水稻氮营养之遥感探测技术

1、水稻氮营养之遥感探测技术水稻氮营养之遥感探测技术申雍1 ，李裕娟2 ，章国威3 ，罗正宗4 ，张爱华5 ，陈仁炫，( 1 中兴大学土壤环境科学系；2 农业试验所农艺组；3 中兴大学生命科学系；4 农业试验所嘉义分所农艺组；5 农业试验所农化组)摘要：氮肥是提高和稳定水稻生产最重要的肥料，但是在水稻生育初期很难以目视方法判别稻株的氮营养状况，利用遥感探测技术可以提供田闻稻株氮营养状况空间分布的信息，是未来实施水稻精准农耕管理的基础。对水稻植被反射光谱的分析结果指出，d R d Z7 3 5 可以分辨稻株体内氮紊的浓度，具有区别田间稻株氮营养状况空间分布的能力。于台北、台中、嘉义、和屏东四地区之测试工作，结果指出，利用d R d k7 3 5 所建立的稻株氮营养遥测模式能快速鉴别田间穗肥施用期间稻株的氮营养状态，且能适用于不同之年期与地区，可以提供做为田间穗肥精准施用的依据。依据所建立的稻株氮营养遥测模式，已开发两种可于田间测定水稻氮营养空间分布状态之技术与相关软硬件设备。一种系可架设予高空作业车上之简易高光谱影像拍摄系统，能获知田间水稻氮营养状况的整体空间分布信息，是监测田问水稻氮营养状

2、况，与研判田间水稻氮营养状况空间变异特性与产生原因的重要工具。另一种则系手持式的田间稻株氮营养状态传感器，能立即获知测定地点水稻的氮营养状况，除可用于田间氮营养状况空间分布调查外，也可与施肥作业结合组成实用的穗肥精准施用系统。 1 前言氮肥是提高和稳定水稻生产最重要的肥料，但也是最不容易正确施用的肥料，因为即使水稻在生育期中吸收有等量的氮素，但由于吸收的时期不同，稻株的型态和产量构成要素常常不同，产量也随之变动。为能控制水稻氮肥之供给，目前的肥培管理虽已将水稻氮肥分成基肥、数次的追肥和穗肥施用，但仍多凭农民个人之经验决定施肥的时间与用量，尚不能达到依稻株体内氮营养状况而施用的精准管理。由于水稻是台湾地区栽培厩积最广的作物，若能采用精准的肥培管理，适时适量的施用氮肥，除了具有提高稻作产量和施肥的经济效益外，更可以减少非点源的污染，也具有维护生态环境的积极意义。植被对太阻辐射之反射光谱已被广泛用于进行有关作物逆境种类与程度等空间分布之遥测调查中( S t e v e na n dC l a r k ，1 9 9 0 ) 。T h o m a s 和O e r t h e r ( 1 9 7

3、 2 ) 指出甜椒叶片之氮含量可由5 5 0 n m 处之叶片反射值估测，B l a c k m o r e 等( 1 9 9 6 ) , 贝w 利用叶片反射光谱在5 5 0 n m处的值判断玉米是否有氮缺乏的情形。申等( 2 0 0 0 ) 指出稻株体内之氮营养状况可利用植被指数S R V I 、N D V I 和一次微分值d R d h7 3 5 等特征值进行鉴别，但是S R V I 和N D V l只能区别稻株体内氮素是否严重缺乏，d R d X7 3 5 则可以分辨稻株体内氮素的浓度，具有可区别田问稻株氮营养状况空间分布的能力。近年来，已对该模式逐步进行改良( 申等，2 0 0 1 ；李等，2 0 0 2 ) ，并开发所需的遥测设备与相关软件( 申与李，2 0 0 2 ) 。本研究将报告4 3 4 面向农业与环境的土壤科学该遥测模式于不同地区测试之结果，以及利用该模式所发展之两种遥感探测设备的应用情形。2 材料与方法为验证模式在不同年期与地区的适用性，2 0 0 2 年一、二期作分别于台北、嘉义和屏东三地区进行不等量氮肥处理试验。所用之水稻品种、试区面积与规划和田间施肥与管理作

4、业均与申等( 2 0 0 0 ) 之研究类似。于穗肥施用期间，以可携式光谱仪( L I 一1 8 0 0 ，L I C O R ) 测定水稻植冠反射光谱，波长测定范围为3 5 0 一l1 0 0 n m 。所有植被反射光谱的测量工作皆于上午1 0 时至下午2 时之间完成，以减少反射光谱受太阳入射角变动之影响。水稻植被反射光谱测定完毕后，即于每试区采集稻株样本，携回实验室以6 0 烘干后磨碎，以蒸馏法分析植体内的全氮浓度。应用简易高光谱影像系统检测田问稻株氮营养空间分布变异可行性部分，则利用位于台中之农试所精准农业农场不等量氮肥试验田区，利用高空作业车于1 5 m 高度拍摄7 3 0 和7 4 0 n m 的影像，经微分处理并依据所建立之氮营养遥测模式，计算稻株体内的氮浓度，得到田间水稻氮营养状况之空间分布图，流程如图1 所示。再分别依据所判定之氮浓度于田间进行定位采样，每组采取8 一l O 个样本，携回实验室以6 0 烘干后磨碎，以蒸馏法分析植体内的全氮浓度。比较由影像分析和以化学分析所得之氮浓度，可做为验证由遥测影像区划田间水稻氮营养状况技术之正确性。图l 简易多光谱系统结合高空作业

