不同施氮水平下玉米品種葉片含氮量與NDVI值相關(guān)性分析

徐靜

摘? ? 要：通過(guò)試驗(yàn)分析得出玉米葉片含氮量與NDVI值（植被覆蓋指數(shù)）的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明，在不同監(jiān)測(cè)時(shí)期，玉米葉片含氮量與NDVI值的關(guān)系呈正相關(guān)性。在低氮到高氮范圍內(nèi)（0～200 kg/hm2），玉米葉片的含氮量最大變幅為2.66％～4.60％，相同時(shí)期下，當(dāng)施氮量達(dá)到200 kg/hm2時(shí)，葉片含氮量幾乎沒(méi)有增長(zhǎng)，說(shuō)明施用氮肥對(duì)提高玉米葉片含氮量有顯著作用，但過(guò)量施用氮肥時(shí)葉片含氮量不再繼續(xù)提高。本試驗(yàn)結(jié)論為玉米氮素營(yíng)養(yǎng)狀況的無(wú)損監(jiān)測(cè)診斷和精確施肥等提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：玉米；NDVI值；含氮量

文章編號(hào)：1005-2690（2023）10-0001-03? ? ? ?中國(guó)圖書(shū)分類號(hào)：S153? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

玉米葉片含氮量直接影響其光合同化和物質(zhì)積累能力。應(yīng)利用GreenSeeker光譜傳感器對(duì)玉米葉片的NDVI值進(jìn)行無(wú)損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光譜信息，基于科學(xué)的施肥方法，確定氮肥對(duì)作物的變量投入，即按需投入[1]，防止化肥過(guò)量污染環(huán)境，從整體上減輕面源污染。

文章利用不同玉米品種、不同施氮水平的田間試驗(yàn)資料，研究玉米葉片含氮量與NDVI值的定量關(guān)系，確立描述葉片氮含量與NDVI值關(guān)系的方程式，評(píng)價(jià)玉米植株冠層變化及氮肥營(yíng)養(yǎng)狀況，進(jìn)一步引導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)、綠色、高效施肥，提升糧食供給保障能力，促進(jìn)農(nóng)民增收和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，提高氮肥的利用率，實(shí)現(xiàn)肥料減量增效。

1 現(xiàn)有技術(shù)

利用遙感技術(shù)可以快速、無(wú)損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)、營(yíng)養(yǎng)狀況及產(chǎn)量形成等，是精確農(nóng)作管理的主要內(nèi)容之一。

目前，由美國(guó)Oklahoma州立大學(xué)研制的主動(dòng)遙感光譜儀GreenSeeker法可通過(guò)測(cè)量反射光的反射值顯示NDVI值，表示植物的氮營(yíng)養(yǎng)狀況及植被空間分布密度[2]。其采用主動(dòng)遙感方式，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，具有較高的可靠性，不受太陽(yáng)高度角及云層等外界條件影響，有效證明NDVI與植物葉片含氮量高度相關(guān)。

GreenSeeker光譜傳感器自1997年由美國(guó)NTech公司成功研制以來(lái)，已在玉米[3]、水稻[4]等作物的氮素實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和營(yíng)養(yǎng)診斷方面得到了廣泛應(yīng)用，并取得顯著成效，是一種很好的大田尺度推薦施肥工具。施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一項(xiàng)重要的管理措施。我國(guó)已進(jìn)入土壤養(yǎng)分大量盈余階段，全國(guó)土壤有機(jī)質(zhì)含量整體提高[5]，為減少化肥投入和提高化肥利用率奠定了基礎(chǔ)。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人們對(duì)生態(tài)環(huán)境的關(guān)注程度顯著提高[6]，但部分種植人員仍存在過(guò)量施用化肥等問(wèn)題，對(duì)環(huán)境造成了危害?？茖W(xué)合理施用化肥能夠在實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)、農(nóng)民增收的同時(shí)，培肥改良土壤，提高土壤肥力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)本增效與生態(tài)環(huán)境發(fā)展協(xié)同并進(jìn)。

