孫志偉，王曉琳，張啟明，苑舉民，張 爽，閆慧峰*，王樹聲*

1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部煙草生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266101 2.江西省煙草科學(xué)研究所，江西 南昌 330025

引 言

氮素對煙草生長、品質(zhì)及產(chǎn)量的影響極大。想要實(shí)時把握氮肥用量從而得到理想的煙葉產(chǎn)質(zhì)，田間氮素的快速診斷成為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的烤煙田間氮素診斷方法需要破壞性取樣，實(shí)時性差，耗時長，方法滯后。近年來，非破壞性診斷工具在氮素快速診斷中應(yīng)用越來越廣泛。

無人機(jī)遙感具有方便靈活、使用成本低、響應(yīng)快速、厘米級數(shù)據(jù)獲取等優(yōu)點(diǎn)[1]，隨著無人機(jī)(unmanned aerial vehicle,UAV)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使用無人機(jī)遙感(unmanned aerial vehicle remote sensing,UA CRS)對農(nóng)作物進(jìn)行大規(guī)模的氮素營養(yǎng)監(jiān)測成為熱點(diǎn)和趨勢。毛智慧等證明玉米冠層植被指數(shù)與SPAD值有很強(qiáng)的相關(guān)性，利用無人機(jī)多光譜技術(shù)可以進(jìn)行高精度的葉綠素含量預(yù)測。大量研究顯示，農(nóng)作物冠層氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與光譜反射率之間存在著顯著的相關(guān)性[2]。王遠(yuǎn)等[3]利用圖像分割技術(shù)提取的水稻紅光標(biāo)準(zhǔn)化值NRI與SPAD值、葉片氮含量之間的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。紅光標(biāo)準(zhǔn)化值NRI可作為水稻和冬油菜氮素營養(yǎng)診斷的最佳冠層圖像色彩參數(shù)指標(biāo)[4-5]。李紅軍等[6]發(fā)現(xiàn)返青期小麥反光葉面的G/R與NRI色彩參數(shù)與小麥的氮素營養(yǎng)狀況相關(guān)性較好。劉昌華等[7]研究也表明植被指數(shù)可以用來準(zhǔn)確地估測冬小麥地上部生物量和植株吸氮量。

目前，將無人機(jī)圖像技術(shù)應(yīng)用在烤煙氮素診斷的相關(guān)研究尚少，本文旨在探討通過無人機(jī)在田間能否進(jìn)行氮素營養(yǎng)診斷，確定烤煙快速診斷的最佳時期，以及能否通過相關(guān)性分析篩選出具有代表性的圖像色彩參數(shù)指標(biāo)，最終確定烤煙氮素營養(yǎng)快速診斷的方程模型，為烤煙氮素營養(yǎng)無損診斷建立理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年在江西省安?？h進(jìn)行。

進(jìn)行氮營養(yǎng)診斷方程構(gòu)建的試驗(yàn)地塊位于E:114.378,N:27.380，基礎(chǔ)土壤地力為：土壤pH值6.74，有機(jī)質(zhì)含量35.10 g·kg-1，堿解氮含量228.85 mg·kg-1，有效磷(P)含量137.10 mg·kg-1，速效鉀(K)含量76.49 mg·kg-1?？緹熎贩N為云煙87。設(shè)置6個不同氮肥用量的處理，分別為N0：0 kg N·ha-1，N1：45 kg N·ha-1，N2：90 kg N·ha-1，N3：135 kg N·ha-1，N4：180 kg N·ha-1，N5：300 kg N·ha-1。每個處理的磷肥用量和鉀肥用量均為135 kg P2O5·ha-1和405 kg K2O·ha-1，分別使用硝酸銨鈣(15.5-0-0)、鈣鎂磷肥(0-12-0)和硫酸鉀(0-0-50)做氮磷鉀肥。試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)，每個小區(qū)4行×15 m，行距1.2 m，株距0.45 m。肥料做基肥一次性施入。移栽時間為3月3日、移栽的株行距分別為1.2和0.45 m。其他田間管理措施均按照當(dāng)?shù)貙?shí)際生產(chǎn)一致。