5、车获取田间稻株氮营养空间分布情形的作业流程3 结果与讨论本年度在台北、嘉义、和屏东三个试验地区，不等量氮肥处理区水稻植被反射光谱的变化与以往的结果类似。不同氮肥处理在可见光段的反射光谱非常接近，因此在田间通常不易以目视方法区别稻株的氮营养状况。近红外光段的反射值则随氮肥用量之增加而升高，此与氮肥供应充足之水稻试区，其分蘖数和叶面积都显著增加有关。由于氮肥处理 4 3 5 -水稻氮营养之遥感探测技术效应使得水稻植被反射光谱在红光段和近红外光段的反射值差距增大，进而导致红光段与近红外光段地带的斜率变化加剧，因而可应用波长7 3 5 处的一次微分值辨别稻株体内的氮营养状态。三地区一、二期作，由遥测模式所推估之稻株体内氮浓度与对应之植体化学分析值，呈现1 ：1 的线性相关与分布( 图2 ) ，显示以往所研发之稻株氮营养状况遥测模式具有适用于不同地点、不同年期、与不同期作的能力。残差分析则显示利用遥测模式推估植体氮 浓度的准确度应在0 5 以内( 图3 ) 。4 3 6 图2 稻株氮营养状况遥测模式于台北、熹义、屏东地区进行验证试验的结果零菖菩重Oo O ooO oo 。紫g 妒 Oo皂o OO

6、 Oo o 矿o ”。ooo 。口O2 。Oo o oo23M o d e lP I e 出c t e dN 图3 稻株氮营养状况遥测模式估值误差之分布面向农业与环境的土壤科学图4 显示利用简易高光谱影像拍摄系统所得之田间氮营养状况分布情形，由图中影像整体之灰度值分布，即可以推断何者所施用之氮肥用量较多，即使对田中以N9 0k g h m 2 和1 3 5 k g h m 2 处理之高施用量E l j 区也能予以区别，图中亦显示各氮肥用量处理小区内，稻株之氮营养状况也具有空间分布不均一的情形。由影像分析和以化学分析所得之氮浓度则具有良好的1 ：1 对应关系正相关，显示利用所建立的氮营养遥测模式，配合所研发的简易高光谱影像拍摄系统确实可以区分田间水稻氮营养状态的空间分布情形。利用已确定之氮营养遥测模式，又另行研发一种手持式的稻株氮营养状况感应器( 图5 ) 。9 00O4 64 51 3 6 C h e m i c a lh n a l y s i sN 唧图4 利用遥测影像所得田问稻株氮营养状况空间分布图，以及与植体分析结果之比较图5 手持式稻株氮营养状况传感器使用流程及田间应用情形以

7、上结果显示，应用遥测技术则可以轻易的获得田间稻株氮营养状况的空间分布信息，不仅可以提供作为田问精准施肥作业的依据，也可作为进一步探讨空间变异为何产生以及如何控制空间变异的基础。架设于高空作业车或直升机上之简易高光谱影像拍摄系统，能获知田间水稻氮营养状况的整体空间分布信息，是监测田问水稻氮营养状况，与研4 3 7 水稻氮营养之遥感探测技术判田间水稻氮营养状况空间变异特性与产生原因的重要工具。手持式的田间稻株氮营养状态传感器，则能立即获知测定地点水稻的氮营养状况，除可用于田间氮营养状况空间分布调查外，也可与施肥作业结合组成实用的穗肥精准施用系统。参考文献： 1 申雍，罗正宗。郑世朋稻株氮营养状况遥测技术之建立 J 中华农业气象。2 0 0 0 ，7 ：2 3 3 2 2 申雍，李裕娟，章国威，罗正宗水稻氮营养之遥感探测技术 c 中华土壤肥料学会有机肥料与合理化施肥研讨会，2 0 0 1 ，2 3 5 2 3 8 3 申雍，李裕娟简易高光谱影像拍摄系统之研发与应用 c 农业试验所应用于水稻精准农业体系之知识与技术( 杨纯明、林俊义主编) ，2 0 0 2 ，1 2 9 1 3 8 4 李裕娟

8、，张爱华，申雍，章国威，杨纯明，罗正宗稻株氮营养状态检灏技术 c 农业试验所应用于水稻精准农业体系之知识与技术( 杨纯明、林俊义主编) 2 0 0 2 ，1 0 1 1 1 2 5 B l a c k m e r TM ，JSS e h e p e r s ，GE V a r v e l ，E A W a l t e r S h e a N i t r o g e n d d l c i e a t c y d e t e c t i o nu s i n gr e f l e c t e ds h o r t w a v er a d i a t i o nf r o mi r r i g a t e dc o r nc a n o p i e s J A g r o n J 1 9 9 6 ，8 8 ：1 5 6 T h o m JR ，GFO e r t h e r E s t i m a t i n gn i t r o g e nc o n t e n to fs w e e tp e p p e rl e a v e sb yr e f l e c t a n c em e a s u r e m e n t s J A g r o n J 6 4 ：1 1 1 3 7 S t e v e nMD ，JAC l a r k ( e d s ) “A p p l i c a t i o n so fR e m o t eS e n s i n gi nA g r i c u l t u r e ” M B u t t e r w o r t h s ，1 9 9 0 4 3 8

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