近紅外光譜技術在草業科學研究中的應用及展望

巨 輪

（甘肅省蘭州職業技術學院，甘肅 蘭州 730000）

近年來，新的檢測技術和方法在中國得到了迅速地創新和發展。它具有反應速度快、樣品不容易破碎、操作比較簡單、穩定性好、效率較高、污染較小、成本較低等一系列特點。主要用在現代農業、林業、畜牧業和食品工業，目前，這項技術已在草原管理、生態、草坪管理、種子選擇等領域得到應用和研究，將成為有效補充傳統科研方法的一種新的研究方法，這項技術就是近紅外光譜分析技術，這是一項新的技術適用于農業檢測方面的應用。并且，此技術可以大大優化傳統的檢測技術。

在新的國家教育目錄中，草業科學從傳統的畜牧業中分離出來，形成一門單獨的學科，命名為草學。這門學科隨后的發展壯大，帶來了歷史性的變革。草學是從草原資源到農業生產的系統科學，由植物生產層、動物生產層和其他生產層。隨著社會經濟的發展，草學在新的領域得到了應用，特別是有更多的新方法和新技術可以融入到草學之中。一些新的檢測方法，如近紅外光譜法就是一個很好的例子，因為一些傳統的檢測方法需要大量的測試，在檢測的時間上也需要大量的花費，與此同時，在檢測的費用方面也是比較高的。在某些情況下，取樣可以根據情況、條件等達到理想狀態。然而，這項新技術能夠成功地解決這些問題，促進草原科學研究領域的拓展，為草業科學研究做出一定貢獻。

1.NIRS技術在牧草及育種方面的運用

優質的牧草飼料對于現代牧草畜牧業發展是非常重要的，這些牧草的質量很大程度上取決于畜牧產品的質量和生產力。近紅外光譜法廣泛應用于飼料營養成分、飼料混合成分和飼料營養成分的檢測分析。同時，對牧草新品種的選擇有積極的影響。接下來，我們將討論飼料草和飼料種子的營養成分，以及紅外光譜在新草品種選擇中的應用。

1.1 測定牧草及牧草種子營養成分

牧草的葉片含量是飼料選擇、生產和利用的重要指標，適當的人員對飼料、畜牧業和消化都很重要。然而，它仍然是由人工分離葉片和葉片決定的，這需要大量的時間和精力。他們利用近紅外光譜方法對當地兩個苜蓿品種葉片含量進行了準確的預測，發現不同種類苜蓿的模型不能相互使用。他們利用近紅外光譜法建立了41個樣品中苜蓿含量的預測模型，他們通過近紅外光譜區的光譜法直接測定苜蓿青貯飼料新鮮樣品的營養價值，建立實時模型，測量新鮮青貯飼料、生蛋白、中性洗滌纖維和酸性纖維中所含的不同品種、干燥物質。采用不同開花期和不同青貯形態比較氨和乳酸的發酵品質，建立了標準化的醋酸和丁酸指標模型，對飼料營養價值的快速測定具有積極意義，準備牲畜的日常飲食，提高飼料質量。他們利用近紅外光譜法追蹤干蛋白和生蛋白中新鮮苜蓿和飼料混合物的含量。飼料種子質量是成功生產優質飼料的主要前提，而種子質量是保證大規模種植優質飼料成功的最重要因素。種子品種、種子純度、種子發芽量、水分平衡和種子活力是影響種子質量選擇和品質確定的重要原始指標。探討了近紅外光譜法在種子和飼料質量控制中的應用前景。傅立葉變換得到的紅外光譜信號，能夠及時有效地監測和控制玉米品種和優質水稻品種種子水分變化和活力，滿足建立玉米種子快速質量控制體系的需要。

1.2 選育新的牧草品種

在優質牧草新品種的傳統育種方法中，其中包括了相關品種的引進和推廣標準育種方法和栽培條件、對于牧草的相關性狀質量檢測和育種相關研究成果，是傳統牧草遺傳育種方法在現代實踐中的重要創新，而近紅外光譜技術應用在優良牧草種子選育研究方面則也初步進行做出了較為有益創新的初步嘗試，在其遺傳次生代謝產物鑒定預測、病蟲害抗性篩選鑒定、非生物環境脅迫的抗性檢測等各方面應用都逐步展示體現出了基于其育種技術創新的巨大價值。應用技術領域主要體現在植物園樣分析技術、改進育種流程、加速育種的進度和多方面探究育種的相應機理上。在這些方面上，近紅外光譜技術都對牧草新品種的選育做出了很大的幫助，并且可以幫助選出更好的品種得以發展。

