玉米光譜氮營(yíng)養(yǎng)診斷技術(shù)研究進(jìn)展

劉茂成

摘 要：為快速便攜診斷玉米氮營(yíng)養(yǎng)狀況，本文概述了氮營(yíng)養(yǎng)診斷的方法，光譜技術(shù)因其諸多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用研究也越來(lái)越多。文章介紹了植物光譜診斷的理論基礎(chǔ)及測(cè)量原理，著重評(píng)述了其在營(yíng)養(yǎng)診斷中的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。文章指出氮素與光譜之間存在敏感波段，而其他微量元素與光譜之間有無(wú)敏感波段，尚不明確。本文就當(dāng)前現(xiàn)狀，提出幾個(gè)問(wèn)題。光譜診斷技術(shù)前景很廣闊。

關(guān)鍵詞：玉米；光譜；診斷；氮營(yíng)養(yǎng)

中圖分類號(hào)：S513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160332011

引言

玉米作為我國(guó)北方地區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)作物，其種植面積不斷擴(kuò)大，其總產(chǎn)量迅速增加，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)得到較快發(fā)展，這是值得肯定的[1]。但是，近年來(lái)北方地區(qū)土地風(fēng)蝕、水蝕嚴(yán)重，黑土地的土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，蓄水和保肥能力大幅度降低，而農(nóng)民又單一的追求玉米的高產(chǎn)，造成肥料的極度不合理施用，使得肥料利用率持續(xù)下降，環(huán)境壓力不斷增大[2]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是未來(lái)的方向，其關(guān)鍵點(diǎn)是塊兒準(zhǔn)、高而精地獲得農(nóng)田信息。本文立足當(dāng)前，著重介紹通過(guò)光譜診斷新技術(shù)這一中間量，間接無(wú)損傷地獲取作物的生物屬性信息，預(yù)測(cè)其產(chǎn)量以及監(jiān)測(cè)其發(fā)育長(zhǎng)勢(shì)，便于農(nóng)田精細(xì)化管理，減少人力物力投入，并能提高農(nóng)作物產(chǎn)量產(chǎn)出。

1 傳統(tǒng)技術(shù)的玉米氮營(yíng)養(yǎng)診斷方法

1.1 玉米缺氮肉眼診斷

不同生育期的玉米對(duì)氨的要求是不一樣的，其缺氮癥狀亦是不同的。苗期表現(xiàn)為株竿細(xì)瘦、矮小，葉片發(fā)育緩慢，葉黃；穂期表現(xiàn)為葉色基部枯黃，從葉尖沿中脈呈V字形，邊緣仍為綠色但向上卷曲。由于癥狀與病蟲害、藥害、生理病害時(shí)玉米所表現(xiàn)出的癥狀相混淆。因此，肉眼診氮在實(shí)際應(yīng)用中較差[2]。

1.2 玉米氮素化學(xué)診斷

氮營(yíng)養(yǎng)診斷和評(píng)價(jià)植物氮的主要方法是基于土壤和植物組織的實(shí)驗(yàn)室分析，根據(jù)其臨界氮濃度，測(cè)定不同生育期植株全氮，來(lái)反映玉米的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況[1]。凱氏定氮法是測(cè)定玉米全氮的方法之一，由于該方法破壞土壤和植物樣本、操作繁瑣，耗時(shí)耗力，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化推廣。

2 現(xiàn)代光譜診斷技術(shù)

光譜診斷技術(shù)是基于被測(cè)物質(zhì)對(duì)光譜特征波長(zhǎng)的選擇性吸收、透射和反射特性，來(lái)進(jìn)行定量或定性分析的技術(shù)。植物光譜吸收、透射和反射特征波段主要分布在可見、近紅外區(qū)域。不同作物的生物特性決定了其對(duì)光譜的吸收、透射和反射特征不同。

2.1 光譜與作物氮素的關(guān)系

氮素是植物生命周期內(nèi)最基本的營(yíng)養(yǎng)元素之一，支持著其光合作用和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育、果實(shí)總產(chǎn)量和外觀品質(zhì)等。1棵玉米體內(nèi)的全氮量約為其植株干重的0.3%～5.0%，葉綠素的組成少不了氮素參與，其中葉綠素a和葉綠素b中都有氮，葉綠素是作物光合作用必不可少的[3] 。研究發(fā)現(xiàn)，645～665nm波長(zhǎng)處的光葉綠素吸收最強(qiáng)， 430～450nm處的波段次之。橙光、黃光和綠光處于葉綠素的不明顯吸收區(qū)域，葉綠素吸收綠光極其微弱，甚至最少。

