìn)行作物氮素推薦施肥可以保證作物高產(chǎn)的同時(shí)減少氮肥的施用，提高氮素利用效率[5]。歸一化植被指數(shù)NDVI是研究作物生長信息的主要植被指數(shù)之一，與作物葉片葉綠素含量、氮素營養(yǎng)和產(chǎn)量等具有較好的相關(guān)性，可用來預(yù)測(cè)作物潛在產(chǎn)量和估測(cè)當(dāng)季作物施氮量[7-8]，相關(guān)學(xué)者利用主動(dòng)式光譜儀GreenSeeker分別建立了我國華北平原冬小麥[9]、東北寒地水稻[10]、新疆棉花[11]和滴灌春小麥[12]生育時(shí)期氮肥推薦模型，效果較好。歸一化紅邊植被指數(shù)NDRE與氮素等農(nóng)學(xué)參數(shù)具有高敏感性和顯著相關(guān)性，在作物長勢(shì)監(jiān)測(cè)、營養(yǎng)診斷、生物量、產(chǎn)量估算等方面具有很大的潛力[13-16]。對(duì)水稻[16-18]、玉米[19-20]等作物的研究表明，NDVI和NDRE與氮營養(yǎng)、產(chǎn)量都有較好的相關(guān)性，但NDRE更為穩(wěn)定，可以提高預(yù)測(cè)精度。

綜上所述，作物冠層NDVI和NDRE與氮素含量、氮營養(yǎng)狀況、產(chǎn)量等具有較好的相關(guān)性，國內(nèi)外學(xué)者在小麥、玉米、水稻、棉花等作物開展施肥推薦和氮素管理研究，取得較好的效果，但針對(duì)新疆干旱區(qū)綠洲滴灌冬小麥水肥多次分期施氮條件下的生育時(shí)期氮肥推薦研究未見報(bào)道。目前，新疆滴灌冬小麥種植氮肥施用大，施肥盲目，肥料施用時(shí)期不能耦合作物生長發(fā)育，肥料效益不佳，需要針對(duì)新疆干旱區(qū)綠洲滴灌冬小麥開展氮肥分期施氮研究。本研究以當(dāng)?shù)囟←溨髟云贩N新冬22號(hào)為供試品種，通過布置5個(gè)施氮水平試驗(yàn)，利用主動(dòng)式冠層光譜儀RapidScan CS-45獲取滴灌冬小麥生育時(shí)期冠層NDVI和NDRE，分析NDVI和NDRE生育時(shí)期時(shí)序特征，以及與施氮量、產(chǎn)量的關(guān)系，建立基于NDVI和NDRE的北疆滴灌冬小麥氮肥分期施氮推薦模型，以期為北疆滴灌冬小麥氮肥分期科學(xué)合理施肥用提供技術(shù)支持，為實(shí)現(xiàn)小麥化肥減施增效、綠色協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展和確保糧食安全提供保障。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2016年9月至2018年7月在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院奇臺(tái)麥類試驗(yàn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)站位于新疆奇臺(tái)縣坎兒孜鄉(xiāng)，地理位置為89°44′48″E，43°59′6″N，海拔843 m，屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，海拔594 m，年均氣溫5.5 ℃左右，≥10 ℃積溫3 300 ℃，多年平均降水量176 mm，平均蒸發(fā)量 2 141 mm，無霜期平均156 d，年日照時(shí)數(shù) 2 840～3 230 h。土壤類型為壤質(zhì)灰漠土，0～20 cm土層的土壤pH值為8.12，耕層鹽分含量為1.46 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量為16.61 g·kg-1，全氮含量為0.94 g·kg-1，速效磷含量為19.31 mg·kg-1，速效鉀含量為272 mg·kg-1。連續(xù)2年開展定位試驗(yàn)，設(shè)不施氮(0 kg·hm-2，N0)、較低施氮量(120 kg·hm-2，N1)、優(yōu)化施氮量(240 kg·hm-2，N2)、農(nóng)戶習(xí)慣施氮量(360 kg·hm-2，N3)和高施氮量(480 kg·hm-2，N4)5個(gè)施氮水平，3次重復(fù)，小區(qū)隨機(jī)排列。氮肥為尿素，播種前基施30%，剩余70%氮肥作隨水滴施，其中返青期、拔節(jié)期、孕穗期、揚(yáng)花期和灌漿期的施氮比例分別20%、10%、15%、15%和10%?；㏄2O5150 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2。小區(qū)面積48 m2(4.8 m×10 m)。供試品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N新冬22號(hào)，播種量為300 kg·hm-2，分別于2016年9月22日和2017年9月27日播種，分別于2017年7月10日和2018年7月13日收獲。全生育時(shí)期總灌溉量為4 050 m3·hm-2(播種后滴灌出苗水450 m3·hm-2，冬灌900 m3·hm-2，返青期、拔節(jié)期、孕穗期、揚(yáng)花期、灌漿期和乳熟期各滴灌1次，每次450 m3·hm-2，滴灌帶布置為一管四行(4行小麥1條滴灌帶，行距為15 cm)。其他各項(xiàng)管理與大田生產(chǎn)相同，無明顯病蟲草害。

