無損測試技術在玉米氮素營養診斷上的應用研究現狀

【摘 要】關于玉米氮素營養診斷的研究一直備受關注，隨著相關領域科技水平的不斷提高，氮素營養診斷的無損測試技術不斷發展，本文主要論述了無損測試技術在玉米氮素營養診斷中的應用研究現狀。

【關鍵詞】無損測試；玉米；氮素；營養診斷

在所有的農作物中，玉米是最能耐受土壤和肥料中高氮素量而不致影響產量的作物。因此，玉米的氮肥用量常常過高，這在造成氮肥巨大浪費的同時，付出的環境代價也是無法估量的。準確、及時地對玉米進行氮素營養診斷，從而確定氮肥施用量，提高氮肥利用率具有十分重要意義?；谕寥篮椭参锝M織的實驗室分析診斷方法普遍要求破壞樣本，且需要耗費大量的人力、物力，時效性差，不利于推廣應用。隨著相關領域科技水平的不斷提高，氮素營養診斷的無損測試技術日趨成熟[1]。

無損測試技術是指在不破壞植物組織結構的基礎上，利用各種手段對作物的生長、營養狀況進行監測?？梢匝杆佟蚀_地對田間作物氮營養狀況進行監測，并能及時提供追肥所需要的信息。傳統的氮素營養診斷無損測試方法主要有肥料窗口法和葉色卡片法，近年來，葉綠素儀和遙感技術成為研究的熱點，本文主要對其在玉米氮素營養診斷上的應用研究現狀做以介紹。

1 葉綠素儀法

研究表明植物的葉片葉綠素含量與葉片含氮量密切相關，因此，可以通過測定葉綠素含量來監測植物氮素狀況。據此原理，日本的MINOLTA公司在20世紀80年代末設計和制造了SPAD-501葉綠素儀，隨后又推出SPAD-502葉綠素儀，用來進行田間作物氮素診斷及施肥推薦。

我國已經廣泛開展采用葉綠素儀進行玉米的氮素診斷和氮肥推薦的研究。李志宏研究葉綠素儀在夏玉米氮營養診斷中的應用時發現，應用葉綠素儀（SPAD-502）監測夏玉米氮營養狀況的最佳測定部位為葉基部開始40%～70%區域，該部位葉綠素儀測定值與玉米全氮、施氮量及產量之間均有較好的相關性[2]。李占成研究也認為葉綠素儀（SPAD-502）測定值與玉米葉片全氮含量、玉米子粒產量以及施氮量之間均有顯著相關性[3]。為消除品種之間和生長環境的不同對SPAD值所帶來的影響，李志宏與李占成分別采用相對葉綠素儀測定值校正法，提高葉綠素儀對玉米追肥推薦中氮營養狀況的預測精度，但是無法完全消除外部因素對葉綠素值的影響，甚至會影響葉綠素儀發揮其快速、簡便的特點[2-3]。而不同的玉米品種在不同的生長階段，SPAD值差異較大，需要針對不同玉米品種建立不同的SPAD值的診斷標準。由上述可見，如何進一步克服干擾因素的干擾、提高診斷的可靠性和普適性仍是研究的重點。

2 光譜遙感分析技術

2.1 敏感波段研究

20世紀70年代以來科學家們進行了大量的基礎研究尋找氮素的敏感波段及其反射率在不同氮素水平下的表現，探討利用光譜診斷氮素的可能性。研究發現許多植物在缺氮時無論是葉片還是植物冠層水平的可見光波段反射率都有所增加，Blackmeretal研究發現，550nm和710nm波長處的反射率能更好地診斷玉米氮素含量，并且指出R550-600/ R800-900能敏感地反映出氮素脅迫。易秋香研究發現玉米全氮含量與原始光譜在716nm處具有最大相關系數（r=- 0.847），呈極顯著負相關[4]。周麗麗對試驗玉米品種研究發現，3個品種（組合）都在500～649nm和691～730nm表現極顯著的負相關關系，并在同一波長獲得最高的相關系數，說明可以利用統一的波段來預測不同品種的葉片氮含量[5]。

