柳開(kāi)樓,熊 文*,李 涵,胡惠文,陳偉明,章彪雄
(1.江西省紅壤研究所,江西 南昌 331717;2.江西省水產(chǎn)科學(xué)研究所,江西 南昌 330046)
小白菜是設(shè)施農(nóng)業(yè)中最常見(jiàn)的蔬菜品種,目前普遍進(jìn)行的研究主要是基于蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育特性進(jìn)行模型模擬研究[1-2],還鮮有直接通過(guò)圖像采集進(jìn)行蔬菜產(chǎn)量預(yù)測(cè)的報(bào)道。面對(duì)蔬菜生產(chǎn)日益嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)壓力,提前預(yù)測(cè)蔬菜產(chǎn)量對(duì)于菜農(nóng)調(diào)整水肥等管理措施具有十分重要的指導(dǎo)意義。由于較低的價(jià)格走勢(shì)和智能手機(jī)的大力推廣,手機(jī)拍照功能已成為目前智能手機(jī)的必要功能。根據(jù)前人研究,作物長(zhǎng)勢(shì)照片的RGB值與水稻、玉米、小麥等作物的產(chǎn)量密切相關(guān)[3-6];因此,本研究擬通過(guò)設(shè)置不同氮肥處理的田間小區(qū)試驗(yàn),結(jié)合智能手機(jī)在小白菜播種后第20天(D20)、第30天(D30)、第40天(D40)、第50天(D50)獲取群體冠層數(shù)字圖像,進(jìn)而采用Adobe photoshop獲得數(shù)字圖像的紅光值R、綠光值G和藍(lán)光值B,以期構(gòu)建RGB數(shù)值與小白菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)的量化關(guān)系,并進(jìn)一步結(jié)合模型驗(yàn)證試驗(yàn)檢驗(yàn)量化關(guān)系的普適性,從而為合理評(píng)估小白菜產(chǎn)量提供技術(shù)參考。
試驗(yàn)設(shè)在江西省紅壤研究所(116°20'24"E,28°15'30"N)。該地屬中亞熱帶季風(fēng)氣候,年均降雨量1 537 mm,年蒸發(fā)量1 100~1 200 mm;年均氣溫17.7~18.5 ℃,最冷月(1月)平均氣溫為4.6 ℃,最熱月(7月)平均氣溫為28.0~29.8 ℃。海拔高度25~30 m,為典型的低丘紅壤地區(qū)。試驗(yàn)操作環(huán)境為設(shè)施大棚內(nèi),土壤類(lèi)型為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的潴育型水稻土。試驗(yàn)前耕層土壤pH值6.9,有機(jī)碳16.22 g/kg,全氮0.95 g/kg,全磷1.02 g/kg,全鉀15.41 g/kg,堿解氮143.70 mg/kg,速效磷10.30 mg/kg,速效鉀125.10 mg/kg。
研究于2014年和2015年進(jìn)行,分別設(shè)置3個(gè)氮肥施用量,各處理分別為N0(不施氮肥)、N17.5(667 m2施N 17.5 kg)、N25(667 m2施N 25.0 kg)。每個(gè)處理3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,每個(gè)小區(qū)200 m2。氮肥60%作基肥,40%在苗期(播種后15 d)追施。磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)667 m2用量分別為6 kg和9 kg,均作為基肥施用。蔬菜種類(lèi)為小白菜,品種為上海青。其他操作方式同當(dāng)?shù)毓芾怼?/p>
1.3.1 小白菜冠層紅綠藍(lán)光值獲取
于小白菜播種后D20、D30、D40、D50運(yùn)用魅族(MEIZU)魅藍(lán)note2型智能手機(jī)拍攝群體冠層數(shù)字圖像。采用Adobe photoshop獲得數(shù)字圖像的紅光值R、綠光值G和藍(lán)光值B。
1.3.2 小白菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)測(cè)定
在用手機(jī)獲取紅綠藍(lán)光值的同時(shí),每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集10棵小白菜,測(cè)定小白菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)。
1.3.3 紅綠藍(lán)光值與小白菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)的相互關(guān)系及驗(yàn)證
用第1年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立小白菜紅綠藍(lán)光值與產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)的模型關(guān)系,為了檢驗(yàn)?zāi)P偷目煽啃院推者m性,用第2年試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,并采用國(guó)際上常用的統(tǒng)計(jì)方法RMSE(root mean square error)和RRMSE(relative root mean square error)對(duì)預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間的符合度進(jìn)行檢驗(yàn)。
公式中X0和XS分別為實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值。RMSE為均方根差,RRMSE為相對(duì)均方根誤差,二者均可以用來(lái)衡量觀測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的偏差。當(dāng)RMSE<10%時(shí)預(yù)測(cè)性強(qiáng),10%<RMSE<20%時(shí)預(yù)測(cè)性較強(qiáng),20%<RMSE<30%時(shí)預(yù)測(cè)性中等,RMSE>30%時(shí)預(yù)測(cè)性弱;當(dāng)RRMSE≤25%時(shí)模型可用。
所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2003進(jìn)行分析,采用SPSS 16.0進(jìn)行方差分析,不同處理的顯著差異采用LSD進(jìn)行檢驗(yàn)(P<0.05)。
由圖1可知,施用氮肥可以顯著影響小白菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)。不同采收時(shí)間內(nèi)各處理的產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)變化基本一致,均表現(xiàn)出施用氮肥處理(N17.5和N20)高于不施氮肥處理(N0),其中D20、D30、D50存在顯著差異。在整個(gè)測(cè)定周期內(nèi),N17.5的產(chǎn)量分別比N0增加了52.85%、27.82%、33.33%和31.95%,N20的增幅分別為14.02%、23.53%、2.34%和27.04%。同時(shí)可以看出,過(guò)多的氮肥用量不能持續(xù)提高小白菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量),與N17.5相比,N20處理的產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)沒(méi)有顯著增加。
