鹽分對(duì)“棉花—土壤”系統(tǒng)水鹽變化的影響及監(jiān)測(cè)研究.pdf

1、鹽漬化是影響土地生產(chǎn)力的重要障礙因子，嚴(yán)重制約了糧食生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。棉花是鹽堿地種植的先鋒作物，隨著耕地面積的減少，棉花種植逐漸向鹽堿地集中，大力提高鹽堿地棉花產(chǎn)量已經(jīng)成為棉花生產(chǎn)的主攻方向。因此研究土壤鹽分對(duì)棉花水、鹽的影響及其監(jiān)測(cè)研究是當(dāng)今農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要研究課題之一。本研究以耐鹽品種中棉所44和鹽敏感性品種蘇棉12號(hào)為研究對(duì)象，基于2008-2009年在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牌樓試驗(yàn)站進(jìn)行的土壤鹽分盆栽試驗(yàn)，綜合運(yùn)用紅外測(cè)溫技術(shù)、光譜輻

2、射技術(shù)和電磁波譜技術(shù)，構(gòu)建了不同土壤鹽分下棉花水分脅迫指數(shù)模型，建立了基于光譜反射特征的棉花含水量、含鹽量和土壤電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)模型。同時(shí)，研究不同電磁測(cè)量頻率下土壤鹽分對(duì)土壤介電特性的影響，確定土壤水、鹽含量測(cè)量時(shí)與土壤離子電導(dǎo)相關(guān)的合理測(cè)量頻率段，建立土壤介電常數(shù)對(duì)土壤水、鹽含量的反演模型，為鹽漬化土壤條件下棉花水、鹽狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精確診斷提供有效技術(shù)支撐。
　　 主要研究結(jié)果如下:
　　 1.鹽分條件下棉花水分脅迫指數(shù)

3、模型的構(gòu)建及相關(guān)生理特性的變化
　　 隨鹽分水平的升高，棉花功能葉的蒸騰速率、含水量和凈光合速率呈明顯的下降趨勢(shì)，以1.25 dS m-1鹽分處理作為充分灌水(即無(wú)水分脅迫)建立了棉花水分脅迫指數(shù)模型下基線方程，以此構(gòu)建了不同土壤鹽分下棉花水分脅迫指數(shù)模型。綜合分析棉花水分脅迫指數(shù)與葉片含水量和凈光合速率的關(guān)系，認(rèn)為水分脅迫指數(shù)模型可以很好的反映棉花的受脅迫程度。
　　 2.基于高光譜參數(shù)的鹽土棉田棉花功能葉含水量監(jiān)測(cè)模

4、型研究
　　 棉花功能葉含水量的敏感波段主要位于近紅外和中紅外波段，基于上述敏感波段，構(gòu)建了最佳的(ratio spectral indices) RSI和(Normalized difference spectrumindex)NDSI，以此建立了棉花功能葉含鹽量的線性函數(shù)、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)監(jiān)測(cè)方程，比較發(fā)現(xiàn)，以1650/2220nm ratio，NDSI1(R1222，R2264)、NDSI2(R1347，R2307)、RS

5、I1(R2264，R1321)和RSI2(R2307，R1347)為自變量構(gòu)建的RWC和EWT線性回歸方程的決定系數(shù)最大，標(biāo)準(zhǔn)誤較小。利用2009年試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所建立的模型進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn):以NDSI2(R1347，R2307)和RSI2(R2307，R1347)為自變量構(gòu)建的EWT監(jiān)測(cè)模型的決定系數(shù)均較大，根均方差較小，擬合度均優(yōu)于RWC監(jiān)測(cè)模型，因此，以NDSI2(R1347，R2307)和RSI2(R2307，R1347)為自變量構(gòu)建的

6、EWT監(jiān)測(cè)模型可以用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鹽堿條件下棉花功能葉的水分狀況。
　　 3.基于高光譜參數(shù)的鹽土棉田棉花功能葉含鹽量監(jiān)測(cè)模型研究
　　 隨土壤鹽分水平的升高，棉花功能葉Na+，Cl-和SO42-含量逐漸上升，而K+和Ca2+呈相反的趨勢(shì)。基于敏感波段，構(gòu)建了最佳的RVI和NDSI，以此建立了棉花功能葉含鹽量的線性函數(shù)、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)監(jiān)測(cè)方程，比較而言，以RSI(R2306，R1347)、RSI(R2276，R1343)、