2.2 葉片光譜指數與模型研究

明確了玉米的氮素敏感波段后，許多學者便通過各種統計方法來尋求含氮量與光譜反射率或其演生量的關系，并建立模型來估算作物的氮素含量[6]。王磊在玉米關鍵生育期有針對性地選擇第6片完全展開葉和第12片完全展開葉（果穗葉）進行光譜監測，發現紅邊斜率、綠峰最大反射率、比值植被指數和歸一化差值植被指數與葉片氮含量均存在較好的相關關系，并選擇比值植被指數與葉片氮含量建立估測模型，確立玉米生育前期以對數模型，生育后期以指數模型為氮素營養的光譜診斷模型[7]。陳志強在構建玉米葉片氮素含量的預測模型時發現，以光譜指數DSI（564，681）和DSI（681，707）構建的指數預測模型效果最好，預測精度達93.43%和93.39%，能有效估測葉片氮素含量[8]。周麗麗依品種建立了葉片含氮量與歸一化差值光譜指數（NDSI）或比值光譜指數（RSI）的定量關系模型，NDSI（714，554）和RSI（714，554）所建模型的擬合度最好[5]。易秋香試驗研究發現由759nm處的光譜反射率一階微分值所構建的指數模型作為對玉米全N含量的預測模型最為理想[4]。

此外研究表明，玉米的不同生育時期，其光譜響應的敏感程度和敏感波段存在差異。玉米氮素光譜營養診斷的敏感時期是拔節期和喇叭口期，拔節期和喇叭口期采用可見光波段的光譜反射率可靠性較高，而開花吐絲期采用近紅外波段的光譜反射率可靠性較高，且兩波段組合光譜變量對葉片葉綠素和全氮含量的判別精度高于單一波段的判別精度[9]。由此可知，在不同的玉米生育期，應選擇相應的敏感波段，構建相關度高的光譜參數來診斷作物的營養狀況。金梁研究發現拔節期和抽雄期的最佳光譜指數是GNDVI，大喇叭口期則以REP-LI為最佳光譜指數[10]。

2.3 玉米冠層光譜研究

作物冠層光譜分析對作物生長信息的快速獲取，營養診斷及精確管理均具有重要的意義，在玉米冠層光譜分析方面，張俊華研究發現缺素使冠層光譜反射率在可見光波段增加，在近紅外波段降低?？梢姽獠ǘ畏瓷渎剩?60nm除外）與夏玉米含氮量呈負相關，整個生育期以560nm反射率與作物含氮量相關性最佳，冠層光譜在可見光范圍內與含氮量的相關性優于近紅外波段[11]。孫紅研究不同施氮水平下玉米冠層光譜反射特征分析時發現施氮水平偏低區域的葉片冠層反射率在整個可見光區均明顯高于其他施氮水平，偏高和正常施氮區域內葉片光譜反射強度基本相同[12]。也有學者運用圖像處理技術對玉米冠層葉片的近地多光譜圖像進行分析，建立玉米葉片氮素營養含量的估測模型[13-14]。研究表明，多光譜圖像分析也可實現對玉米冠層氮營養含量的快速估測。但是冠層光譜反射特征受到植株葉片水分含量、冠層幾何結構、土壤覆蓋度、大氣對光譜的吸收等因素的影響[15]，大大限制了利用遙感進行玉米氮素診斷的可靠性和普及性。

3 結語

氮素營養診斷是玉米營養診斷的核心，是科學合理施用氮肥的主要依據。無損測試技術實效性好、準確度較高，但天氣條件、品種類型以及其他脅迫因子的干擾影響無損測試技術的研究和實際運用，因此，對于主要干擾因素的研究會成為今后研究的重點。

參考文獻

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