2.NIRS技術在草地資源管理方面的應用

傳統的天然草地很大，分布也很廣泛，主要是利用重在利用輕在管理的管理方法，嚴重破壞了草坪上的環境。大多數牧場都會隨著全球氣候的變化和人類的過度使用而在不同程度上退化。牧草退化不僅包括現有優質牧草數量的減少，還包括主要種植區土壤的退化和枯竭。因此，對草原進行監測和后續管理尤為重要。傳統的研究方法效率低下，實地工作極為困難。近紅外光譜技術的引進和應用將為其提供新的動力，近紅外光譜技術在草地資源管理方面的應用就可以很大程度上解決人們對于草坪環境不愛惜所帶來的問題，幫助草坪進行合理化的管理，使草坪環境得以被保護。

2.1 測定并分析土壤環境

氮、磷和鉀是三種在肥料之中常見的元素，其在土壤中的含量是反映土壤肥力的重要指標。由于牧草種類不同，在牧草管理中應根據土壤質量采取適當的施肥措施。近紅外可見光和光譜學分析發現了不同分餾土壤的損傷，可以較好地對砂質土壤、土壤和粘土進行分類，具有較強的應用價值。在牧草管理的系統之中，牧草被牲畜喂養和踐踏，導致土壤的相關密度被提升，這就限制了植物根系生長，其中包括對于水分的接收與滲出，使牧草不能夠正常地生長。結合近紅外反射器，土壤壓實機可同時測量土壤中的水分、密度和粘土含量，可快速、方便、實時地檢測影響植物生長的不利條件。其他研究人員還利用紫外、可見光和近紅外反射光譜，測定了土壤pH值、有機碳的含量、相關的交換陽離子、一些鈣和鎂離子，并建立了能夠獲得良好效果的模型。同時，在畜禽糞便堆肥研究中，應用近紅外區域的諧波分析方法。此外，3S技術在農業資源評價、防治農業病蟲害、提高農產品質量等方面發揮著重要作用。

2.2 檢測草坪中的蟲害

在牧草管理之中鼠害監測控制是比較重要的組成部分，對與牧草健康可持續發展方面具有重要意義。在相關的研究之中我們可以看出，嚙齒動物、昆蟲和蝗蟲引起蟲害的具體時間和種類因草原類型而異。主要監測要素一般歸結為“蝗蟲”原理和其他影響因素，這些因素通常針對植被生態破壞機制。例如，在研究蝗蟲生態學的方法中，蝗蟲最適宜的棲息地主要是監測、分析和評估，以及對蝗蟲最可能棲息地區的預測進行間接分析。雖然采用高分辨率光譜遙感和近紅外技術對蝗蟲進行監測和分析，但其定量監測方法仍不利于對農田進行監測和稻鼠害蟲控制。由于其在空間物體定位、實時信息采集、信息綜合處理和利用等方面具有獨特的綜合優勢，很快將成為開展該領域科技研究的重要工具。

3.NIRS技術在草坪管理方面的運用

近年來，國外有人嘗試將這種近紅外光譜法應用于高爾夫球場草坪的管理之中。在應用過程中，它具有操作方便、工作效率高、試驗結果可靠、鏡面覆蓋范圍廣等優點。而國內在草坪的管理方面還尚未涉及近紅外光譜技術，所以說涉及的有關近紅外光譜技術在草坪管理中的應用基本都是高爾夫球場草坪管理方面的相應研究，我相信在中國的大力發展下，一定也會很快將此項技術盡快應用在相應草坪的管理當中。

