水稻葉片無損監測及精準施肥技術研究

張玉屏 張義凱 王亞梁 陳惠哲 向鏡 朱德峰 王軍可 周濤 河野元渡橋啓介 崔明達

（1 中國水稻研究所/水稻生物學國家重點實驗室，杭州310006；2 佐竹機械（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州215129；3 佐竹公司，日本廣島739-8602；第一作者：cnrrizyp@163.com）

1 水稻葉片無損監測及精準施肥技術的研究背景與意義

米飯在日本的美食制作中，起到了至關重要的作用，被稱為壽司的靈魂，所以日本人對米飯始終都有極高的要求，從種植生產、儲藏到烹煮，每一步都在追求極致。隨著現代信息及物流的發達，日本大米通過各種渠道進入了我國市場，日本米飯的美味也被廣大消費者認可，其大米的食味值大多高于國內品種。其實，我們國家也有很多優良的水稻品種，但能與日本大米食味媲美的卻不多[1]。決定大米食味值的3 個主要因素是蛋白質含量、直鏈淀粉含量和水分，其中蛋白質含量和直鏈淀粉含量又占主導地位。日本食味品質好的大米其蛋白質含量在6%～7%之間，而我國大米的蛋白質含量普遍偏高，絕大部分都在8%以上，蛋白質含量過高是食味下降的直接因素，而蛋白質含量與水稻種植過程中的穗肥用量息息相關[2-3]。

隨著我國社會經濟的發展和城鄉居民生活水平的提高，對稻米的需求已由數量型向品質型及食味型轉變，優質食味水稻越來越受到人們的關注。影響稻米品質的因素除了與品種本身遺傳特性有關外，還與栽培技術中肥料施用息息相關，特別是穗肥的用量。水稻生產中氮素是水稻必需的營養元素之一。氮肥施用不當，不僅影響食味品質，而且生產成本提高，病蟲害增多和污染環境，同時造成土壤耕性變差，加重對水稻產量及品質的影響[4-5]。采用稻葉無損監測，以期解決水稻穗期肥料合理施用提高食味品質問題。精準施用穗肥，為水稻產業提質增效精準施肥及優質稻米產業化提供新方法和新技術，期望在保證最佳經濟效益的前提下，為提高當地水稻的生產效益提供科學的技術支撐。

本研究采用稻葉測氮儀對水稻倒4 葉位的葉片進行無損監測，及時獲取水稻生長過程中的葉片氮素含量，并根據3 個目標值——高產、品質、高產品質均衡，構建葉片含氮量與目標值之間的施肥診斷數據庫，實現精準施用穗肥。面積大的田塊葉片含氮量可用無人機拍攝，獲取NDVI 值以及GPS 定位圖片，對照NDVI值及葉片含氮量的相關關系，以實現按需定位施肥，達到提高食味品質的目標，為高產優質施肥方法提供依據，為智能化施肥提供標準參數及方法。

2 水稻葉片無損監測及精準施肥技術初步應用效果

2.1 無損監測葉片含氮量與化學測定值的相關性

與國家水稻產業技術體系嘉興綜合試驗站、金華綜合試驗站及佐竹公司聯合開展4 年的研究，研發適于中國應用的稻葉測氮儀CCN，通過該儀器無損監測測定值及取樣開氏定氮儀化學測定值反復驗證，大規模試驗數據的采集，建立秈稻、粳稻、秈粳雜交稻的儀器無損測定模式，使觀測值與化學測定值相一致，能實現真正意義上的無損監測（圖1）。

圖1 不同類型品種葉片含氮量

表1 穗分化期無損監測倒4 葉含氮量 （%）

表2 無損監測值與施肥數據庫的初步框架（甬優538）

2.2 初步構建穗肥施用數據庫

根據高產量型、良食味型及均衡型的目標，在穗分化期測定不同施肥條件下倒4 葉的含氮量，按照稻葉含氮量的閾值及土壤條件，構建穗肥施用數據庫，精確確定穗肥施用量，為智能化施肥確定標準（表1、表2）。

