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摘 要

研究测定了不同施氮水平条件下冬小麦冠层在不同时期叶片氮含量和冠层光谱之间的关系，分析了归一化植被指数（NDVI）和不同时期小麦叶片氮含量的相关性。结果表明，随着小麦冠层氮含量的变大，NDVI也随之而增加，叶片氮含量与NDVI有较好的线性关系，并构建了反演模型，模型的拟合度较高。自拔节期开始，小麦叶片的含氮量呈现逐渐减小的趋势。

关键词：冬小麦，冠层，NDVI，氮含量

Abstract:The study was conducted the relationship between canopy of Winter Wheat under different nitrogen conditions between leaf nitrogen content and canopy spectral reflectance of different period, and was analyzed the correlation of normalized difference vegetation index (NDVI) which is combined with single band reflectance, visible light and near infrared band and the nitrogen content of wheat leaf at different stages. The results show that, with the wheat canopy NDVI becomes larger, the nitrogen content is increased, and there is a good linear relationship between leaf nitrogen content and NDVI, and the model can meet the needs of practical application. In the whole growth period, the nitrogen content of wheat leaf decreased gradually.

Keywords：Winter Wheat, Canopy, NDVI, Nitrogen Content

目 录

1 前 言 4

2材料与方法 5

2.1实验地概况 5

2.2材料与实验设计 6

2.3凯氏定氮法试剂配制 6

2.4光谱数据的采集 7

2.5样品的采集与处理 7

2.6样品氮含量的测定 7

2.7数据分析 8

3结果与分析 8

3.1凯式定氮法测定氮含量数据的可靠性检测 8

3.2不同时期小麦叶片氮含量的变化 9

3.3不同时期小麦茎蘖氮含量的变化 9

3.4不同时期小麦穗氮含量的变化 10

3.5不同时期小麦植株氮含量的变化 10

3.6不同时期小麦叶层NDVI的变化 11

3.7基于NDVI的小麦叶层氮含量反演模型的构建 12

3.8基于光谱数据的小麦茎蘖氮含量反演模型的构建 13

3.9基于光谱数据的小麦植株氮含量反演模型的构建 13

结论 15

参考文献 16

致谢 18

1 前 言

小麦在人们的日常生活中有着十分重要的地位，冬小麦是北方旱田的主要作物，冬小麦冠层氮含量是直接反应其营养状况及代谢的重要组成部分^[1]，因而也是长势监测、营养诊断乃至于品质评价的重要指标。利用高光谱检测技术可以大面积、无破坏和及时获取冬小麦冠层氮含量信息作为施肥决策和品质评价的依据，其经济和生态效益的潜力巨大。

施肥的方法是提高小麦的产量的主要途径。施氮肥是小麦生产中的重要措施，适量施氮能提高小麦籽粒产量、蛋白质含量并能改善加工品质，但过量或不合理施氮不仅不能达到高产的目的，还会降低氮肥利用率，增加氮肥损失，污染环境^{[2, 3]}。合理的使用氮肥可以促进小麦根系发育，增强小麦吸收消化水分、养分的能力，进而提高小麦产量^[4]。近年来，利用高光谱技术监测植物冠层生化参量的研究越来越多^[5]，其中对于营养元素，特别是氮含量的估测也有很多研究^{[6, 7]}。氮含量的准确估算对于小麦健康状况的评价以及研究小麦产量具有重要意义。目前研究者们利用高光谱遥感数据覆盖范围广、波段信息多等优势，对小麦生理参数有效估算方法进行许多研究。刘克^[8]，徐天爽^[9]，易秋香^[10]，周丽丽^[11]等一系列研究结果表明，高光谱数据可以进行大范围麦田氮含量的估算，并且精度高、效果好。通过对不同小区的不同施氮量的研究，可以很好的控制农业生产过程中施氮量，不仅能提高产量，还能降低成本，从而达到最高经济效益。

常用的氮含量测定的方法有叶色法和光谱技术。叶色法是用日本MINOLTA产SPAN-502型叶绿素计，测定主茎顶部1/3以上处，获得每张的SPAD值（叶色），计算顶3叶和顶4叶的相对叶色差（RSPAD）。RSPAD=（顶3叶SPAD值-顶4叶SPAD值）/顶3叶SPAD值×100%^[12]。高光谱成像技术在多光谱成像技术的基础上发展起来的，在很宽的光谱范围内，使用成像光谱仪对目标对象进行连续成像，以获得数十或数百每个像素的光谱信息。 其成像特点是：光谱范围广 （200~2 500nm）、超多波段（上百个波段）、高的高光谱分辨率（几个nm）、波段窄（≤10-2λ）和图谱合一。为获得的图像信息，不仅能反映其大小、形状，对象和缺陷等外部特征，不同的对象，不同的结构和吸收光谱的组成也不同，它可以用于检测的物理结构和化学组成一个对象^[13]。凯式定氮装置采用凯式定氮消化和凯式定氮仪两部分组成。凯式消化装置对样品预处理的消化系统，消化处理是凯式定氮法的关键。全自动凯式定氮仪是测定经消化后样品氮含量的仪器，具有颜色传感器的终点控制，智能控制精度高，能自动完成加水稀释、酸、碱、蒸馏、滴定、滴定杯自动排液清洗、消化管清空，无需人为干预等优点，数据准确可靠，整个过程需要3-5分钟，所以自动凯式定氮仪在食品、化工、医药卫生等领域，氮含量测定方面有着广阔的优势和应用前景^[14]。

高光谱技术作为一种新的技术，被广泛应用于无损检测中的植物。农产品质量安全是食品安全的基础，过量的的施氮会导致小麦中的含氮量提高，影响人们的健康。近年来，全社会对食品安全问题的关注程度不断提升，农产品质量也受到高度重视。加入世贸组织以后，中国农产品走向世界的关税壁垒将逐渐被技术壁垒所取代，食品的功能和安全越来越受到重视；另一方面，食品生产者、政府监管机构和消费者对食品质量需求分析，针对实时、快速、无损的方向转变，对精度的要求则退居第二。在这种情况下，检测技术和新设备，快速、高效的已经成为一个主要的需求的科学和技术在这一领域。随着高光谱遥感技术的出现与发展，该技术已被应用到许多的领域，特别是在经济作物中的应用。为了更好的了解植被的生长状况，人们开始使用从微观的角度来了解植物的生长发育状况的高光谱技术，有外部环境的影响。

氮含量作为影响小麦生长的重要营养元素^[2]，在植物的整个生长发育过程中有着重要的作用。为了了解植物的生长状况，利用高光谱技术测量和分析小麦冠层叶片氮含量是非常重要。

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