3.1 檢測草坪的土壤環境

有許多草坪的特性都直接或者間接的影響著其中的土壤環境，就比如說土壤的營養成分還有其中的含水量，還有草坪的相關色澤情況和生長情況等，包括草坪的輔助管理，包括施肥、修剪和灌溉。目前，球場管理措施一般是根據對草坪性質的主觀判斷，結合生態條件和季節變化來實施的。在草坪土壤養分成分分析方面，采用近紅外光譜法對水分進行掃描，所得到的土壤層的相關光譜數據與傳統試驗結果的大部分以上都是有關的。灌溉是草坪管理和保護的重要措施之一，特別是在高爾夫球場，灌溉是日常維護的必要措施。近紅外光譜法通過實時分析土壤濕度等相關環境參數，可以及時確定合理的灌溉時間和灌溉量。建立了模型，分析了土壤濕度與近紅外光譜區光譜的關系。采用近紅外光譜法，利用數據預測草坪土壤濕度，對預測結果進行模擬，并與實際R＞0.8土壤濕度數據進行相關系數，采用近紅外光譜方法對草坪上植物的多光譜圖像進行了分析，所得結果表明，草坪水分含量與草坪的反射率有一定的相關性，可用于預測草坪短期用水需求。

3.2 測定草坪草的元素含量

草坪氮素含量是草坪肥料管理的重要指標，同時通過近紅外光譜分析和傳統凱爾德法氮化法測定狗牙根草坪草中氨含量的程度。結果表明，兩種截然不同的檢測方法與實際測量所得的氨含量數據之間存在顯著相關性。利用不同的方法進行測試的話，也會出現很明顯的線性相關關系，因此，初步可以得出結論，作為一種比較可靠、有效的植物分析方法，考慮草坪上的草本植物種類和草原植物不同的植物土壤，可以更迅速、準確地定量測定氮中的碳含量。采用近紅外光譜方法對鉀、鈣、鎂、鐵等微量元素進行了預測。雖然預測結果和傳統檢測結果均為陽性，但是精度不高。此技術對于整體草坪草元素含量的測定還是比較準確的，利用測技術來測定草元素含量可以很好地幫助草坪的管理，更能細致地看到草坪的相關狀態，并可以更好地知道該如何去對草坪進行合理化的管理。

3.3 測定草坪的整體質量

草坪外觀質量評價是草坪質量評價的重要組成部分，目前國內外主觀視覺方法簡單，但誤差較大；雖然化學分析和測量方法可以量化和提高各種屬性的準確性，但它們涉及大量的成本和時間。因此，它在草坪質量評價中的應用非常有限，特別是在高級管理人員運動草場和高爾夫球場的質量評價中。近紅外光譜技術不受時間、空間、采樣率等因素的影響。可方便地測量和跟蹤外部評價的顏色、密度、均勻性、覆蓋率等指標。首次采用NIRS方法獲得了草坪栽培的光學數據，并利用草坪葉綠素含量的測量數據建立了草坪質量自動評價系統。前對草坪病害的預測判斷主要是根據主觀經驗進行的。在高爾夫球場的草坪上和寒冷季節的草坪上，預測會出現褐變和硬幣斑點，相關性高，精度約為90%。通過近紅外光波對草坪濕度的反射，預測了枯萎和褐斑。結果表明，枯萎的癥狀可準確預測到。采用近紅外光譜技術進行檢測，控制草坪氮氣含量和葉病范圍，及時跟蹤預測良好的效果。采用近紅外光譜法評價了羊茅真菌感染的發生率，所得結果在實際應用中得到廣泛的認可。

4.總結與分析

紅外光譜學是近年來在化學分析方面發展迅速的高科技分析技術。目前，我們還沒有更好、更有效的方法、工具和方法，對植被和草原資源進行調查、管理和監測，實時監測地面植被根系生長動態，綜合采集地下生物量資源。最重要的技術是對草原植物及其地下生物資源進行快速、大規模、無明顯損害的測繪。將草原土壤生態試驗與近紅外光譜技術相結合的科研成果逐漸得到廣泛的發展。其產品對系統地研究或開發土壤生物量測量方法和地下根肥分配機制具有很高的理論和技術可行性，也為草原的科學管理和有效利用提供了可靠的技術支持。第三，由于牧草退化，對嚙齒動物、病蟲害的區域頻率和遺傳過程的監測非常有效。在此后的發展中我們也應多發展紅外光譜技術，盡可能的在更多的領域進行應用，與此同時，也可以在草業科學研究中做出更多的貢獻。幫助草業科學發展，這不僅僅是對于草業科學的幫助，更多的是對草業的保護與研究，對環境的保護，使整體的發展可持續化。