摘要
黄土高原旱地农业生产区是中国重要的大豆生产基地之一，农田覆盖和氮素施用被广泛用于提高该地区的大豆产量。然而，该地区年内降雨分配不均、氮素资源利用效率不高，提高雨水资源利用率、降低氮肥施用以及提高大豆氮素诊断效率和准确性对促进旱地农业可持续发展具有重要意义。本研究设置四个氮素水平（N0：0kgNha-1，N1：60kgNha-1，N2：120kgNha-1，N3：180kgNha-1）和四种覆盖方式（NM：平作无覆盖、SM：平作秸秆覆盖、FM：垄覆地膜沟无覆盖、SFM：垄覆地膜沟覆秸秆），分析了不同覆盖方式和施氮量对大豆干物质积累、种子产量、水氮利用效率和经济效益等的影响。利用多/高光谱技术获取冠层光谱信息，构建光谱指数，并使用机器学习模型对大豆叶面积指数（LAI）、干物质积累量、叶绿素含量、种子产量和根域土壤含水率进行了监测分析；构建了基于大豆叶绿素含量氮素营养指数（NNI）诊断模型。得出以下主要结论： （1）覆盖方式和施氮量对大豆生长、产量形成及经济效益的影响 覆盖方式和施氮处理均能提高大豆产量。两年试验中，FMN2的干物质积累量和产量最高，分别为18471.0kgha-1和5048.7kgha-1。FMN2的净收益最高，平均为14162.6CNYha-1。 （2）覆盖方式和施氮量对大豆根系生长和水氮利用的影响 相同覆盖方式下，大豆的根长密度（RLD）、根表面积密度（RSAD）、根体积密度（RVD）和根干重随着施氮量的增加先增加后减少，均在N2达到峰值，分别较其他施氮量增加8.5%~111.8%，3.6%~48.8%，6.8%~123.1%和6.4%~32.6%；施氮量相同时，大豆RLD、RSAD、RVD、根干重和根冠比在FM获得最高值，分别较其余覆盖处理高3.4%~24.2%，5.0%~21.2%，4.3%~24.2%，6.4%~31.3%和0.9%~8.3%。覆盖方式和施氮量的交互作用对2a大豆的水分利用效率（WUE）有显著影响（Plt;0.05），FMN2下2a的WUE值最高，分别为12.83和13.72，较其他处理增加了6.6~78.0%和1.9~66.8%。与其他覆盖方式相比，FM的土壤氮素残留量明显降低，FM下N0、N1、N2和N3分别比其余覆盖方式下低6.6%~34.2%、9.9%~50.3%、22.6%~44.8%和9.5%~27.7%。 （3）覆盖方式和施氮量对大豆叶片叶绿素荧光特征和氮素盈亏状况的影响 覆盖方式、施氮量及其交互作用对叶绿素含量和叶绿素荧光参数均有显著影响（Plt;0.05）。叶绿素含量与施氮量呈二次曲线关系，N2的叶绿素含量最大。全荚期N2的叶绿素含量分别比N0、N1和N3增加了20.3%、4.3%和7.4%；相同施氮量下，FM的叶绿素含量值最高，较其他覆盖方式提高了0.4%~11.6%。相同施氮量下，FM的最大光化学效率（Fv/Fm）、实际光化学效率（ΦPSII）和光化学淬灭系数（qP）值均高于其他处理，非光化学淬灭系数（NPQ）与Fv/Fm、ΦPSII和qP的变化趋势相反。本研究表明叶绿素含量与叶片各功能参数（LAI、LNC、光合参数和叶绿素荧光参数）均显著相关性（Plt;0.05）。根据氮素营养指数（NNI）可知不同覆盖方式下，N1和N2的NNI接近1，比较符合大豆整个生育期对氮肥的需求，可获得较高的产量。 （4）大豆生理生长的光谱监测和氮素盈亏状态诊断 利用高光谱技术对大豆LAI进行估算时，最优大豆LAI估算模型验证集的R2，RMSE和MRE分别为：0.880，0.320cm2cm-2和9.572；构建地上部生物量估算模型时，模型验证集R2，RMSE和MRE分别为：0.744，1548.140kgha-1和18.769；对大豆种子产量进行预测时，全荚期大豆产量预测模型的精度最高，验证集R2，RMSE和MRE分别为：0.818，287.539kgha-1和7.128；构建大豆根域土壤含水率估算的模型中，使用1.5阶微分处理后的光谱反射率能提高模型精度，验证集R2，RMSE和MRE分别为：0.792，0.004和2.380；构建大豆叶绿素含量进行估算模型时，验证集R2高达0.854，RMSE和MRE分别为2.765和5.758。另外，最优光谱指数能准确估算大豆的NNI。研究结果将为遥感技术在大豆生产中植物生长监测和氮素诊断的潜在应用提供技术依据，为作物产量的快速估算提供应用参考。
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