一种基于氮素光谱指数法的水稻追氮调控方法 【技术领域】
本发明属于作物栽培管理技术领域， 涉及一种基于氮素光谱指数法的水稻追氮调控方法。 背景技术 快速获取作物生长信息并进行精确诊断和动态调控管理是精确农业体系中的关 键技术之一。植物氮积累量能直接反映植株生长和发育状况， 因此快速估测水稻植株氮积 累量不仅有助于实现作物氮肥的精确管理和科学运筹， 而且有助于实现优质、 高产、 高效、 生态和安全的生产目标。
长期以来， 水稻植株氮积累量的测定一直依赖于人工破坏性取样和化学分析， 其 缺陷是耗时、 费力、 危险性较高且不经济。近年来， 基于光谱分析方法的植株生化组分估测 由于无损、 快速、 准确等优点而被广泛应用。 另外已有的氮肥施用研究多为整个生育期氮肥 用量指导， 而对关键生育期如水稻穗肥的施用缺乏量化认识， 部分已有的追氮调控方法多 基于土壤养分测试来指导施肥， 工作量大， 时效性较差。 另外， 大部分研究和应用中， 氮肥利
用率等参数被设为定值， 过于笼统， 使氮肥用量计算值不准确。 因此， 建立实时、 快速准确地 水稻植株氮积累量的光谱监测技术， 进而建立基于氮素光谱指数法的水稻追氮调控方法， 对于科学有效的指导水稻氮肥投入具有重要的现实意义和应用价值。 发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足， 提出一种基于氮素光谱指数法的水稻 追氮调控方法， 该方法可以快速、 准确地估测出水稻植株氮积累量， 并基于水稻目标需氮 量、 土壤供氮量来精确指导水稻氮肥投入。
本发明是通过以下技术方案实现的 ：
一种基于氮素光谱指数法的水稻追氮调控方法， 通过采集样品光谱数据无损估算 植株实时氮积累量， 并对中后期氮肥利用率定量模拟， 然后基于养分平衡原理， 在综合考虑 水稻目标产量需氮量、 生育中后期的土壤供氮量、 产量潜力以及中后期氮肥利用率和光谱 估算的植株实时氮积累量基础上， 按照如下公式 (1) 得到水稻中后期氮肥施用量 ：
水稻中后期氮肥施用量＝ [( 目标产量需氮量 - 植株实时氮积累量 )- 中后期土壤 供氮量 ]/ 中后期氮肥利用率 (1)。
其中， 所述的水稻目标产量需氮量通过如下方法获得 ： 先根据水稻产量目标模型 确定目标产量， 然后根据百公斤籽粒需氮量算法求得百公斤籽粒需氮量， 进而求出水稻目 标产量需氮量 ； 计算公式如下 ：
目标产量需氮量＝目标产量 × 百公斤籽粒需氮量 /100 (2)。
所述的目标产量可以根据决策点前三年生态点高产田平均产量和增产系数来确 定：
目标产量＝前三年生态点高产田平均产量 ×(1+ 增产系数 ) (3)。所述的百公斤籽粒需氮量算法计算步骤为先确定高产条件下的百公斤籽粒需氮 量， 然后根据目标产量影响因子和品种类型影响因子， 求得百公斤籽粒需氮量， 公式如下 ：
百 公 斤 籽 粒 需 氮 量 ＝ 高 产 百 公 斤 籽 粒 需 氮 量 ×min( 目 标 产 量 影 响 因 子， 1)- 品种类型影响因子 (4)，
目标产量影响因子＝ α× 目标产量 / 生态点最高产量 +β (5)，
其中高产百公斤籽粒需氮量， 通过当地高产条件下的历史数据获得 ； 品种类型影 响因子， 对水稻来说籼稻取 0.2， 粳稻取 0， 杂交稻取 -0.1 ； α、 β 分别为 0.4773、 0.50。
所述植株实时氮积累量可以根据拔节期水稻冠层获得差值植被指数无损估算求 得， 计算公式如式 (6) 所示， 拔节期水稻冠层差值植被指数 DVI 可以通过公式 (7) 求得 ：
植株氮积累量＝ 129.98×DVI(760， 710)1.5293 (6)，
DVI(760， 710) ＝ R760-R710 (7)，
其中， R760 和 R710 分别为拔节期水稻冠层 Cropscan 760nm 和 710nm 的光谱反射率， 光谱测试采用光谱仪测定， 测试时探头垂直于冠层 1m， 每小区测试 5 点取平均值作为该小 区光谱反射率值。