1.2 測(cè)試項(xiàng)目和方法

利用美國Holland Scientific公司生產(chǎn)的RapidSCAN CS-45手持主動(dòng)式冠層光譜儀在滴灌冬小麥返青期、拔節(jié)期、孕穗期、揚(yáng)花期、灌漿期、乳熟期前期(20%的小麥出現(xiàn)生育時(shí)期特征時(shí))測(cè)定冠層NDRE和NDVI值。該儀器測(cè)定結(jié)果較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠[17-18]。測(cè)試時(shí)間為上午13:00-15:00，晴空，無風(fēng)或微風(fēng)，光譜儀探頭平行于小麥冠層，高度距小麥冠層0.40 m，每個(gè)小區(qū)測(cè)量8個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)測(cè)量4 s，各測(cè)量點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離試驗(yàn)小區(qū)邊緣，以避免邊際效應(yīng)，各點(diǎn)間距約 1 m，測(cè)量時(shí)記錄各試驗(yàn)小區(qū)數(shù)據(jù)編號(hào)信息。測(cè)量完成后及時(shí)將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，取平均值作為該小區(qū)NDRE和NDVI的觀測(cè)值。收獲期時(shí)各試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)取2個(gè)1 m2的樣方，測(cè)定計(jì)算每公頃產(chǎn)量(換算為12.5%標(biāo)準(zhǔn)含水量下產(chǎn)量)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和IBM SPSS Statistics 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計(jì)分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平下滴灌冬小麥生育時(shí)期NDVI與NDRE的變化特征

在不同生育時(shí)期，滴灌冬小麥冠層NDVI與NDRE值總體上均隨施氮量增加而增大，且不同施氮處理間基本上均差異顯著(表1)。返青期至孕穗期，冠層NDVI和NDRE值隨著冬小麥的生長發(fā)育呈快速增加趨勢(shì)，孕穗期至灌漿期NDVI和NDRE增長減緩，進(jìn)入灌漿期后開始降低，這與從返青到孕穗期小麥植株生長旺盛，吸氮量急劇增加，并在抽穗到開花期保持較高水平，灌漿前期開始，隨著籽粒灌漿，氮素開始向籽粒轉(zhuǎn)移并積累，紅光波段和紅邊波段的光譜反射率逐漸降低，近紅外區(qū)反射率逐漸升高的試驗(yàn)結(jié)果相一致[21]。因此，可以選擇NDVI和NDRE作為滴灌冬小麥氮營養(yǎng)診斷指標(biāo)。

2.2 滴灌冬小麥生育時(shí)期冠層NDVI和NDRE值與施氮量的線性關(guān)系

回歸分析表明，滴灌冬小麥冠層NDVI和NDRE值與施氮量呈顯著的線性關(guān)系(圖1、圖2)。其中，在返青期和揚(yáng)花期，NDVI與施氮量的線性關(guān)系較好，r2分別為0.925 4和0.944 5；在拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期和乳熟期，NDRE與施氮量的線性關(guān)系較好，r2分別為0.929 7、0.959 6、 0.941 0和0.953 0。

2.3 施氮量與滴灌冬小麥產(chǎn)量和收益的關(guān)系

通過回歸分析，滴灌冬小麥的施氮量與產(chǎn)量呈一元二次關(guān)系(圖3)，即y= -0.048 3x2+24.619x+5 676.1，r2= 0.952 3。依據(jù)此方程計(jì)算，當(dāng)施氮量為254.86 kg·hm-2時(shí)，小麥獲得最高產(chǎn)量8 813.24 kg·hm-2。以2018年每公斤小麥價(jià)格2.65元和尿素1.75元計(jì)算其經(jīng)濟(jì)效益，施氮量與經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系為y=-0.128x2+61.436x+15 042(圖4)，r2= 0.950 4，在施氮量為239.98 kg·hm-2時(shí)，小麥可獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益22 557.28元·hm-2，最佳經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量為 8 802.56 kg·hm-2。