2.2 葉綠素相對(duì)含量診斷

葉片氮含量的分布和葉綠素含量分布趨勢(shì)類同，因此可通過(guò)測(cè)定玉米葉片葉綠素含量來(lái)反演玉米植株氮含量。研究發(fā)現(xiàn)，940nm 和 650nm 附近波長(zhǎng)的反射率是葉綠素的敏感點(diǎn)[4]。但是單一波段的光譜易受生物量、品種、葉片厚度等的影響，兩波段取對(duì)數(shù)后作差可以提高葉綠素相對(duì)含量精度。

式中，K 為常數(shù)；IRT為中心波長(zhǎng)940nm近紅外光源透過(guò)葉片后的接收到的光強(qiáng)度；IR0為中心波長(zhǎng)940nm近紅外光源光強(qiáng)度；RT為650nm中心波長(zhǎng)紅光光源透過(guò)葉片后接收到的光強(qiáng)度；R0為中心波長(zhǎng)650nm紅光光源強(qiáng)度。

據(jù)此，日本美能達(dá)公司于20世紀(jì)80年代末推出了一款便攜式葉綠素診斷儀（簡(jiǎn)稱SPAD-502），用于田間作物氮素診斷，根據(jù)模型計(jì)算追施肥量。研究表明，利用SPAD給東北春玉米追施肥，尿素的預(yù)測(cè)準(zhǔn)度達(dá)67%。

2.3 植被指數(shù)診斷

植被指數(shù)是表示地表植被的一個(gè)度量。通過(guò)不同波段光譜變化率組合而得，它反映著植被繁衍變化的信息。其也類似SPAD原理，區(qū)別在于波段選擇不同，公式的表達(dá)方式不同。通常植被指數(shù)的設(shè)計(jì)是選用可見光和近紅外光的組合來(lái)設(shè)計(jì)的。近紅外和紅色可見光的比值與其植被對(duì)應(yīng)的葉綠素真實(shí)含量密切關(guān)聯(lián)。

NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）歸一化植被指數(shù)，是研究植被發(fā)育狀況及其所在空間內(nèi)，其分布密度的最佳指標(biāo)參數(shù)，使用660nm紅光反射率和940nm近紅外光反射率組合來(lái)設(shè)計(jì)NDVI。NDVI值與其所在的植被葉綠素含量趨勢(shì)相同。

Chen等提出一種基于光譜雙峰特征的新的估測(cè)氮素含量的指標(biāo)[152]。冠層雙峰指數(shù)（DCNI）該指標(biāo)在小麥和玉米氮素濃度中表現(xiàn)良好。玉米V8時(shí)期，INMAN等人研究發(fā)現(xiàn)其NDVI測(cè)量值與玉米產(chǎn)量之間的變化趨勢(shì)相同。在V12時(shí)期，盧艷麗等發(fā)現(xiàn)NDVI值相對(duì)玉米的葉綠素含量的變化最敏感。因此，在V8～V12時(shí)期，Green Seeker能很好的診斷玉米氨營(yíng)養(yǎng)狀況。

3 結(jié)論與展望

大量的研究證明，光譜的探測(cè)和分析方法，證明了玉米氮營(yíng)養(yǎng)狀況與其特征光譜存在相關(guān)關(guān)系。通過(guò)對(duì)作物敏感區(qū)光譜波長(zhǎng)分析，能有效獲得基礎(chǔ)信息及作物營(yíng)養(yǎng)狀況。最終對(duì)玉米營(yíng)養(yǎng)狀況直觀準(zhǔn)確地判斷，調(diào)整肥料追施量，達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)產(chǎn)的目的。現(xiàn)今玉米氮營(yíng)養(yǎng)診斷存在如下問(wèn)題：

測(cè)得的植被指數(shù)與追施肥量模型之間的關(guān)系不統(tǒng)一，無(wú)法劃分等級(jí)。

氮營(yíng)養(yǎng)診斷已經(jīng)基本確定了敏感波段范圍，而磷、鉀等元素，到底有沒有這個(gè)光譜敏感波段還是未知。

光譜儀大部分是進(jìn)口，成本高，人機(jī)不友好，能否在原理的基礎(chǔ)上，研制出國(guó)產(chǎn)的高精度光譜診斷儀，這就需要跨專業(yè)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，精研光電傳感器、電子電路以及大量的后續(xù)試驗(yàn)。

大田試驗(yàn)如何獲取有效的光譜診斷試驗(yàn)信息，分門類多角度試驗(yàn)及高效的建模方法值得商榷。

盡管現(xiàn)狀存在一定的困難，但相比實(shí)驗(yàn)室分析，鮮葉光譜分析具有諸多優(yōu)點(diǎn)，它不破壞植物生理特性、速度快、便攜、無(wú)污染輻射不需額外試劑等優(yōu)點(diǎn)。因此，基于植物營(yíng)養(yǎng)的光譜診斷有著極廣泛的應(yīng)用發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

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