所述的中后期土壤供氮量计算步骤为先确定零氮处理整个水稻生育期的土壤供 氮量， 然后根据中后期土壤供氮占土壤总供氮量的比例， 进而求得水稻中后期土壤供氮量， 中后期土壤供氮量计算公式为 ： 中后期土壤供氮量＝零氮处理整个生育期土壤总供氮量 × 中后期土壤供氮量所 占比例 (8)。
所述的零氮处理整个生育期的土壤供氮量和中后期土壤供氮占土壤总供氮量的比 例可以根据零氮处理产量和土壤质地因子进行估算， 计算公式分别如式 (9) 和式 (10) 所示 ：
零氮处理整个生育期土壤总供氮量＝ a× 零氮处理产量 -b (9)， 中后期土壤供氮量所占比例＝ c× 零氮处理产量 -d (10)， 其中， a、 b、 c、 d 为土壤质地因子， 由文献资料整理确定， 中间类型土壤取两者平均值。 所述的中后期氮肥利用率可以根据效应因子及其相应的相对权重来模拟求得， 计 算公式如式 (11) 所示 ：
所述的效应因子主要包括氮肥类型因子、 氮肥施用方法因子、 施肥次数因子、 基蘖 肥因子以及水稻品种因子。
与现有技术比较本发明的有益效果 ：
本发明是基于养分平衡原理， 根据水稻目标产量需氮量、 中后期氮肥利用率， 基于 反射光谱估算的植株实时氮积累量以及施氮时土壤供氮量， 来快速、 定量推荐水稻氮肥追 施用量。 本发明在实时信息获取方面， 利用植株冠层群体信息， 具有更快速、 无损等特点， 避 免了 “以点代面” 现象的出现 ； 在追氮调控模型方面， 对中后期的土壤供氮量和中后期氮肥 利用率进行了量化， 较好地体现了不同土壤类型和施氮方式等因素对追氮量的影响， 从而 增强了追氮量估算的机理性和准确度， 提高了量化水平。与现有技术比较本发明提出了一
种新型的基于氮素光谱指数法的水稻追氮调控方法， 并提供了中后期土壤供氮量和穗肥表 观利用率的估算模型， 克服了传统方法存在的耗时、 费力等缺点， 有助于提高水稻生产的精 确化和数字化管理水平。 附图说明
图 1 为基于氮素光谱指数法的水稻追氮调控方法流程图。 图 2 为 2007 年水稻追氮调控后各处理施氮量图 图 3 为 2007 年水稻追氮调控后各处理产量图。 图 4 为 2007 年水稻追氮调控后各处理氮肥农学利用率图。 图 5 为 2007 年水稻追氮调控后各处理纯收入图。 图 6 为水稻追氮调控方法评价流程图 图 7 为不同氮肥调控方法施氮量及产量图。 图 8 为不同氮肥调控方法氮肥农学利用率及氮肥回收率图 图 9 为不同氮肥调控方法净利润及产投比图。具体实施方式
实施例 1
如图 1 所示流程图， 于 2007 年、 2008 年在南京市农林局江宁试验站开展了不同基 蘖肥的田间氮肥试验， 以测试基于氮素光谱指数法的水稻追氮调控方法。供试品种为武香 粳 14， 试验设 6 组不同基蘖氮肥用量的处理 (N1、 N2、 N3、 N4、 N5、 N6)， 从而人为创造出不同 水稻长势状况， 在此基础上使用本发明所涉及的水稻追氮调控方法进行水稻中期氮肥追施 用量的定量估算和推荐， 从而获得不同的氮肥施用量 (N1r， N2r， N3r， N5r， N6r)。其中 N4 为正常高产田施氮量， 作为对照， 不进行调控施肥， 同时设置氮空白区 ( 全生育期不施用氮 肥， N0) 作为对照， 按照本发明方法无损估算植株实时氮积累量， 详细计算步骤如下 ：
水稻中后期氮肥施用量＝ [( 目标产量需氮量 - 植株实时氮积累量 )- 中后期土壤供氮 量 ]/ 中后期氮肥利用率 (1)
目标产量需氮量＝目标产量 × 百公斤籽粒需氮量 /100 (2)
目标产量＝前三年生态点高产田平均产量 ×(1+ 增产系数 ) (3)
百公斤籽粒需氮量＝高产百公斤籽粒需氮量 ×min( 目标产量影响因子， 1)-0.2 (4)
目标产量影响因子＝ 0.4773× 目标产量 / 生态点最高产量 +0.5 (5)