進(jìn)行方程驗(yàn)證的試驗(yàn)地塊位于E:114.348,N:27.337?？緹熎贩N為云煙87。設(shè)置5個不同氮肥用量的處理，分別為0，45，90，135和180 kg N·ha-1。每個處理的磷肥用量和鉀肥用量均為135 kg P2O5·ha-1和405 kg K2O·ha-1。每個處理2行×15 m，行距1.2 m，株距0.45 m。肥料做基肥一次性施入。肥料種類、移栽時間、移栽的株行距和其他田間管理措施均和進(jìn)行氮營養(yǎng)診斷方程構(gòu)建的試驗(yàn)地塊相同。

1.2 測定項(xiàng)目

1.2.1 烤煙氮營養(yǎng)狀況指標(biāo)

取樣的時期分別為移栽后47 d(團(tuán)棵期)、移栽后83 d(旺長后期)和移栽后116 d(下部葉成熟期)。每次取樣每個小區(qū)選取具有代表性的2株，分為葉片和莖兩部分，分別在105 ℃下殺青30 min后烘干，記錄干重，計(jì)算地上部生物量和葉片生物量。樣品粉碎后采用H2SO4-H2O2消化，利用全自動凱式定氮儀(Foss,Kjeltec8400)測定含氮量，計(jì)算地上部氮濃度與葉片氮濃度。

每小區(qū)固定5株，每次取樣時測定所有葉片的SPAD值。平均后為葉片SPAD值。

1.2.2 冠層圖像的獲取

在晴天上午10點(diǎn)，使用無人機(jī)(DJI,Phantom 3 Standard)在距地面30 m高度垂直拍攝整個試驗(yàn)地塊的冠層圖像。拍攝圖像的分辨率為4 000×3 000，儲存格式為JPEG。

1.2.3 數(shù)字圖像的處理

獲得的數(shù)字圖像根據(jù)小區(qū)分布進(jìn)行分割，分割后的圖像采用Adobe Photoshop CC(14.0×32)軟件，使用直方圖程序獲取各小區(qū)的冠層圖像的紅光值R(redness intensity)、綠光值G(greenness intensity)和藍(lán)光值B(blueness intensity)。選取3類顏色指標(biāo)類型的15個顏色指標(biāo)，顏色指標(biāo)分類及計(jì)算方法如表1所示。

表1 顏色指標(biāo)分類及計(jì)算方法Table 1 Classification and calculation of color indexes

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 氮素營養(yǎng)診斷方程模型驗(yàn)證方法

通過方程計(jì)算驗(yàn)證地塊的氮營養(yǎng)診斷指標(biāo)預(yù)測值，選擇均方根誤差(root mean square error，RMSE)評價預(yù)測值和實(shí)測值的擬合效果。均方根誤差計(jì)算公式為

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的處理采用Microsoft Excel 2016及SPSS 19。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同時期烤煙冠層圖像色彩參數(shù)指標(biāo)差異

不同時期不同處理的冠層圖像的顏色標(biāo)準(zhǔn)值如表2所示。團(tuán)棵期(移栽后47 d)和下部葉成熟期(移栽后116 d)，各處理冠層圖像R，G和B值均沒有顯著差異，這與視覺觀察結(jié)果一致。旺長后期(移栽后83 d)，各處理間冠層圖像的顏色標(biāo)準(zhǔn)值存在顯著差異，其中R值和G值隨著氮肥施用量的增加逐步減小，B值在不同處理間差異不大；在旺長后期時，冠層圖像在視覺觀察上也存在葉色的明顯差別。因此，旺長后期(移栽后83 d)為利用無人機(jī)拍攝冠層圖像進(jìn)行烤煙氮氮素營養(yǎng)診斷的最佳時期。

表2 不同生育期各處理冠層圖像顏色標(biāo)準(zhǔn)值的差異性分析Table 2 Difference analysis of canopy image color standard values in different growth stages