表1顯示,氮肥用量可以顯著影響小白菜冠層的紅光(R)、綠光(G)和藍(lán)光(B)值。尤其是在D30、D40和D50,均呈現(xiàn)出N17.5和N20處理的R和G顯著高于N0處理,且N17.5和N20處理間不存在顯著差異;而B(niǎo)值則對(duì)氮肥響應(yīng)不明顯。
對(duì)蔬菜生長(zhǎng)各時(shí)期的冠層數(shù)字圖像色彩參數(shù)與產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)進(jìn)行相關(guān)分析,表2結(jié)果顯示蔬菜冠層數(shù)字圖像中紅光值R、綠光值G與產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)的關(guān)系可以用二次曲線進(jìn)行擬合,方程分別為y= -0.092 6x2+ 23.365x- 242.53(R2= 0.581 8),y= -0.044x2+ 15.843x+50.495(R2=0.724 9);但藍(lán)光值B與蔬菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)不存在顯著關(guān)系。
圖1 不同氮肥用量對(duì)小白菜鮮質(zhì)量的影響
表1 不同氮肥用量對(duì)小白菜冠層紅綠藍(lán)光的影響
表2 冠層紅綠藍(lán)光與小白菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)的擬合方程
通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),用冠層紅光值R和綠光值G與產(chǎn)量的擬合方程對(duì)不同田塊的小白菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果表明,模擬值與實(shí)測(cè)值之間符合度較高,估計(jì)的RMSE分別為0.182 7和0.203 8(均小于30%),且RRMSE也均小于25%,說(shuō)明紅光值R和綠光值G均能夠較好地預(yù)測(cè)蔬菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量),而紅光值的效果優(yōu)于綠光值。
圖2 小白菜預(yù)測(cè)產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)與模擬產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)的相互關(guān)系
綠色優(yōu)質(zhì)蔬菜種植一直是江西省重點(diǎn)發(fā)展的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè),但受技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)因素的影響,江西省的蔬菜種植普遍存在施肥不合理、產(chǎn)量穩(wěn)定性不強(qiáng)和品質(zhì)不高等問(wèn)題,從而嚴(yán)重限制了該地區(qū)的蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展[7-8]。很多研究表明,在設(shè)施蔬菜種植中,合理施用氮肥可以顯著提升蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)[9-10];但是,不同地區(qū)的土壤類(lèi)型、蔬菜品種和設(shè)施建設(shè)水平等存在較大差異[11-12],所以不同地區(qū)的蔬菜種植中所需的合理氮肥用量還有待進(jìn)一步研究。在本研究中,設(shè)施小白菜667 m2氮肥的合理用量為17.5 kg,特別是在移栽后40 d,其產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)比不施氮肥增加33.33%,但過(guò)多的氮肥用量不能持續(xù)提高小白菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量),與667 m2施用17.5 kg相比,N20處理的產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)沒(méi)有顯著增加,這與很多人的研究結(jié)果相似[13-14],但具體用量不同,原因可能是由于品種和種植模式不同,從而使得合理的氮肥用量不盡相同。
植株冠層的RGB數(shù)值可以在一定程度上反映植物的養(yǎng)分吸收能力,尤其是氮素吸收。有研究表明,在水稻、小麥、玉米和棉花等大宗作物上,通過(guò)相機(jī)獲取的RGB數(shù)值能夠在一定程度上反映植物的氮素吸收能力,且可以進(jìn)一步診斷植物的缺氮信息以及評(píng)估生物量和籽粒產(chǎn)量[3-6];然而,在這些糧食和經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)上,由于關(guān)注的主要是籽粒產(chǎn)量,對(duì)與RGB密切相關(guān)的葉片品質(zhì)和生物量則關(guān)注較少,而目前大量的研究認(rèn)為RGB與葉片或生物量的相關(guān)性明顯高于籽粒產(chǎn)量[4];因此,本試驗(yàn)選擇以收獲葉片為主的小白菜為材料,在設(shè)施大棚的種植條件下,研究小白菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)與RGB的量化關(guān)系,結(jié)果表明,小白菜生長(zhǎng)各時(shí)期的冠層數(shù)字圖像色彩參數(shù)(RGB)與產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)的關(guān)系均可以用二次曲線方程進(jìn)行擬合,但藍(lán)光值(B)與小白菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)不存在顯著關(guān)系。進(jìn)一步通過(guò)模型驗(yàn)證試驗(yàn)表明,用冠層的紅光值R和綠光值G能夠較好地預(yù)測(cè)小白菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量);然而在小白菜的生長(zhǎng)環(huán)境中,品種特性、水分管理等均可以影響小白菜的產(chǎn)量[15-16];因此,基于紅光值R和綠光值G預(yù)測(cè)產(chǎn)量的模型還有待進(jìn)一步優(yōu)化。
667 m2施用17.5 kg氮肥可以使小白菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)增加27.82%~52.85%,但氮肥用量不是越多越好。同時(shí),采用手機(jī)獲取的小白菜冠層數(shù)字圖像中紅光值R、綠光值G與產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)的關(guān)系可以用二次曲線進(jìn)行擬合,通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)表明R和G的測(cè)定值均能夠較好地預(yù)測(cè)小白菜產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)。