近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院作物養(yǎng)分管理研究團(tuán)隊(duì)在利用遙感技術(shù)實(shí)時(shí)、無損、準(zhǔn)確估測油菜氮素營養(yǎng)狀況的方法上取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Remote estimation of leaf nitrogen concentration in winter oilseed rape across growth stages and seasons by correcting for the canopy structural effect” 題發(fā)表在遙感領(lǐng)域期刊Remote Sensing of Environment 上。

 

　　在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通常通過測定農(nóng)田土壤中的養(yǎng)分含量來判斷土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況進(jìn)而制定科學(xué)的施肥方案。然而作物在田間生長過程中受到各種環(huán)境因素及農(nóng)事操作的影響，土壤的養(yǎng)分供應(yīng)并非一成不變，導(dǎo)致作物的營養(yǎng)狀況隨之變化，在測土配方施肥的基礎(chǔ)上結(jié)合作物植株養(yǎng)分豐缺狀況診斷，在作物生長過程中進(jìn)行精準(zhǔn)追肥是確保作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和養(yǎng)分高效的重要手段。傳統(tǒng)的作物養(yǎng)分豐缺狀況診斷主要依靠采集作物地上部植株或葉片在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)分析測定，該方法測定的是作物體內(nèi)養(yǎng)分含量的真實(shí)值，但存在采樣和測試耗時(shí)長、測定的空間范圍小等缺陷，從而導(dǎo)致指導(dǎo)追肥的時(shí)效性不強(qiáng)和應(yīng)用面積有限。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，測定植物冠層光譜反射率、建立相應(yīng)的模型來估測作物養(yǎng)分狀況成為一種快速實(shí)時(shí)、無損高效的養(yǎng)分豐缺診斷方法，尤其是在氮營養(yǎng)診斷研究方面應(yīng)用前景廣闊。但是，冠層光譜反射率是植物冠層結(jié)構(gòu)、葉片生理生化性質(zhì)與入射光交互作用的綜合體現(xiàn)，在不同的生長狀態(tài)和氮素營養(yǎng)狀況下冠層結(jié)構(gòu)會(huì)存在很大的差異，目前氮素養(yǎng)分遙感估測模型的準(zhǔn)確率往往受到作物不同品種、種植方式和生育期的影響，即使是對(duì)同一種作物也很難建立統(tǒng)一的估測模型，影響了作物營養(yǎng)遙感估測技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用。

 

　　針對(duì)上述問題，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物養(yǎng)分管理研究團(tuán)隊(duì)在前期研究基礎(chǔ)上，以油菜氮素營養(yǎng)狀況豐缺快速精準(zhǔn)診斷為研究目標(biāo)，提出了利用近紅外反射率植被指數(shù)解耦冠層結(jié)構(gòu)和冠層反射率，利用解耦后生成的冠層散射系數(shù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)模型的建模方法，構(gòu)建了適用于油菜不同品種、種植方式、生育期的氮含量估測通用模型，并利用團(tuán)隊(duì)2015-2022年在多地、多點(diǎn)、多品種田間試驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)的不同種植方式及不同生育期的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行檢驗(yàn)。

 

　　檢驗(yàn)結(jié)果表明：近紅外反射率植被指數(shù)與油菜葉面積指數(shù)有很強(qiáng)的線性相關(guān)性（R2=0.79**），能夠代表冠層結(jié)構(gòu)的變化，從理論上證明了方法的可行性；與原始冠層反射率相比，由近紅外反射率植被指數(shù)解耦后得到的冠層散射系數(shù)對(duì)油菜冠層結(jié)構(gòu)的變化不敏感（圖1），表明該方法能夠有效抑制冠層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜影響；由冠層散射系數(shù)構(gòu)建的油菜葉片氮含量估測模型比傳統(tǒng)的基于反射率的模型具有更高的準(zhǔn)確性和可遷移性（圖2），并在近地冠層高光譜數(shù)據(jù)和無人機(jī)多光譜影像上均得到了驗(yàn)證。該研究為抑制冠層結(jié)構(gòu)對(duì)作物葉片氮含量遙感估測的影響提供了新的思路和方法。目前，多種衛(wèi)星、無人機(jī)、以及近地遙感數(shù)據(jù)都可以計(jì)算得到近紅外反射率植被指數(shù)，因此該研究提出的作物葉片氮含量估測模型改進(jìn)方法有助于實(shí)現(xiàn)不同尺度下的作物氮養(yǎng)分狀況無損診斷，對(duì)作物生長過程中的氮素營養(yǎng)豐缺快速、實(shí)時(shí)、無損診斷和預(yù)警預(yù)報(bào)提供了新技術(shù)，尤其是對(duì)我國油菜生產(chǎn)的精準(zhǔn)高效氮素養(yǎng)分管理提供了直接工具。

 

　　資源與環(huán)境學(xué)院劉詩詩副教授為該成果第一作者，魯劍巍教授為通訊作者，我校本科生白曉慧（已畢業(yè)）、博士研究生朱格格、碩士研究生張宇、博士研究生李嵐?jié)ㄒ旬厴I(yè)）和任濤教授也參與了該項(xiàng)研究。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家油菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的資助。

 

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.rse.2022.113348