2 材料與方法

2.1 供試材料

1）供試品種。吉農(nóng)302、農(nóng)大588和鄭單958，分別用P1、P2、P3表示。

2）供試土壤。pH值6.4，有機(jī)質(zhì)28 g/kg，全氮1.25 g/kg，全磷0.4 g/kg，堿解氮124 mg/kg。

3）供試肥料。氮肥為尿素（含N 46.4％）；磷肥為過(guò)石（含P2O512％）和磷酸二銨（含P2O5 46％），其中P2O5為75 kg/hm2；鉀肥為硫酸鉀（含K2O 50％），其中K2O為50 kg/hm2。磷肥、鉀肥作基肥一次施入。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)氮肥用量、玉米品種2個(gè)試驗(yàn)因素。每個(gè)品種設(shè)置5個(gè)不同施氮水平，氮肥（純氮）用量分別為0、50、100、150、200 kg/hm2，分別用N0、N1、N2、N3、N4表示。出苗后留苗48 000株/hm2。

2.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

2.3.1 土壤基本性狀及葉片全氮含量測(cè)定

土壤基本理化性狀均采用常規(guī)法測(cè)定；葉片選擇3個(gè)不同時(shí)期所有處理的葉片，采用H2O2-H2SO4消煮法測(cè)定。

2.3.2 歸一化植被指數(shù)測(cè)定

在玉米生育期，選擇6月22日、7月8日、7月25日作為第1監(jiān)測(cè)時(shí)期、第2監(jiān)測(cè)時(shí)期、第3監(jiān)測(cè)時(shí)期，用GreenSeeker進(jìn)行冠層掃描，獲取NDVI值。測(cè)量時(shí)保持勻速，確保探頭平行于玉米植被冠層且距植被50 cm；如果遇到陰雨天氣，則需順延測(cè)量時(shí)間。

3 結(jié)果與分析

3.1 各玉米品種不同施氮水平下葉片含氮量的動(dòng)態(tài)變化

葉片含氮量是表征玉米葉片氮素狀況的主要指標(biāo)。測(cè)試3個(gè)玉米品種在5個(gè)施氮水平下不同生育時(shí)期的葉片含氮量。

從表1可以看出，在低氮到高氮水平范圍內(nèi)，葉片的含氮量最大變幅為2.66％～4.60％；在相同生育期，玉米葉片含氮量隨施氮量增加而上升；當(dāng)施氮量達(dá)到200 kg/hm2時(shí)，葉片含氮量幾乎沒(méi)有增長(zhǎng)，甚至有的品種葉片含氮量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。說(shuō)明施入氮肥對(duì)提高玉米葉片含氮量有顯著作用，但施氮量過(guò)高，葉片含氮量將不會(huì)繼續(xù)增高，甚至?xí)鸬揭欢ǖ姆醋饔?，例如浪費(fèi)肥力、增加投入成本、降低土壤質(zhì)量、污染生態(tài)環(huán)境等。因此，為保證糧食目標(biāo)產(chǎn)量與生態(tài)環(huán)境協(xié)同發(fā)展，要因地制宜、科學(xué)合理施用氮肥。

第1生育時(shí)期到第2生育時(shí)期，葉片含氮量升高；第2生育時(shí)期到第3生育時(shí)期，葉片含氮量下降。玉米葉片含氮量最大值出現(xiàn)在第2生育時(shí)期，

3個(gè)品種的最大值分別為4.48、4.55、4.60，均出現(xiàn)在N3處理下，3個(gè)品種最大值由高到低依次為P3、P2、P1。

結(jié)果表明，在玉米生育前期，隨著玉米植株快速生長(zhǎng)，葉片需從土壤中吸收養(yǎng)分，使葉片含氮量逐漸升高。在玉米生育后期，葉片中積累的氮素向其他部位轉(zhuǎn)移，葉片含氮量開(kāi)始下降。葉片含氮量下降的越多，表明轉(zhuǎn)移的氮素越多，玉米成熟時(shí)籽粒的品質(zhì)越高。

3.2 各玉米品種不同施氮水平下NDVI值的動(dòng)態(tài)變化

不同玉米品種在不同生育期下，監(jiān)測(cè)的NDVI值不同，具體如圖1所示。3個(gè)玉米品種在第1監(jiān)測(cè)時(shí)期NDVI值升高的幅度最大，分別達(dá)到3.72％、4.29％、2.79％。隨著氮肥施用量增加，NDVI值隨之提高；但由于玉米在生育早期植株長(zhǎng)勢(shì)及覆蓋度不均，導(dǎo)致第1監(jiān)測(cè)時(shí)期下的NDVI值在N4水平下略有下降。