7、RSI(R2306，R1350)為自變量構(gòu)建的K+，Na+，Ca2+線性回歸方程、以RSI(R2202，R1361)、RSI(R2317，R1154)為自變量構(gòu)建的Mg2+，SO42-冪函數(shù)方程、以RSI(R2264，R1335)為自變量構(gòu)建的Cl-指數(shù)函數(shù)方程、以NDSI(R1340，R2306)、NDSI(R1346，R2276)、NDSI(R1380，R2307)、NDSI(R1200，R2211)、NDSI(R1154，R231

8、7)為自變量構(gòu)建的K+，Na+，Ca2+，Mg2+，SO42-線性回歸方程和以NDSI(R1300，R2250)為自變量構(gòu)建的Cl-冪函數(shù)方程的決定系數(shù)最大，標(biāo)準(zhǔn)誤較小。利用2009年試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所建立的模型進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn):以RSI(R2306，R1347)、RSI(R2276，R1343)、RSI(R2306，R1350)為自變量構(gòu)建的K+，Na+，Ca2+線性方程的監(jiān)測(cè)模型、以RSI(R2202，R1361)、RSI(R2317，R11

9、54)為自變量構(gòu)建的Mg2+，S042-冪函數(shù)方程的監(jiān)測(cè)模型和以RSI(R2264，R1335)為自變量構(gòu)建的Cl-指數(shù)方程的監(jiān)測(cè)模型的決定系數(shù)均大于0.69，根均方差較小，擬合度均優(yōu)于以NDSI為自變量構(gòu)建的的監(jiān)測(cè)模型，因此，以RSI為自變量的監(jiān)測(cè)模型可以用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鹽堿條件下棉花功能葉的鹽分狀況。
　　 4.基于棉花功能葉高光譜參數(shù)的土壤電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)模擬
　　 棉花功能葉光譜反射率在近紅外和中紅外區(qū)域均隨土壤鹽分水平的

10、升高而升高;以敏感波段1350 nm和2307 nm構(gòu)建的歸一化光譜指數(shù)NDSI(R1350，R2307)與土壤電導(dǎo)率的決定系數(shù)最高，基于此構(gòu)建了基于NDSI(R1350，R2307)的棉田土壤EC監(jiān)測(cè)模型:EC=-42.899 NDSI(R1350，R2307)+27.338;在光譜微分參數(shù)中，以TM影像的第5個(gè)波段(TM5-SWIR)與棉田土壤EC的決定系數(shù)最高，構(gòu)建了基于TM5-SWIR的棉田土壤EC監(jiān)測(cè)模型:EC=0.0574T

11、M5-SWIR2-2.5928TM5-SWIR+30.021。模型檢驗(yàn)的結(jié)果表明:分別以NDSI(R1350，R2307)和TM5-SWIR為自變量的監(jiān)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度均較高，分別為0.887和0.8136，根均方差均較小，分別為1.09和1.29 ds·m-1，表明利用棉花功能葉NDSI(R1350，R2307)和TM5-SWIR這兩個(gè)高光譜參數(shù)均能較好地監(jiān)測(cè)棉田土壤電導(dǎo)率。
　　 5.基于土壤介電常數(shù)的鹽土棉田土壤含水量、含

12、鹽量變化的反演研究
　　 隨土壤鹽分水平的升高，土壤中可溶性Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-含量上升，隨生育期的推遲，同一鹽分水平下土壤中可溶性Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-含量呈下降趨勢(shì)，綜合分析土壤介電常數(shù)虛部與土壤體電導(dǎo)率、土壤體電導(dǎo)率與土壤溶液電導(dǎo)率、土壤溶液電導(dǎo)率與土壤的離子濃度的一系列關(guān)系，最終建立了土壤介電常數(shù)的虛部模型。進(jìn)一步利用2009年試驗(yàn)數(shù)據(jù)

13、對(duì)土壤含水量、含鹽量進(jìn)行反演發(fā)現(xiàn)，Dobson的實(shí)部模型的R2較高(0.7428)、根均方差(RMSE)較小(1.16％)，可以很好的反演土壤的含水量狀況。在對(duì)含鹽量進(jìn)行反演時(shí)，頻率較低(f＜3Ghz)時(shí)，土壤Sc、Cl-、Ca2+的R2較高，分別為0.9417，0.6852，0.7965，RMSE較小分別為0.13g.kg-1，0.34 g.kg-1，0.09 g.kg-1;頻率較高(f≥3Ghz)時(shí)，土壤Sc、Cl-、Ca2+、Na