2.4 滴灌冬小麥生育時(shí)期冠層NDVI和NDRE與產(chǎn)量的相關(guān)性

滴灌冬小麥返青期、拔節(jié)期、孕穗期、揚(yáng)花期、灌漿期、乳熟期冠層NDVI和NDRE值與產(chǎn)量均極顯著相關(guān)(圖5、圖6)。在一定范圍內(nèi)，隨著冠層NDVI和NDRE值的增大，產(chǎn)量也相應(yīng)增加，但當(dāng)NDVI和NDRE值超過一定值后，產(chǎn)量開始下降?；貧w分析表明，兩個(gè)光譜指數(shù)與產(chǎn)量間均呈一元二次函數(shù)關(guān)系。根據(jù)各生育時(shí)期冠層NDVI和NDRE值與產(chǎn)量的關(guān)系函數(shù)，求得滴灌冬小麥返青期、拔節(jié)期、孕穗期、揚(yáng)花期、灌漿期和乳熟期達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量時(shí)的冠層NDVI臨界值分別為0.150 8、0.721 3、0.820 6、0.828 8、 0.831 6和0.741 0，NDRE臨界值分別為 0.059 3、0.242 5、0.307 6、0.346 5、0.360 4和 0.322 5。當(dāng)測(cè)定值低于臨界值時(shí)，需要施用氮肥，反之則表明該時(shí)期氮肥施用過量。

表1 不同施氮水平下滴灌冬小麥各生育時(shí)期的冠層NDVI與NDRE值Table 1 NDVI and NDRE in the canopy of drip-irrigated winter wheat at different growing stages

2.5 基于NDVI和NDRE的滴灌冬小麥各生育時(shí)期氮肥推薦模型的建立

參照前人的研究方法[6,22-23]，根據(jù)滴灌冬小麥各生育時(shí)期冠層NDRE和NDVI值與施氮量、產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，以及施氮量與產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益的相關(guān)關(guān)系，可以建立基于NDRE和NDVI的滴灌冬小麥氮素追肥推薦模型。設(shè)根據(jù)施氮量與NDRE和NDVI值的線性關(guān)系(圖1、圖2)所求出的施氮水平為診斷前施氮量Nfert，全生育時(shí)期的最佳經(jīng)濟(jì)效益施氮量為Nopt，各生育時(shí)期追氮總量Nd，則有：

Nd=Nopt-Nfert

(1)

由于NDRE和NDVI觀測(cè)值Tr和Nfert存在極顯著的線性關(guān)系(圖1、圖2)：

Tr=aNfer+b，即Nfer=(Tr-b)/a

(2)

將式(2)帶入(1)中，可得到基于NDRE和NDVI的滴灌冬小麥氮肥推薦模型：

Nd=Nopt+b/a-Tr/a

(3)

根據(jù)2.3部分結(jié)果，Nopt取239.98 kg·hm-2，再根據(jù)圖1、圖2確定的a、b值，最終得到各生育時(shí)期推薦追肥模型(表2)。其中，返青期和揚(yáng)花期基于冠層NDVI建立的氮肥推薦模型優(yōu)于NDRE，r2分別為0.925 4和0.944 5；拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期基于冠層NDRE建立的氮肥推薦模型優(yōu)于NDVI，r2分別為0.929 7、 0.959 6和0.941 0。

參考試驗(yàn)地所在奇臺(tái)縣滴灌小麥豐產(chǎn)管理技術(shù)規(guī)程[24]，滴灌冬小麥各生育時(shí)期的施肥比例為返青期20%、拔節(jié)期10%、孕穗期15%、揚(yáng)花期15%、灌漿期10%，可以得到各生育時(shí)期NDVI和NDRE診斷值對(duì)應(yīng)的施氮量(表2、表3)。

表2 滴灌冬小麥各生育時(shí)期氮肥推薦模型Table 2 Models of N fertilizer recommendation at different stages of drip-irrigated winter wheat

表3 基于NDVI的滴灌冬小麥各生育時(shí)期推薦施氮量Table 3 N fertilizer recommendation at different stages of drip-irrigated winter wheat based on NDVI

表4 基于NDRE的滴灌冬小麥各生育時(shí)期推薦施氮量Table 4 N fertilizer recommendation at different stages of drip-irrigated winter wheat based on NDRE