根 据 基 蘖 肥 用 量 取 值 不 同， 前三年生态点高产田平均产量和增产系数也相 应变化， 其中 07 年低基蘖肥条件下前三年生态点高产田平均产量和增产系数分别为 8550kg·hm-2、 15 ％， 中基蘖肥条件下分别为 9400kg·hm-2、 10 ％， 高基蘖肥条件下分别为 -2 10100kg·hm 、 5％ ； 08 年低基蘖肥条件下前三年生态点高产田平均产量和增产系数分别为 -2 8550kg·hm 、 15％， 高基蘖肥条件下分别为 9950kg·hm-2、 5％ ； 高产百公斤籽粒需氮量均取 -2 值 2.2， 生态点最高产量均取值 10500kg·hm 。 根据目标产量和百公斤籽粒需氮量可以得出 N1、 N2、 N3、 N5、 N6 目标产量需氮量分 -2 别为 185、 185、 200、 208、 203kg·hm 。
植株氮积累量＝ 129.98×DVI(760， 710)1.5293 (6)
DVI(760 ， 710) ＝ R 760 -R 710 (7)
式中， R760 和 R710 分别为拔节期水稻冠层 760nm 和 710nm 的光谱反射率， 光谱反射率 测定采用 Cropscan 公司生产的 MSR-16 型多光谱仪， 测试时探头垂直于冠层 1m， 每小区测试 5 点取平均值作为该小区光谱反射率， 其中 N1、 N2、 N3、 N5、 N6760nm 和 710nm 的光谱反射率分 别 为 0.45(0.011)、 0.406(0.01485)、 0.479(0.0056)、 0.504(0.004)、 0.59125(0.0036)，进 而根据实时光谱反射率可求得 N1、 N2、 N3、 N5、 N6 植株氮积累量分别为 37、 30.93、 41.4、 45、 -2 57.65kg·hm 。
中后期土壤供氮量＝零氮处理整个生育期土壤总供氮量 × 中后期土壤供氮量所 占比例 (8)
零氮处理整个生育期土壤总供氮量＝ a× 零氮处理产量 -b (9)
中后期土壤供氮量所占比例＝ c× 零氮处理产量 -d (10)
其中 a、 b、 c、 d 为土壤质地因子， 分别为 0.026、 -59.224、 0.002、 24.48， 零氮处理产 -2 -2 量为 8150kg·hm ， 进而求得中后期土壤供氮量为 66kg·hm 。
效应因子分别为氮肥类型、 氮肥施用方法、 施肥次数、 基蘖肥、 水稻品种因子， 效应 因子相对权重 (RW) 可以通过式 (12) 求得 ； 氮肥类型因子 (FNT)， 控释肥、 硫铵、 尿素， 碳铵 氮肥利用率分别取值为 0.95、 0.9、 0.85 和 0.8 ； 氮肥施用方法因子 (FAM)， 无水层撒施、 水层 撒施、 土壤深施氮肥利用率分别取值 0.85、 0.9、 0.95 ； 施肥次数因子 (FAT)， 通过式 (13) 求 得， x 为追肥次数 ； 基蘖肥因子 (FBQ)， 通过式 (14) 求得， 其中 FB 为基蘖肥用量， ND 为水稻 目标需氮量 ； 水稻品种因子 (FVT)， 杂交稻、 籼稻、 粳稻分别赋值 0.95、 0.9、 0.85。
追肥次数为 2 次， N1 ～ N6 基蘖肥用量分别为 60、 65、 120、 130、 180、 195kg· hm-2， 进 而求得 N1、 N2、 N3、 N5、 N6 中后期氮肥利用率分别为 40％、 44％、 65％、 81％、 83％。
由公式 (1)， 根据公式 (2) ～ (14) 计算结果可以求得 N1、 N2、 N3、 N5、 N6 中后期氮 -2 肥需用量 ( 纯氮 ) 分别为 205、 200、 143、 114、 95kg·hm 。
