基于RapidSCAN CS-45的新疆滴灌冬小麦氮肥推荐研究

赖 宁，耿庆龙，李青军，赵海燕，陈署晃

(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；2.新疆农业科学院农业遥感中心，乌鲁木齐 830091；3.新疆九圣禾种子标准研究院有限公司，新疆昌吉 831113)

施氮有助于小麦增产，但过量施氮和缺氮不利于其产量形成[1]。新疆是我国重要的小麦优势产区和国家粮食战略后备基地，滴灌栽培已被证实是小麦节水增产、农民增收的重要措施[2]。近年来，随着滴灌技术的发展和大面积推广应用，冬小麦滴灌栽培面积逐年上升。据调查，新疆滴灌冬小麦种植存在盲目施氮、施氮量过大、施肥时期不合理等问题[3]。滴灌小麦采用水肥多次分期施用，有别于常规灌溉一次性施肥，因此根据滴灌冬小麦的施氮特点，开展相应的施肥推荐研究，对新疆冬小麦氮肥科学合理施用、绿色协调可持续发展和确保粮食安全具有重要意义。

传统氮肥推荐方法包括以农田土壤-作物植株测试分析为主的测土配方施肥技术、氮肥效应函数法以及氮素输入输出平衡法[4-5]，这些方法能够准确估算作物的氮素需求量，对田间氮肥管理和推荐具有重要意义，但都需要田间取样和实验室复杂的化学分析，操作过程繁琐，时效性差。遥感技术具有实时动态、无损作物的特点，是作物养分信息获取和监测的重要手段[6]。利用遥感技术进行作物氮素推荐施肥可以保证作物高产的同时减少氮肥的施用，提高氮素利用效率[5]。归一化植被指数NDVI是研究作物生长信息的主要植被指数之一，与作物叶片叶绿素含量、氮素营养和产量等具有较好的相关性，可用来预测作物潜在产量和估测当季作物施氮量[7-8]，相关学者利用主动式光谱仪GreenSeeker分别建立了我国华北平原冬小麦[9]、东北寒地水稻[10]、新疆棉花[11]和滴灌春小麦[12]生育时期氮肥推荐模型，效果较好。归一化红边植被指数NDRE与氮素等农学参数具有高敏感性和显著相关性，在作物长势监测、营养诊断、生物量、产量估算等方面具有很大的潜力[13-16]。对水稻[16-18]、玉米[19-20]等作物的研究表明，NDVI和NDRE与氮营养、产量都有较好的相关性，但NDRE更为稳定，可以提高预测精度。