3 討 論

NDVI是利用遙感技術(shù)開展農(nóng)情監(jiān)測(cè)的重要植被指數(shù)之一，國內(nèi)外諸多學(xué)者開展基于NDVI指數(shù)的作物氮營養(yǎng)監(jiān)測(cè)與施肥推薦研究，取得較好的效果[7-12]，但NDVI易受到土壤及葉冠背景干擾的影響，當(dāng)植被密度、LAI以及其氮素營養(yǎng)達(dá)一定程度，NDVI不再隨作物的生長而繼續(xù)增長，存在易飽和現(xiàn)象[25-26]。有學(xué)者認(rèn)為，NDRE對(duì)土壤背景、大氣條件和傳感器的觀測(cè)角度不敏感，利用NDRE反演作物L(fēng)AI、生物量、葉綠素含量和氮素含量等可以獲得比NDVI更高的精度[27-29]。本研究利用主動(dòng)光譜儀RapidScan CS-45，開展基于NDVI和NDRE的新疆滴灌冬小麥氮肥推薦分析，結(jié)果表明，滴灌冬小麥冠層NDVI和NDRE均與施氮量具有顯著的線性關(guān)系，能夠很好地反映其氮營養(yǎng)狀況，其中NDVI與施氮量相關(guān)性在滴灌冬小麥返青期和揚(yáng)花期優(yōu)于NDRE，NDRE與施氮量相關(guān)性在拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期優(yōu)于NDVI，這與劉霞等[30]、Troy等[31]的觀點(diǎn)一致。Diacono等[32]認(rèn)為，利用NDVI和NDRE指數(shù)可以指導(dǎo)小麥?zhǔn)┓剩c常規(guī)施肥相比，可減少氮肥施用量，提高氮肥利用效率、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。前人建立了基于NDVI值的滴灌春小麥推薦施肥模型，但針對(duì)生長發(fā)育特征和養(yǎng)分需求特性與之不同的滴灌冬小麥的相關(guān)推薦施肥研究成果鮮見報(bào)道。本研究嘗試?yán)弥鲃?dòng)式光譜儀RapidScan CS-45評(píng)估滴灌冬小麥氮素營養(yǎng)狀況，構(gòu)建基于NDVI和NDRE氮素追肥推薦模型，以期為新疆滴灌冬小麥生育時(shí)期氮素科學(xué)合理施肥提供參考。

與常規(guī)灌溉一次性施肥相比，滴灌栽培采用水肥多次分期施氮，使得肥料在空間和時(shí)間上合理分配，田間氮素管理易于精準(zhǔn)管理，這為進(jìn)行冬小麥各生育時(shí)期光譜氮素營養(yǎng)診斷的應(yīng)用提供了依據(jù)，同時(shí)便于小麥各生育期氮肥定量追肥。本研究通過確定滴灌冬小麥最佳經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，結(jié)合氮肥效應(yīng)函數(shù)確定的全生育期總施氮量 (239.98 kg·hm-2)，分析滴灌冬小麥各生育時(shí)期冠層NDVI和NDRE值與施氮量的關(guān)系，建立其氮肥推薦模型，并繪制了相應(yīng)的各生育時(shí)期推薦施肥表，當(dāng)實(shí)際NDVI和NDRE測(cè)量值高于臨界值，則不需要施氮，低于臨界值時(shí)根據(jù)其生育時(shí)期推薦施肥模型或推薦施肥表進(jìn)行施肥指導(dǎo)。該推薦模型的建立避免了一般的追肥推薦只能確定總追肥量的缺點(diǎn)，且符合新疆滴灌冬小麥實(shí)際生產(chǎn)中分期追肥的施肥管理。

本研究只在新疆冬小麥單一品種下進(jìn)行了分析，且研究區(qū)域位于新疆天山北坡綠洲，模型的普適性和廣泛性還有待進(jìn)一步的探討。另外，本研究只分析了小麥地上部的氮營養(yǎng)狀況，沒有考慮土壤養(yǎng)分狀況，而光譜診斷推薦施肥量的確定還應(yīng)依賴于土壤供氮量、氮肥利用率等的精確估算。因此，今后應(yīng)在多品種、多區(qū)域和不同土壤肥力狀況下開展研究，并進(jìn)行獨(dú)立試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，對(duì)滴灌冬小麥追肥效果進(jìn)行長期驗(yàn)證，完善和優(yōu)化氮素追肥推薦模型。