利用本发明估算的植株实时氮积累量进行追氮， 将基于本发明方法指导的水 稻产量和效益与对照进行比较。本发明方法指导的水稻产量与对照相比， 平均增产 -2 -2 4.9t· hm ( 图 3)， 其中高氮低调节氮 66kg· hm ( 图 2)， 氮肥农学利用率提高 3.3kg· kg-1( 图 4)， 增效 3119 元·hm-2( 图 5)( 以 07 年为例 )。
实施例 2
如图 6 所示评价流程图， 于 2009 年在南京市农林局江宁试验站设置 2 种不同基蘖 肥的田间氮肥试验 ( 低基蘖肥处理 L、 正常基蘖肥处理 N)， 人为创造出不同水稻长势， 在水 稻穗肥追施前， 利用包括本发明在内的 5 种氮肥调控方法 ( 氮素光谱指数法 NSI、 叶面积指 【1】 【2】 【3】 【4】 数法 LAI 、 实地氮肥管理 SSNM 、 氮素营养指数法 NNI 、 氮肥优化算法 NFOA ) 计算水 稻实时需氮量， 指导氮肥投入， 从而比较评价本发明与已有技术的优缺点。 供试品种为武香 粳 14。在此基础上设置氮空白区 ( 全生育期不施用氮肥， N0) 和常规施氮处理 (SN， 施氮量 -2 为 270kg·hm ) 作为对照， 最后将 5 种方法指导的水稻产量和效益进行比较。
结果如图 7 ～图 9， 与常规施氮处理相比， 按照 5 种方法指导追氮的水稻产量没 有明显差异， 其中低基蘖肥条件下， 氮素光谱指数法的施氮量最低， 产量、 氮肥回收率和经 济效益相对较高， 实地氮肥管理施氮量略低于对照， 而另外 3 种方法施氮量较高， 其氮肥 -2 回收率及经济效益较低， 其中总施氮量高低相差 148kg·hm ， 氮肥农学利用率高低相差 -1 -2 8kg·kg ， 氮肥回收率相差 22％， 净利润高低相差 532 元·hm ， 产投比相差 1.3 ； 正常基蘖 肥条件下， 氮肥优化算法施氮量与常规施氮基本相同， 产量和经济效益略低于常规施氮处 理， 其它 4 种方法均减少了氮肥投入， 提高了氮肥利用率和经济效益， 其中总施氮量高低相 -2 -1 差 63kg·hm ， 氮肥农学利用率相差 5kg·kg ， 氮肥回收率相差 13％， 净利润高低相差 229 元·hm-2， 产投比相差 0.6 ； 综合比较表明， 氮素光谱指数法无论在低基蘖肥， 还是在正常基 蘖肥条件下均有较好的效果。
5 种调控方法计算过程如下——
氮素光谱指数法 NSI ：
水稻中后期氮肥施用量＝ [( 目标产量需氮量 - 植株实时氮积累量 )- 中后期土壤供氮 量 ]/ 中后期氮肥利用率 (1)
目标产量需氮量＝目标产量 × 百公斤籽粒需氮量 /100 (2)
百公斤籽粒需氮量＝高产百公斤籽粒需氮量×min(目标产量影响因子， 1)-0.2 (4)
目标产量影响因子＝0.4773×目标产量/生态点最高产量+0.5 (5)
根据基蘖肥用量取值不同， 前三年生态点高产田平均产量和增产系数也相应变 化， 低基蘖肥条件下前三年生态点高产田平均产量和增产系数分别为 8850kg·hm-2、 15％， -2 正常基蘖肥条件下分别为 9770kg· hm 、 10％； 高产百公斤籽粒需氮量均取值 2.3， 生态点最 -2 高产量均取值 11250kg·hm 。
根据目标产量和百公斤籽粒需氮量可以得出低基蘖肥和正常基蘖肥条件下目标 产量需氮量分别为 205、 223kg·hm-2。
植株氮积累量＝ 129.98×DVI(760， 710)1.5293 (6)
DVI(760， 710) ＝ R760-R710 (7)
式中， R760 和 R710 分别为拔节期水稻冠层 760nm 和 710nm 的光谱反射率， 光谱反射 率测定采用 Cropscan 公司生产的 MSR-16 型多光谱仪， 测试时探头垂直于冠层 1m， 每小区测 试 5 点取平均值作为该小区光谱反射率， 其中低基蘖肥和正常基蘖肥条件下 760nm 和 710nm 的光谱反射率分别为 0.731(0.002)、 0.86(0.0015)， 进而根据实时光谱反射率可求得低基 蘖肥和正常基蘖肥条件下植株氮积累量分别为 80.15、 107.2kg·hm-2。