综上所述，作物冠层NDVI和NDRE与氮素含量、氮营养状况、产量等具有较好的相关性，国内外学者在小麦、玉米、水稻、棉花等作物开展施肥推荐和氮素管理研究，取得较好的效果，但针对新疆干旱区绿洲滴灌冬小麦水肥多次分期施氮条件下的生育时期氮肥推荐研究未见报道。目前，新疆滴灌冬小麦种植氮肥施用大，施肥盲目，肥料施用时期不能耦合作物生长发育，肥料效益不佳，需要针对新疆干旱区绿洲滴灌冬小麦开展氮肥分期施氮研究。本研究以当地冬小麦主栽品种新冬22号为供试品种，通过布置5个施氮水平试验，利用主动式冠层光谱仪RapidScan CS-45获取滴灌冬小麦生育时期冠层NDVI和NDRE，分析NDVI和NDRE生育时期时序特征，以及与施氮量、产量的关系，建立基于NDVI和NDRE的北疆滴灌冬小麦氮肥分期施氮推荐模型，以期为北疆滴灌冬小麦氮肥分期科学合理施肥用提供技术支持，为实现小麦化肥减施增效、绿色协调可持续发展和确保粮食安全提供保障。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2016年9月至2018年7月在新疆农业科学院奇台麦类试验站进行，该试验站位于新疆奇台县坎儿孜乡，地理位置为89°44′48″E，43°59′6″N，海拔843 m，属典型的温带大陆性干旱气候，海拔594 m，年均气温5.5 ℃左右，≥10 ℃积温3 300 ℃，多年平均降水量176 mm，平均蒸发量 2 141 mm，无霜期平均156 d，年日照时数 2 840～3 230 h。土壤类型为壤质灰漠土，0～20 cm土层的土壤pH值为8.12，耕层盐分含量为1.46 g·kg-1，有机质含量为16.61 g·kg-1，全氮含量为0.94 g·kg-1，速效磷含量为19.31 mg·kg-1，速效钾含量为272 mg·kg-1。连续2年开展定位试验，设不施氮(0 kg·hm-2，N0)、较低施氮量(120 kg·hm-2，N1)、优化施氮量(240 kg·hm-2，N2)、农户习惯施氮量(360 kg·hm-2，N3)和高施氮量(480 kg·hm-2，N4)5个施氮水平，3次重复，小区随机排列。氮肥为尿素，播种前基施30%，剩余70%氮肥作随水滴施，其中返青期、拔节期、孕穗期、扬花期和灌浆期的施氮比例分别20%、10%、15%、15%和10%。基施P2O5150 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2。小区面积48 m2(4.8 m×10 m)。供试品种为当地主栽品种新冬22号，播种量为300 kg·hm-2，分别于2016年9月22日和2017年9月27日播种，分别于2017年7月10日和2018年7月13日收获。全生育时期总灌溉量为4 050 m3·hm-2(播种后滴灌出苗水450 m3·hm-2，冬灌900 m3·hm-2，返青期、拔节期、孕穗期、扬花期、灌浆期和乳熟期各滴灌1次，每次450 m3·hm-2，滴灌带布置为一管四行(4行小麦1条滴灌带，行距为15 cm)。其他各项管理与大田生产相同，无明显病虫草害。

1.2 测试项目和方法

利用美国Holland Scientific公司生产的RapidSCAN CS-45手持主动式冠层光谱仪在滴灌冬小麦返青期、拔节期、孕穗期、扬花期、灌浆期、乳熟期前期(20%的小麦出现生育时期特征时)测定冠层NDRE和NDVI值。该仪器测定结果较为稳定，数据可靠[17-18]。测试时间为上午13:00-15:00，晴空，无风或微风，光谱仪探头平行于小麦冠层，高度距小麦冠层0.40 m，每个小区测量8个点，每点测量4 s，各测量点尽量远离试验小区边缘，以避免边际效应，各点间距约 1 m，测量时记录各试验小区数据编号信息。测量完成后及时将数据导出，取平均值作为该小区NDRE和NDVI的观测值。收获期时各试验小区随机取2个1 m2的样方，测定计算每公顷产量(换算为12.5%标准含水量下产量)。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和IBM SPSS Statistics 20.0统计软件进行数据整理、统计分析和制图。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平下滴灌冬小麦生育时期NDVI与NDRE的变化特征

在不同生育时期，滴灌冬小麦冠层NDVI与NDRE值总体上均随施氮量增加而增大，且不同施氮处理间基本上均差异显著(表1)。返青期至孕穗期，冠层NDVI和NDRE值随着冬小麦的生长发育呈快速增加趋势，孕穗期至灌浆期NDVI和NDRE增长减缓，进入灌浆期后开始降低，这与从返青到孕穗期小麦植株生长旺盛，吸氮量急剧增加，并在抽穗到开花期保持较高水平，灌浆前期开始，随着籽粒灌浆，氮素开始向籽粒转移并积累，红光波段和红边波段的光谱反射率逐渐降低，近红外区反射率逐渐升高的试验结果相一致[21]。因此，可以选择NDVI和NDRE作为滴灌冬小麦氮营养诊断指标。