2.2 烤煙冠層圖像色彩參數(shù)指標(biāo)的篩選

對旺長后期烤煙冠層3類10個色彩指標(biāo)與烤煙氮素營養(yǎng)指標(biāo)分別做相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。在平均顏色指標(biāo)體系中，NRI和NGI分別與5個烤煙氮素營養(yǎng)指標(biāo)極顯著負(fù)相關(guān)和極顯著正相關(guān)，NBI與地上部生物量和葉片生物量無顯著相關(guān)性，與地上部氮濃度、葉片氮濃度和葉片SPAD值顯著正相關(guān)。在比顏色指標(biāo)體系中，G/R和G/(R+B)與5個氮素營養(yǎng)指標(biāo)均為極顯著正相關(guān)；G/B與氮素營養(yǎng)指標(biāo)相關(guān)性不高。在歸一化差分顏色指標(biāo)體系中，(G-R)/(R+G+B)和ExG與5個氮素營養(yǎng)指標(biāo)均為極顯著正相關(guān)；(R-B)/(R+G+B) 與4個烤煙氮素營養(yǎng)指標(biāo)極顯著相關(guān)，而(G-B)/(R+G+B) 與氮素營養(yǎng)指標(biāo)相關(guān)性不高。根據(jù)相關(guān)性，在3類色彩指標(biāo)體系中選擇NGI，G/R和ExG作為潛在的最佳色彩參數(shù)指標(biāo)。

表3 烤煙冠層圖像色彩參數(shù)指標(biāo)與煙株氮素營養(yǎng)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 3 Interdependency between canopy color indexes and tobacco nitrogen indexes

2.3 烤煙氮素營養(yǎng)診斷方程構(gòu)建

構(gòu)建冠層色彩參數(shù)指標(biāo)與氮營養(yǎng)指標(biāo)的關(guān)系方程是烤煙氮素營養(yǎng)診斷的核心問題。采用線性和非線性模型(對數(shù)、二次、冪和指數(shù))，對潛在的最佳色彩參數(shù)與氮素營養(yǎng)指標(biāo)進(jìn)行回歸分析(圖1)。結(jié)果表明，五種回歸模型下冠層圖像色彩參數(shù)指標(biāo)NGI，G/R和ExG與氮素營養(yǎng)指標(biāo)間均表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，達(dá)到極顯著水平。其中NGI和ExG與地上部生物量及葉片生物量的回歸結(jié)果優(yōu)于G/R的回歸結(jié)果，且冪函數(shù)回歸和指數(shù)函數(shù)回歸優(yōu)于線性回歸、二次回歸和對數(shù)函數(shù)回歸；G/R與地上部氮濃度、葉片氮濃度和葉片SPAD值的回歸結(jié)果優(yōu)于NGI和ExG的回歸結(jié)果。根據(jù)相關(guān)系數(shù)的比較，分別選擇指數(shù)回歸做為地上部生物量和葉片生物量的預(yù)測模型，線性回歸作為地上部氮濃度、葉片氮濃度及葉片SPAD值的預(yù)測模型。

圖1 冠層色彩參數(shù)指標(biāo)與氮營養(yǎng)指標(biāo)的回歸分析Fig.1 Regression analysis between canopy color indexes and tobacco nitrogen indexes

2.4 烤煙氮素營養(yǎng)診斷方程模型檢驗(yàn)

選擇相同生育期的不同地塊進(jìn)行氮營養(yǎng)診斷方程的驗(yàn)證分析，不同圖像色彩指標(biāo)驗(yàn)證分析的結(jié)果如圖2所示。驗(yàn)證結(jié)果表明，基于顏色指標(biāo)G/R建立的診斷方程模型，地上部氮濃度及葉片氮濃度的真實(shí)檢測值與方程預(yù)測值均較吻合，重合度高。經(jīng)計(jì)算NRI，G/R，ExG與地上部氮濃度的RMSE值分別為0.789 9%，0.375 1%和0.788 1%，與葉片氮濃度的RMSE分別為0.549 2%，0.249 1%和0.549 0%。RMSE反映了預(yù)測數(shù)據(jù)偏離真實(shí)值的程度，值越小，表示該模型預(yù)測精度越高。三個顏色指標(biāo)中以G/R的RMSE值為最小，預(yù)測精度最高，應(yīng)用G/R為參數(shù)的氮營養(yǎng)診斷方程的相比NRI與ExG更具有說服力。故選擇G/R作為烤煙氮素營養(yǎng)指標(biāo)預(yù)測的最佳圖像色彩指標(biāo)具有較高的代表性。

