1不同生育期棉花冠层NDVI值随施氮量的变化
总体上看2011年棉花盛铃期冠层NDVI值最大，盛蕾期最小，花期和初絮期NDVI值相差不明显(见图1）。随着施氮量的增加冠层NDVI值呈现“低-高”的趋势，在N2处理时NDVI值最大，随氮水平的提高NDVI值不再增加。年际间比较，2012年与2011年结果一致，这可能是由于施氮量过多之后棉株营养生长旺盛，棉花生物量迅速增加，冠层NDVI达到饱和导致出现上述结果。从NDVI值误差上看低氮处理的标准误差大于高氮处理的误差，这可能是土壤肥力差，棉花长势不均匀导致NDVI值误差大。2.2不同氮处理棉花NDVI随生育期的变化通过2011年和2012年数据可以看出棉花冠层NDVI值的动态变化变化趋势基本一致，呈现“低-高-低”趋势(见图2）。棉花从盛蕾期开始到花期，冠层NDVI值大幅度上升，在盛铃期达到最大，之后NDVI值下降。这可能由于随着生育期的推进，叶片叶绿素含量大幅度升高，对红光的吸收增大、反射率下降，近红外光谱反射率增加，使NDVI值急剧上升。但在盛铃期生殖生长大于营养生长时期光谱吸收接近饱和，并伴随有叶片脱落，可能会导致NDVI值有所降低，因此其冠层NDVI值表现以上结果。盛蕾期、初絮期的标准误差大于盛铃期，是棉花生长前期和后期长势不均或有杂草、出现病虫害，NDVI值获取受外界因素影响大所致。
2棉花冠层NDVI值与施氮量的定量关系
在棉花盛蕾期、花期、盛铃期和初絮期，随着氮肥施用量的增加，棉花NDVI值均呈线性增加的趋势(图3）。其中花期的决定系数最高（R2=0.9147），在盛铃期和初絮期相关系数较低，这与不同氮水平NDVI随生育期变化结果一致。在各个时期不施肥处理的NDVI稳定性较差，且在盛蕾期和初絮期表现更明显，可能是前期地力条件差，长势不均和后期氮肥胁迫所致。本试验中NDVI值与测定前的施氮量较累积施氮量相关性最好，这于潘薇薇等[17]研究结果一致。结果表明随着施氮量的增加，产量呈现增加后降低的趋势（见图4，注：产量数据为3次重复的平均值，氮处理间不同字母表示达到显著性差异）。2012年和2013年连续2年N0处理与N1、N2、N3、N4处理的产量差异达显著水平，N2和N3处理产量差异不显著。表明施肥量增加到一定程度，对增产效果不显著，当肥料严重过剩时反而会使产量降低。随着施氮量的增加棉花产量并不是线性的，而是施氮量超过一定量，产量反而有所下降，即棉花产量随施氮量增高呈抛物线变化（见图5）。
3不同生育期NDVI与产量的相关性分析
有表2可知棉花4个生育期不同施氮量的NDVI值与产量的相关性均表现出正相关关系，从2011年的试验结果来看，棉花盛铃期NDVI值与产量呈极显著相关，且相关系数最大（r＝0.9080），在初絮期没有NDVI值与产量显著相关性。2012年的试验结果表明棉花盛铃期NDVI值与产量呈显著相关，且相关系数最大（r＝0.8889），但在盛蕾期NDVI值与产量相关不显著。从年际间比较，2011年两者相关性比2012年相对较高，这可能由于年际间的棉花长势、测量系统误差引起的。从2011-2012年年际数据看，花期和盛蕾期的NDVI值与产量呈极显著相关，且相关系数和单个年份的相差不大，建立回归模型时可以使用年际间数据。
4棉花估产模型的建立
基于棉花冠层NDVI值与其产量的相关性，使用2011-2012年年际间的的数据建立了二者之间的线性回归模型，试图利用NDVI值估测棉花产量(见图6)。纵观棉花整个生育期，棉花盛铃期NDVI值与其产量的决定系数最大（R2=0.8062），而初絮期的决定系数最小。从显著水平看棉花花期、盛铃期NDVI值与其产量的线性关系达到了极显著水平(P<0.01)。说明利用冠层NDVI值均可以估算棉花的产量，其中以棉花盛铃期NDVI值估测产量的可靠性较高。