2.3 初步提出水稻無損監測智能化肥料減施技術

從圖2 可見，對于粳稻而言，隨著施肥總量的增加，產量增加；在相同基蘗肥條件下，隨著穗肥增加，產量增加；穗肥效果高于施肥總量效果，且穗肥量以2 kg/667 m2為佳。蛋白質含量隨氮肥變化的趨勢與產量變化趨勢相同（圖3），所以從產量角度來看，穗肥極其重要，肥料減施可以從基蘗肥上考慮。但從食味品質角度來看，穗肥多，蛋白質含量過高，食味品質變差（圖4）。所以，肥料的施用需要產量和品質同時考慮，運用無損監測精準施肥，可以確保水稻穩產優質。

2.4 探索采用無人機肥料補施與定位施用技術

歸一化植被指數即NDVI 值是反映農作物長勢和營養信息的重要參數之一，穗分化期水稻葉片通過無人機所獲取的NDVI 值與葉片含氮量呈線性關系（圖5）。探索結合CCN 無損監測、無人機的NDVI 值的獲取及GPS 定位的圖片拍攝，可以實現根據葉片含氮量及目標值實現大面積田塊的精確施肥及補肥，達到提高食味品質及預測食味品質與市場相銜接的目標，為稻米提質增效提供新技術, 為智慧農業的發展提供新方法，為農民的增收提供新途徑（圖6）。無人機的應用將進一步豐富大面積田塊穗肥的精確施用及精確定位補施，進而逐步實現農業生產智能化和專業化。

圖2 不同穗肥條件下的水稻產量

圖3 不同穗肥條件下的蛋白質含量

圖4 不同穗肥條件下的食味品質

圖5 水稻葉片含氮量與NDVI 值的線性關系

圖6 無人機NDVI 值的獲取與田間拍攝（浙江金華，2019）

3 水稻葉片無損監測及精準施肥技術要點

水稻無損監測施氮技術主要根據品種特性、氣候條件及土壤條件，通過稻葉測氮儀及無人機對水稻葉片進行無損監測與施肥診斷，根據既定的產量及品質目標，精確計算穗肥的施用量，達到減肥、優質、高產（圖7）。主要技術要點：

1）通過對水稻倒4 葉位葉片進行無損監測，構建穗分化期葉片含氮量的閾值，根據高產/優質目標精確定量施用穗肥，為高產優質施肥方法提供依據，為優質稻信息化智能化施肥提供標準參數。

2）水稻無人機拍攝NDVI 值的獲取及GPS 定位的圖片，以實現面積大的稻田按需精確施肥及補肥，達到提高食味品質及預測食味品質與市場相銜接的目標。

3）不同類型的水稻品種構建不同的施肥診斷數據庫，通過CCN 的無損監測及無人機NDVI 值的獲取，根據分類型監測稻葉含氮量實現穗肥的精確施用及大米食味品質的提升，為稻米提質增效提供新技術, 為智慧農業的發展提供新方法。

圖7 水稻葉片含氮量無損監測與施肥診斷

4 目前存在的問題及展望

稻葉測氮儀的無損監測及無人機的光譜拍攝以實現水稻葉片無損監測精準施肥是近年來農業領域應用的新技術，是智慧農業的新起點。水稻無損監測施氮技術主要根據品種特性、氣候條件及土壤條件，通過稻葉測氮儀對水稻葉片進行無損監測與施肥診斷，根據既定的產量及品質目標，精確計算穗肥的施用量，達到減肥、優質、高產。目前已在浙江、江蘇、云南、吉林、黑龍江等地的水稻精準施肥中應用，為稻米的食味品質提升提供了新方法。但由于水稻品種多，區域性強，各區域土壤地力也不平衡，無損監測值與施肥數據庫建設還需要進一步完善，分級標準還有待進一步細化。無人機獲取NDVI 值與無損監測CCN 值的相關關系需要進一步明確，以便在應用中進一步落地，真正實現優質稻信息化、智能化施肥，為安全、優質、綠色的中高端大米的供給提供新型的技術與方法。