基于Greenseeker传感器的水稻氮素营养无损估测开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

（一）研究意义

水稻是至当今世界最重要的粮食作物之一，世界上超过一半的人口以水稻为主食^[1]。在我国，水稻是第二大粮食作物，其种植面积大约占中国作物总面积的29.1%^[2]，其产量占中国粮食总产量的43.7%，在各粮食生产中居于首位。同时，中国也是世界上最大的水稻生产国，中国水稻产量大约占到世界水稻总产量的一半^[3]。因此水稻生产在农业生产中占有举足轻重的战略地位。

氮肥是农业生产上用量最大且难以精确定量的一种肥料，近年来为了获得高产，过量氮肥投入不仅导致较低的氮肥利用效率，还造成了一系列环境问题，并降低了水稻的产量和品质^[4-5]。因此，实时、快速、准确的氮素营养-诊断是农-业生产上迫切需要解决的难题。光谱遥感技术作为氮素诊断引进的新兴技术，因其具有快速、自动化、非破坏性等优点已得到快速发展 。相对作物叶片的氮素营养监测研究而言，作物冠层传感器氮素状况的无损监测研究能满足区域尺度的大规模作物氮素营养信息获取和作物生产调控应用的需求^[1]。空间光谱遥感具有更高的自动化性能，能满足更大的区域尺度，但由于其昂贵的价格、易受云雨天气影响等限制因素，还需要大量的投入和研究才能成熟的运用到农业生产中来。因此，基于greenseeker的作物冠层传感器氮素营养诊断由于其既能满足区域尺度又相对便宜，在现在和未来都有很大的应用价值。

2. 研究的基本内容和问题

（一）研究目标

建立长江下游地区水稻氮素营养状况监测模型，用于估测水稻地上部生物量、叶面积指数、植株氮含量、以及植株吸氮量等指标。

（二）研究内容

3. 研究的方法与方案

（一）研究方法

1.基于GreenSeeker获取水稻冠层光谱指数。

2.基于统计分析方法，综合利用本试验资料和已有的文献资料等，分析GreenSeeker获取的光谱指数和水稻生物量、叶面积指数、植株氮含量和植株吸氮量的相关性。

（二）技术路线

（三）实验方案

（1）试验设计

试验于2014年在江苏省如皋市白蒲镇试验基地进行，供试品种为4个品种：连粳7号、武运粳24号、宁粳4号、镇稻11号。设3个氮肥梯度处理：N₁=15kg/亩，N₂=20kg/亩，N₃=25kg/亩。施肥方法为基肥：分蘖肥：促花肥：保花肥=4:1:3:2，磷钾肥以基肥施入，P₂O₅9kg/亩，K₂O 12.7kg/亩。试验采用随机区组排列，小区规格为4m*7m，3次重复，株行距为30cm*15cm。

（2）光谱指数获取

采用GreenSeeker主动冠层传感器，在水稻关键生育期（分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗扬花期、灌浆期）获取水稻冠层光谱指数。一般选择在晴朗的上午或下午进行，传感器探头距离水稻冠层1m。

（3）营养指标获取

同步进行破坏性取样，各小区分别数15穴分蘖，计算各小区平均分蘖（孕穗期后可不进行）后，每小区选取与平均分蘖相近的3穴作为样本。每个样本去根清洗淤泥后，按照不同器官分成茎（茎和黄叶）、叶层、穗（抽穗后），进一步杀青、烘干至恒重测其干重，以计算其生物量。最后将烘干好的样品磨成粉状，采用凯氏定氮法测量植株氮素营养指标。其中每个样本用LAI-3000叶面积仪随机测量5个分蘖叶层的叶面积并分装为小样，同样进一步杀青、烘干至恒重测其干重，采用叶干重法计算叶面积指数。

在移栽前和收获后进行土样采集（20cm土层）。

（4）数据分析

采用Excel2010和SPSS18.0软件进行数据分析与处理。

（四）可行性分析

（1）选题新颖

本研究针对水稻高产栽培措施下氮肥施用过剩造成的产量品质降低和环境破坏等一系列问题，在分析大量实验数据和文献资料的基础上，引进GreenSeeker主动冠层传感器获取水稻冠层光谱数据，以其与水稻形态和生理学指标建立相关预测模型，以期实现氮肥的精确管理。研究内容重点突出，思路清晰，方案切实可行。

（2）实验设施精良

试验在江苏省如皋市白蒲镇的信息农业技术试验示范基地进行，为实施不同品种、氮肥水平处理的水稻大田试验提供了优良的条件。实验室仪器设备精良齐全，拥有Greenseeker主动冠层传感器、LAI-3000叶面积仪等高精密测试仪器，可较好地满足本研究工作的总体需要。

（3）科研基础坚实

指导教师在作物冠层氮素营养方面进行了多年研究，发表核心期刊论文多篇，SCI收录5篇，为本项目的顺利开展奠定了坚实的基础。课题组近几年在作物冠层氮素营养诊断方面进行了初步的探索、取得了可喜的进展，从而为本项目的深入研究奠定了良好的技术基础。

（4）科研团队优秀

本课题组成员踏实勤奋，富有创新，基础知识扎实，学习成绩优秀，是一个富有朝气的科研团队，为项目的顺利完成提供了良好的专业力量保证。课题组实行总体设计、分工协作的项目运行思路，可确保项目的顺利完成。

4. 研究创新点

该项目是基于不同品种和不同氮肥处理的大田试验，引进GreenSeeker主动冠层传感器获取水稻冠层光谱数据，并在同时期进行破坏性取样获取相关营养指标。研究手段先进，有助于水稻氮素营养指标估测模型的建立。该试验不仅有水稻生长发育和产量形成相关营养指标的研究，又有关键生育期水稻冠层的光谱数据研究，项目总体上有较好的深度和广度以及层次性和系统性。

5. 研究计划与进展

本研究将于2014年-2015年完成。

（1）2014年5月~2014年10月，在试验基地实施不同氮肥处理和不同品种的水稻大田试验。并进行试验的管理、关键生育期冠层光谱测试、取样和室内分析，初步分析处理数据，阐明不同品种和不同氮肥处理对水稻氮素状况影响的生理机制，并进行中期总结

（2）2014年11~2015年6月，基于统计分析，进一步分析水稻冠层光谱指数和水稻氮素营养指标的相关性，完成毕业论文设计。