5棉花估产模型的验证
为探明关键生育期的棉花冠层群体参数的估测模型的准确性，用2013年独立试验资料对预测模型进行验证（n=15），选取精度（R2）、均方根差（RMSE）、相对误差（RE）作为检验指标（见表3）。通过对棉花4个生育时期的产量与NDVI的回归模型检验分析可知：模型的决定系数在盛铃期最大（R2=0.9064），在盛蕾期最小（R2=0.6812）；模型的均方根误差在盛铃期最小（RMSE为301.67kg/hm2），花期最大（RMSE为441.61kg/hm2）；模型的相对误差在盛铃期最小（RE为5.15%），盛蕾期最大（RE为15.32%）。进一步验证产量在盛铃期预测的准确度最高。
6讨论
NDVI是判断作物生长状况的重要植被指数之一，表示了植物生长状态及植被空间分布密度[18]。当其值在0-1之间时，表明植被近红外光谱反射率(NIR)与红光光谱反射率(R)反差大，说明有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大。卢艳丽等[19]利用GreenSeeker获取小麦的NDVI随生育进程表现出先升高后下降的变化趋势，且在灌浆期达到最大。这与本试验结果冠层NDVI值在棉花生育期呈“低-高-低”变化趋势基本一致。从不同施氮水平上可知，随着施氮量增加棉花冠层NDVI值增大，但施肥量达到一定程度，NDVI值不再增加。这与前人在利用GreenSeeker对玉米NDVI值随施氮量变化的研究结果一致[20]，而与胡昊等[21]小麦NDVI值随着施氮量的增加而增加的研究结果不一致，这可能是作物差异引起的。估算作物产量可以为产量图的生成提供数据支持，为生产管理提供决策。不少学者用NDVI与作物产量的显著相关性间接估算作物产量[22-23]。综合试验3年结果，棉花花期、盛铃期、冠层NDVI与产量相关性均达到了极显著水平，其中以盛铃期相关性最高。可见，利用冠层NDVI估测棉花产量是可行的。本研究建立的NDVI与产量的回归模型表明，可以利用盛蕾期、花期、盛铃期、初絮期的NDVI均可以预测棉花产量，且以盛铃期预测效果最好。这与前人研究花铃期是棉花产量形成的关键时期的观点基本一致[24]。利用棉花某一时期的冠层NDVI估产是可行的，但模型的普适性与可靠性还需要大量的试验数据进行验证。
7结论
（1）棉花冠层NDVI值随着生育期的推进呈“低-高-低”变化趋势，在盛铃期达到最大，之后NDVI值缓慢下降。棉花盛铃期冠层NDVI值最大，盛蕾期最小，花期和初絮期NDVI值相差不明显。（2）棉花4个生育期不同施氮量的NDVI值与产量的相关性均表现出正相关关系，2011年和2012年的试验结果表明棉花花期、盛铃期NDVI值与产量均呈显著正相关；从2011-2012年年际间的数据看，花期和盛蕾期的NDVI值与产量呈极显著相关（r分别为0.8479、0.8979），且相关系数和单个年份的相差不大，可用年际间数据建立回归模型。（3）在棉花4个关键生育期（盛蕾期、花期、盛铃期和初絮期）建立了NDVI值与产量之间的线性回归模型。试验使用2013年获取的NDVI数据验证估算模型，通过相关决定系数、均方根误差和相对误差的验证经济类期刊发表分析，结果表明冠层NDVI值对产量的估测在棉花盛铃期可靠性最高。
作者：李新伟 余炳凤 吕新 田敏 石宏刚 单位：石河子大学新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室
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