2.2 滴灌冬小麦生育时期冠层NDVI和NDRE值与施氮量的线性关系

回归分析表明，滴灌冬小麦冠层NDVI和NDRE值与施氮量呈显著的线性关系(图1、图2)。其中，在返青期和扬花期，NDVI与施氮量的线性关系较好，r2分别为0.925 4和0.944 5；在拔节期、孕穗期、灌浆期和乳熟期，NDRE与施氮量的线性关系较好，r2分别为0.929 7、0.959 6、 0.941 0和0.953 0。

2.3 施氮量与滴灌冬小麦产量和收益的关系

通过回归分析，滴灌冬小麦的施氮量与产量呈一元二次关系(图3)，即y= -0.048 3x2+24.619x+5 676.1，r2= 0.952 3。依据此方程计算，当施氮量为254.86 kg·hm-2时，小麦获得最高产量8 813.24 kg·hm-2。以2018年每公斤小麦价格2.65元和尿素1.75元计算其经济效益，施氮量与经济效益的关系为y=-0.128x2+61.436x+15 042(图4)，r2= 0.950 4，在施氮量为239.98 kg·hm-2时，小麦可获得最佳经济效益22 557.28元·hm-2，最佳经济产量为 8 802.56 kg·hm-2。

2.4 滴灌冬小麦生育时期冠层NDVI和NDRE与产量的相关性

滴灌冬小麦返青期、拔节期、孕穗期、扬花期、灌浆期、乳熟期冠层NDVI和NDRE值与产量均极显著相关(图5、图6)。在一定范围内，随着冠层NDVI和NDRE值的增大，产量也相应增加，但当NDVI和NDRE值超过一定值后，产量开始下降。回归分析表明，两个光谱指数与产量间均呈一元二次函数关系。根据各生育时期冠层NDVI和NDRE值与产量的关系函数，求得滴灌冬小麦返青期、拔节期、孕穗期、扬花期、灌浆期和乳熟期达到最佳经济产量时的冠层NDVI临界值分别为0.150 8、0.721 3、0.820 6、0.828 8、 0.831 6和0.741 0，NDRE临界值分别为 0.059 3、0.242 5、0.307 6、0.346 5、0.360 4和 0.322 5。当测定值低于临界值时，需要施用氮肥，反之则表明该时期氮肥施用过量。

表1 不同施氮水平下滴灌冬小麦各生育时期的冠层NDVI与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的滴灌冬小麦各生育时期氮肥推荐模型的建立

参照前人的研究方法[6,22-23]，根据滴灌冬小麦各生育时期冠层NDRE和NDVI值与施氮量、产量的相关关系，以及施氮量与产量、经济效益的相关关系，可以建立基于NDRE和NDVI的滴灌冬小麦氮素追肥推荐模型。设根据施氮量与NDRE和NDVI值的线性关系(图1、图2)所求出的施氮水平为诊断前施氮量Nfert，全生育时期的最佳经济效益施氮量为Nopt，各生育时期追氮总量Nd，则有：

Nd=Nopt-Nfert

(1)

由于NDRE和NDVI观测值Tr和Nfert存在极显著的线性关系(图1、图2)：

Tr=aNfer+b，即Nfer=(Tr-b)/a

(2)

将式(2)带入(1)中，可得到基于NDRE和NDVI的滴灌冬小麦氮肥推荐模型：

Nd=Nopt+b/a-Tr/a

(3)

根据2.3部分结果，Nopt取239.98 kg·hm-2，再根据图1、图2确定的a、b值，最终得到各生育时期推荐追肥模型(表2)。其中，返青期和扬花期基于冠层NDVI建立的氮肥推荐模型优于NDRE，r2分别为0.925 4和0.944 5；拔节期、孕穗期和灌浆期基于冠层NDRE建立的氮肥推荐模型优于NDVI，r2分别为0.929 7、 0.959 6和0.941 0。

参考试验地所在奇台县滴灌小麦丰产管理技术规程[24]，滴灌冬小麦各生育时期的施肥比例为返青期20%、拔节期10%、孕穗期15%、扬花期15%、灌浆期10%，可以得到各生育时期NDVI和NDRE诊断值对应的施氮量(表2、表3)。