中后期土壤供氮量＝零氮处理整个生育期土壤总供氮量 × 中后期土壤供氮量所占比例 (8)
零氮处理整个生育期土壤总供氮量＝ a× 零氮处理产量 -b (9)
中后期土壤供氮量所占比例＝ c× 零氮处理产量 -d (10)
其中 a、 b、 c、 d 为土壤质地因子， 分别为 0.026、 -59.224、 0.002、 24.48， 零氮处理产 -2 -2 量为 8150kg·hm ， 进而求得中后期土壤供氮量为 66kg·hm 。
效应因子分别为氮肥类型、 氮肥施用方法、 施肥次数、 基蘖肥、 水稻品种因子， 效应 因子相对权重 (RW) 可以通过式 (12) 求得 ； 氮肥类型因子 (FNT)， 控释肥、 硫铵、 尿素， 碳铵 氮肥利用率分别取值为 0.95、 0.9、 0.85 和 0.8 ； 氮肥施用方法因子 (FAM)， 无水层撒施、 水层 撒施、 土壤深施氮肥利用率分别取值 0.85、 0.9、 0.95 ； 施肥次数因子 (FAT)， 通过式 (13) 求 得， x 为追肥次数 ； 基蘖肥因子 (FBQ)， 通过式 (14) 求得， 其中 FB 为基蘖肥用量， ND 为水稻 目标需氮量 ； 水稻品种因子 (FVT)， 杂交稻、 籼稻、 粳稻分别赋值 0.95、 0.9、 0.85。
追 肥 次 数 为 2 次， 低 基 蘖 肥 和 正 常 基 蘖 肥 条 件 下 基 蘖 肥 用 量 分 别 为 65、 -2 135kg·hm ， 进而求得低基蘖肥和正常基蘖肥条件下中后期氮肥利用率分别为 45％、 74％。
由公式 (1)， 根据公式 (2) ～ (14) 计算结果可以求得低基蘖肥、 正常基蘖肥条件下 -2 中后期氮肥需用量 ( 纯氮 ) 分别为 144.6、 72kg·hm 。
叶面积指数法 LAI ： 利用水稻资料修订 Wood 等提出的基于小麦追氮算法
(1) 确定目标绿叶叶面积指数 (GAI)， 在齐穗前绿叶叶面积指数基本等同植株叶 面积指数。(e.g.7.5)
(2) 测定当前的 GAI， GAI 可以用比值植被指数 RVI 进行估算 (e.g.1.64)。
LAI ＝ 0.08×RVI(1100， 560)2-0.07×RVI(1100， 560)+0.48 (15)
(3) 计算当前 GAI 与目标 GAI 的差值 (7.5-1.64 ＝ 5.86)。
(4) 设定作物每增长 1 个单位 GAI 需氮为 30kg·hm-2。
(5) 根 据 步 骤 (3)、 (4) 确 定 达 到 预 期 GAI 的 氮 需 求 量 (5.86×30 ＝ -2 175.8kg·hm )。
(6) 确 定 土 壤 供 氮 (66kg·hm-2)， 扣 除 后 则 为 需 要 施 入 的 氮 (175.8-66 ＝ -2 109.8kg·hm )。
(7) 确定氮肥利用率 ( 低基蘖肥条件为 0.45/ 正常基蘖肥条件为 0.74)， 进而求出 -2 -2 需要氮肥施用量 ( 低基蘖肥条件为 247kg·hm / 正常基蘖肥条件为 109kg·hm )。
实地氮肥管理 SSNM ：
确定南京地区武香粳 14 各时期 SPAD 阈值及施氮量， 拔节期和孕穗期阈值及施氮 -2 量相同， 即 SPAD 阈值为 45， 当 SPAD ＞ 45， 追施 40kg[N]hm ； 43 ＜ SPAD ＜ 45， 施用 70kg[N] -2 -2 hm ； 如果 SPAD ＜ 43， 则追施 100kg[N]hm 。
根据实时水稻叶片 SPAD 值， 可以求得低基蘖肥条件下追氮量为 200kg·hm-2， 正常 -2 基蘖肥条件下追氮量为 110kg·hm 。
氮素营养指数法 NNI ：