結(jié)果表明，玉米在第1監(jiān)測(cè)時(shí)期，由于葉片小，植被覆蓋度低，導(dǎo)致NDVI值偏低；在第2監(jiān)測(cè)時(shí)期，植株生長(zhǎng)快，植被覆蓋度高，NDVI值升高幅度也較大；在第3監(jiān)測(cè)時(shí)期，NDVI值達(dá)到峰值，不再繼續(xù)增長(zhǎng)；NDVI值在不同玉米品種間存在差異不顯著，整體監(jiān)測(cè)的NDVI值與施氮量呈正相關(guān)。

3.3 各玉米品種在不同施氮水平下NDVI值和葉片含氮量的相關(guān)關(guān)系

不同玉米品種在不同施氮水平下，將拔節(jié)期測(cè)得到的NDVI值（x）與其葉片的含氮量（y）建立線性相關(guān)關(guān)系（n＝5），如表2所示。

葉片氮含量與NDVI值呈正相關(guān)，3個(gè)品種對(duì)應(yīng)的NDVI值分別為0.736 8、0.702 4、0.726 9時(shí)，玉米葉片含氮量達(dá)到最高。從不同玉米品種中的葉片氮含量與NDVI值關(guān)系可知，不同玉米品種的氮含量與NDVI值的相關(guān)程度不同。3個(gè)玉米品種的NDVI值與葉片含氮量的關(guān)系方程分別為y＝16.03x－7.651 9、y＝23.217x－12.017，y＝15.417x－6.845 2，相關(guān)系數(shù)r分別為0.955 4、0.940 2、0.966 6，相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平。NDVI值與玉米葉片含氮量的相關(guān)關(guān)系中，品種P3的相關(guān)系數(shù)最高，為0.966 6。

總體來(lái)看，玉米展開(kāi)葉氮含量隨施氮量的增加而增加，在低氮到高氮范圍內(nèi)，不同玉米品種在拔節(jié)期的葉片氮含量變化范圍為2.66％～4.60％，NDVI值變化范圍為0.612 4～0.794 4。

4 結(jié)論與討論

基于不同品種、不同施氮水平、不同生育期條件下的玉米葉片氮含量與NDVI的相關(guān)分析得出，玉米葉片氮含量（y）和歸一化植被指數(shù)NDVI值（x）的相關(guān)方程，為玉米氮素狀況的無(wú)損監(jiān)測(cè)和精確診斷奠定了基礎(chǔ)，有利于農(nóng)戶降低投入成本，減輕氮素流失對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的危害[7-8]。

相同玉米品種在同一監(jiān)測(cè)時(shí)期下，隨著施氮量的增加，玉米葉片含氮量有所增加，歸一化植被指數(shù)NDVI值隨之增大，但在第1監(jiān)測(cè)時(shí)期、最高施氮處理下，NDVI值在P1和P2品種間出現(xiàn)回落現(xiàn)象，說(shuō)明氮肥施用量不是越多越好。在保證目標(biāo)產(chǎn)量的前提下，科學(xué)合理施用氮肥是衡量植株氮素高低的重要指標(biāo)。

本試驗(yàn)通過(guò)測(cè)定分析玉米不同生育時(shí)期葉片的含氮量，找出適宜的施肥時(shí)期，以達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、節(jié)本增效的目的。

在本研究結(jié)論基礎(chǔ)上，利用高光譜遙感技術(shù)可更為準(zhǔn)確地確定玉米葉片氮含量的光譜參數(shù)，快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)玉米生長(zhǎng)狀況，為科學(xué)合理施用氮肥、提高玉米的科學(xué)管理水平提供了重要的技術(shù)支撐。

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作者簡(jiǎn)介：徐 靜（1983—），女，蒙古族，內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾人，碩士，高級(jí)農(nóng)藝師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境及農(nóng)畜產(chǎn)品質(zhì)量安全。