表2 滴灌冬小麦各生育时期氮肥推荐模型Table 2 Models of N fertilizer recommendation at different stages of drip-irrigated winter wheat

表3 基于NDVI的滴灌冬小麦各生育时期推荐施氮量Table 3 N fertilizer recommendation at different stages of drip-irrigated winter wheat based on NDVI

表4 基于NDRE的滴灌冬小麦各生育时期推荐施氮量Table 4 N fertilizer recommendation at different stages of drip-irrigated winter wheat based on NDRE

3 讨 论

NDVI是利用遥感技术开展农情监测的重要植被指数之一，国内外诸多学者开展基于NDVI指数的作物氮营养监测与施肥推荐研究，取得较好的效果[7-12]，但NDVI易受到土壤及叶冠背景干扰的影响，当植被密度、LAI以及其氮素营养达一定程度，NDVI不再随作物的生长而继续增长，存在易饱和现象[25-26]。有学者认为，NDRE对土壤背景、大气条件和传感器的观测角度不敏感，利用NDRE反演作物LAI、生物量、叶绿素含量和氮素含量等可以获得比NDVI更高的精度[27-29]。本研究利用主动光谱仪RapidScan CS-45，开展基于NDVI和NDRE的新疆滴灌冬小麦氮肥推荐分析，结果表明，滴灌冬小麦冠层NDVI和NDRE均与施氮量具有显著的线性关系，能够很好地反映其氮营养状况，其中NDVI与施氮量相关性在滴灌冬小麦返青期和扬花期优于NDRE，NDRE与施氮量相关性在拔节期、孕穗期和灌浆期优于NDVI，这与刘霞等[30]、Troy等[31]的观点一致。Diacono等[32]认为，利用NDVI和NDRE指数可以指导小麦施肥，与常规施肥相比，可减少氮肥施用量，提高氮肥利用效率、产量和经济效益。前人建立了基于NDVI值的滴灌春小麦推荐施肥模型，但针对生长发育特征和养分需求特性与之不同的滴灌冬小麦的相关推荐施肥研究成果鲜见报道。本研究尝试利用主动式光谱仪RapidScan CS-45评估滴灌冬小麦氮素营养状况，构建基于NDVI和NDRE氮素追肥推荐模型，以期为新疆滴灌冬小麦生育时期氮素科学合理施肥提供参考。

与常规灌溉一次性施肥相比，滴灌栽培采用水肥多次分期施氮，使得肥料在空间和时间上合理分配，田间氮素管理易于精准管理，这为进行冬小麦各生育时期光谱氮素营养诊断的应用提供了依据，同时便于小麦各生育期氮肥定量追肥。本研究通过确定滴灌冬小麦最佳经济产量，结合氮肥效应函数确定的全生育期总施氮量 (239.98 kg·hm-2)，分析滴灌冬小麦各生育时期冠层NDVI和NDRE值与施氮量的关系，建立其氮肥推荐模型，并绘制了相应的各生育时期推荐施肥表，当实际NDVI和NDRE测量值高于临界值，则不需要施氮，低于临界值时根据其生育时期推荐施肥模型或推荐施肥表进行施肥指导。该推荐模型的建立避免了一般的追肥推荐只能确定总追肥量的缺点，且符合新疆滴灌冬小麦实际生产中分期追肥的施肥管理。

本研究只在新疆冬小麦单一品种下进行了分析，且研究区域位于新疆天山北坡绿洲，模型的普适性和广泛性还有待进一步的探讨。另外，本研究只分析了小麦地上部的氮营养状况，没有考虑土壤养分状况，而光谱诊断推荐施肥量的确定还应依赖于土壤供氮量、氮肥利用率等的精确估算。因此，今后应在多品种、多区域和不同土壤肥力状况下开展研究，并进行独立试验数据检验，对滴灌冬小麦追肥效果进行长期验证，完善和优化氮素追肥推荐模型。