基于遥感的冬小麦产量与水肥利用效率分析

研究背景

冬小麦是全球重要粮食作物，水肥管理对其产量和资源利用效率至关重要。传统水肥管理依赖经验，缺乏科学依据，易导致资源浪费或效率低下。无人机遥感技术为精准农业提供了新的监测手段，归一化差值植被指数 （NDVI） 是常见光谱特征中有效反映作物健康状况和生长活力的指标，但单一指标（如NDVI）在高密度植被下存在饱和问题，很难区分高密度作物之间的差异，仅依靠 NDVI 进行此类决策可能会导致误判和次优结果。为了解决这一限制，在这项研究中引入了 canopy Contrast，作为补充纹理特征。与其他纹理功能相比，Contrast 以其独特的功能而脱颖而出。与使用单一特征相比，光谱和纹理特征的组合具有显著的优势。这种综合方法可以更全面、更准确地评估作物生长情况，尤其是在不同的水和肥料管理策略下，作物生长的差异变得更加明显。使用这种方法，可以更精确地评估水和肥料管理对冬小麦反射率特性的影响，从而能够动态调整水和肥料管理策略。

在数据采集阶段，设计冬小麦不同水平水和肥处理的试验，并收集产量数据。在冬小麦生长阶段，使用配备多光谱传感器的无人机收集多光谱数据，数据预处理后使用 DJI Terra 软件生成正射影像。利用 ArcMap 和 ENVI 软件分别提取冬小麦的 NDVI 和 Contrast 作为遥感要素。在结果分析阶段，分析不同水肥处理对冬小麦产量的影响，并确定了水和肥料管理阈值。随后，评估不同处理对水肥利用效率的影响，以确定最佳管理策略。最后，分析冬小麦对不同处理的遥感响应，并根据这些特征评估了水肥管理策略。

图1 研究技术路线

灌溉和氮肥施用水平对冬小麦产量有显著影响。在相同的氮素水平下，产量最初随着灌溉水平的提高而增加，然后逐渐稳定。W4 处理下小麦产量最高，与 W1 和 W2 处理相比分别增加了 16.23 % 和 6.47 %。在相同的灌溉水平下，产量随着氮水平的增加而增加，然后逐渐稳定。N4 处理下最高产量，与 N1 和 N2 处理相比分别增加了 46.88% 和 11.25%。进一步分析发现，冬小麦产量随着灌溉和氮含量的增加而逐渐增加。但当灌溉水平超过 120 毫米且氮水平超过 225 公斤/公顷时，产量不再明显增加，而是趋于稳定。因此，这种组合可以被认为是研究区冬小麦水肥管理的阈值。

图2 不同水肥处理冬小麦产量

图 3灌溉水平与氮肥施用水平和产量拟合

灌溉水平是决定 IWUE 的主要因素。在相同的氮处理下，IWUE 随着灌溉水平的增加而降低。W4 灌溉处理下 IWUE 最低。同时，IWUE 也受到氮水平的影响。在相同的灌溉处理下，IWUE 最初随着氮水平的升高而增加，然后趋于稳定。氮水平是决定 AENF 的主要因素。在相同的灌溉处理下，AENF 随着氮水平的增加而降低。AENF 也受到灌溉水平的影响。在相同的氮处理下，AENF 最初随着灌溉水平的升高而增加，然后趋于稳定。因此，适当提高灌溉水平可以增强冬小麦的水氮耦合效应，提高冬小麦氮素的吸收和利用。考虑到这些因素，N3W3 处理保持了高产率，同时还实现了高 IWUE、AENF 和最高的 FB。因此，N3W3 处理可以推荐为研究区域的最佳水和肥料管理策略。

图4 不同水和肥料处理的 IWUE、AENF 和 FB

在低灌溉和低氮水平下，产量较低，NDVI 相对较低，而对比度相对较高。随着灌溉和氮水平的增加，产量逐渐提高，NDVI 稳步上升，而对比度下降。然而，当灌溉和氮水平达到一定阈值时，产量趋于稳定，NDVI 不再表现出显着变化。进一步分析表明，在相同的灌溉（氮）水平下，增加的氮（灌溉）水平通常会导致 IWUE （AENF） 呈上升趋势，伴随着 NDVI 的逐渐上升和对比度的降低。然而，当比较 N3W3 和 N4W4 处理时，观察到 IWUE 和 AENF 的差异。N3W3 的 IWUE 为1.28 kg/m³，AENF 为13.33 kg/kg，而 N4W4 的 IWUE 为0.85 kg/m³，AENF 为8.48 kg/kg。NDVI 达到饱和点，难以区分两种处理之间的差异，对比度值有效地反映了高植被覆盖度下冬小麦冠层结构的变化，N4W4 表现出比 N3W3 更好的冠层均匀性。然而，N4W4 中过多的资源投入导致 IWUE、AENF 和 FB 减少。这表明，在植被密度高或作物健康生长的条件下，仅依靠 NDVI 不足以准确评估产量和资源利用效率。NDVI 与 Contrast 相结合可提供更全面的信息，从而能够更精确地评估作物生长状况和资源利用效率。

图5 不同水肥处理下NDVI和Contrast对产量和水肥利用效率的响应

图6 N3W3 和 N4W4 的 RGB 图像和对比度图像

本研究通过冬小麦试验分析了不同水肥处理对冬小麦产量、水肥利用效率以及 NDVI 和 Contrast 响应模式的影响。主要结论如下：

1.随着灌溉和氮水平的增加，冬小麦产量先增加后趋于平稳。当灌溉量达到 120 毫米，施氮量为 225 公斤/公顷时，水和氮进一步增加不再对产量产生显著影响。

2.随着灌溉和氮素水平的增加，水肥利用效率逐渐降低，而水氮协同效应可以显著提高整体水氮利用效率。

3.NDVI 和 Contrast 与产量和水肥利用效率表现出很强的相关性。在相同的灌溉（施肥）条件下，随着施肥（灌溉）水平的增加，水肥利用效率逐渐提高，NDVI 增加，对比度降低。集成 NDVI 和对比度可以精确评估冬小麦生长和水肥利用效率，尤其是在植被密度高的区域。