NNI 通过观测区差值植被指数 DVI 除以适宜区差值植被指数 DVI 值求得， 当 NNI ＜ 1 时， 表示氮肥亏缺 ； NNI ＞ 1 时， 表示氮肥充足。如缺氮， 则通过公式求得 ：
NNI ＝ DVIfert/DVIref (16)
ΔN ＝ 675.84×NNI-699.34 (17) -2
Nr ＝ Ns+ΔN(Ns 为 135kg· hm ) (18)
其中 DVIfert 为观测区 DVI 值， DVIref 为适宜区 DVI 值， ΔN 为缺少的氮肥量， Nr 为 需施氮肥量， Ns 为适宜区中后期施氮量。 利用公式 (16) ～ (18) 可以求得低基蘖肥条件下追氮量为 291kg·hm-2， 正常基蘖 -2 肥条件下追氮量为 102kg·hm 。
氮肥优化算法 NFOA ： 该方法根据作物产量潜力确定总施氮量， 并根据实时植株氮 积累量确定最终追氮量
将 INSEY 确定为 DVI(760， 710) 与移栽后天数 (DAT) 的比值 ； 水稻当季产量系数 (INSEY) 与产量， 以及 DVI(760， 710) 与植株氮积累量 (PNA) 的拟合关系见图 6-3 和 6-4 ； 目 标产量 (PGY) 和目标产量需氮量 (GNA) 的算法如下， 其中 NUE 取值分别为 0.45、 0.74， 计算 参照方法 1。
(1) 当季产量系数 (INSEY) 计算 ： INSEY ＝ DVI(760， 710)/DAT (19)
(2) 根据产量系数预测方程确定作物目标产量 (PGY)
PGY ＝ 13456.29×INSEY+3804.94 (20)
(3) 计算氮肥总需用量 (GNA) ： GNA ＝ 2.1×PGY/100 (21) 2.0553
(4) 计算当前植株氮积累量 (PNA) ： PNA ＝ 0.0208×DVI(760， 710) (22)
(5) 穗肥施用量 (Nr) 计算 ： Nr ＝ (GNA-PNA)/NUE (23)
根据公式 (19) ～ (23) 可以求得低基蘖肥条件下追氮量为 247kg· hm-2， 正常基蘖 肥条件下追氮量为 135kg·hm-2。
参考文献
[1]Wood G A， Welsh J P， Godwin R J， et al.Real-time measures of canopy size as a basis for spatially varying nitrogen applications to winter wheat sown at different seed rates[J].Biosystems Engineering， 2003， 84 ： 513-531.
[2]Peng S， Garcia F V， Laza R C， et al.Increased N-use efficiency using a chlorophyll meter on high-yielding irrigated rice[J]Field Crops Research， 1996， 47 ： 243-252.
[3]Xue L， Yang L. Recommendations for nitrogen fertiliser topdressing rates in rice using canopy reflectance spectra[J].Biosystems Engineering， 2008， 100(4) ： 524-534.
[4]Lukina E V， Freeman K W， Wynn K J， et al.Nitrogen fertilization optimization algorithm based on in-season estimates of yield and plant nitrogen uptake[J].Journal of Plant Nutrition， 2001， 24(6) ： 885-898.