圖2 以顏色指標(biāo)為自變量的烤煙地上部氮濃度和葉片氮濃度預(yù)測值與實(shí)際值的關(guān)系Fig.2 Relationship between predicted and actual nitrogen concentrations in shoot and leaf of flue-cured tobacco using color index as independent variables

氮素作為影響烤煙生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的必需元素之一，在生產(chǎn)實(shí)際中，氮肥施用過量仍然非常普遍。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民氮肥施用量一般在120～165 kg N·ha-1之間[13]，本研究設(shè)置了6個不同氮肥用量的處理(0，45，90，135，180和300 kg N·ha-1)，通過分析不同氮素處理下各顏色指標(biāo)與烤煙地上部生物量、葉片生物量、地上部氮濃度、葉片氮濃度、SPAD值之間的關(guān)系，篩選了NRI，G/R和ExR為無人機(jī)診斷烤煙氮素營養(yǎng)狀況的備選指標(biāo)，繼而通過對比不同方程模型間差異及RMSE值，建立了基于G/R的烤煙旺長后期氮素營養(yǎng)指標(biāo)線性方程模型。對“缺氮—氮優(yōu)化—氮過剩”之間應(yīng)用無人機(jī)圖像技術(shù)進(jìn)行烤煙氮素營養(yǎng)診斷提供了一種方法和思路。本研究結(jié)果是在其他條件相同(磷鉀肥用量充足且一致、拍照時間統(tǒng)一、拍攝高度角度保證一致等)的情況下得出的，而烤煙不同生育期冠層顏色變化受很多因素影響，如生長環(huán)境、養(yǎng)分類型及用量等，因此，探索不同條件下烤煙冠層顏色指標(biāo)的差異機(jī)理及可行性成為今后工作的重點(diǎn)。同時，本試驗(yàn)所有氮肥均做基肥一次性施用，作物氮素營養(yǎng)無損診斷的核心是建立推薦追肥體系，并以此進(jìn)行施肥推薦。因此，建立基于上述試驗(yàn)結(jié)果的不同生育期臨界G/R值及推薦施氮量，繼而以追肥的方式提供氮肥，仍需要更多、更廣泛的試驗(yàn)來驗(yàn)證。相信隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和先進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的快速發(fā)展，該技術(shù)的應(yīng)用將是作物無損營養(yǎng)診斷與推薦施肥的重要發(fā)展方向。

3 結(jié) 論

通過無人機(jī)冠層圖像分析監(jiān)測烤煙氮素營養(yǎng)，結(jié)果如下：

(1)對不同生育期冠層圖像分析表明，氮素營養(yǎng)診斷最佳的生育期為旺長后期。(2)三類指標(biāo)中篩選出NRI，G/R和ExG作為備選指標(biāo)，與營養(yǎng)指標(biāo)相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，證明在烤煙中通過無人機(jī)數(shù)字圖像指標(biāo)來預(yù)測營養(yǎng)指標(biāo)的狀況成為可能。(3)五種回歸模型下，指數(shù)回歸作為地上部生物量和葉片生物量的預(yù)測模型，線性回歸做為地上部氮濃度、葉片氮濃度及葉片SPAD值的預(yù)測模型。(4)驗(yàn)證結(jié)果表明G/R對地上部氮濃度與葉片氮濃度的線性預(yù)測值與真實(shí)值更為接近，RMSE值更小，我們最終選擇G/R作為烤煙無人機(jī)氮素營養(yǎng)預(yù)測的最佳色彩指標(biāo)。地上部生物量、葉片生物量、地上部氮濃度、葉片氮濃度、SPAD值的預(yù)測方程為Y=21.785e1.350 2G/R，Y=4.057 9e1.937 3G/R，Y=5.039 9G/R-3.333 2，Y=4.281 4G/R-3.802 9，Y=40.168G/R-28.188。