基于高光谱的果园土壤主要速效养分估测研究

来源 :山东农业大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:hujialian
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果园土壤中的速效养分碱解氮(AN)、有效磷(AP)和速效钾(AK)含量的高低直接影响到果树的生长发育和果实质量。盲目施肥不仅会增加生产成本、污染环境,还会降低果实品质,因此及时准确地监测果园中土壤主要速效养分的含量水平对果园科学施肥和园地质量精准管理具有重要意义。常规的土壤采样分析方法易对植物根系造成损伤,且有化验成本高、周期长、产生污染等缺点,无法适应现代果园及时监测和规模化管理的需要。农业高光谱遥感为实现对土壤无损、快速、准确、大范围监测提供了技术手段。本研究以山东省济南市长清区双泉镇一处丘陵苹果园作为研究区,探讨苹果园地土壤的高光谱特性及其与主要速效养分含量的关系,筛选敏感波段并确定特征因子,构建优选AN、AP、AK估测的最佳模型,并提出估测的技术流程方案。主要研究内容及结果如下:(1)分析了苹果园地棕壤主要速效养分的统计特征。对苹果园地中的AN、AP和AK含量进行描述性统计分析发现,该苹果园地土壤AN(含量平均值98.00mg/kg)和AK(含量平均值21.5mg/kg)处于较低水平,与采样时间在施肥前10天及当时正处于幼果期对养分消耗量大有关;土壤AP(含量平均值58.9mg/kg)含量处于较高水平,可能与果园偏重于施P肥有关。(2)分析了苹果园地土壤高光谱特性及其与主要速效养分的关系。对苹果园地土壤高光谱进行断点校正、去噪增强光谱特征,并分析了光谱反射率与土壤速效养分含量的关系。土壤原始光谱反射率主要集中在0.05-0.45之间,各土壤样本的反射率曲线波长范围内趋势基本一致;400-2100nm范围内土壤光谱曲线总体呈上升趋势,2100-2450nm范围内土壤光谱曲线总体呈下降趋势;在1400nm、1900nm、2200nm附近存在较为明显的水分吸收谷。土壤AN含量与光谱反射率成正相关,土壤AN含量越高,光谱反射率越高。土壤AP和AK含量与光谱反射率成负相关,土壤AP和AK含量越高,光谱反射率越低。(3)确定了苹果园地土壤主要速效养分的研究尺度、特征因子和敏感波段。基于原始光谱反射率进行了数学变换与连续小波变换的耦合处理,通过相关分析法确定出光谱敏感度较高的研究尺度和特征因子,基于多元逐步回归(SMLR)分析法筛选了敏感波段。确定出土壤AN的研究尺度为6、7尺度,特征因子为1515、1518、1521、1567、1569、1853、1854、1887nm,土壤AP的研究尺度为第5、8尺度,特征因子为1060、1080、1081、1096、2352nm,土壤AK的研究尺度为第1、7尺度,特征因子为862、1008、1370、2481、2482nm。在确定的研究尺度上,通过SMLR对果园土壤的AN、AP、AK筛选特征波段,其中AN的最佳建模特征波段为737、803、1567、1671nm;AP的最佳建模特征波段为459、1237、1953nm;AK的最佳建模特征波段为414、423、438、463、492、538、544、802、820、824、901、1047、1142、1277、1300、1393、1694、1995、2050、2123、2251、2327、2401、2449nm。(4)构建并优选出果园棕壤主要速效养分的估测模型。采用多元线性回归分析(MLR)和偏最小二乘回归分析法(PLS)构建优选了苹果园土壤中AN、AP、AK含量的估测模型。其中,AN含量的最佳估测模型为(√R)′AN-CWT-MLR,建模集R~2为0.7422,RMSE为17.6443;AP含量的最佳估测模型为(√R)′AP-CWT-MLR,建模集R~2为0.6661,RMSE为28.2410;AK的最佳估测模型为Ln RAK-CWT-MLR,建模集R~2为0.8707,RMSE为7.8748。(5)提出了苹果园地土壤速效养分高光谱监测的技术方案。基于对苹果园地土壤主要速效养分高光谱估测的关键技术方法和全过程环节,结合研究结果,集成优化,提出了面向日常管理的流程式苹果园地土壤速效养分高光谱快速监测技术方案。本文利用土壤高光谱反演技术,探究了苹果园地土壤AN、AP、AK的光谱特征,建立并优选了估测模型,提出了苹果园地土壤主要速效养分快速监测的技术方案,为高光谱技术应用于果园土壤养分日常监测管理提供了参考方案。
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