劉茂成

摘 要：為快速便攜診斷玉米氮營養(yǎng)狀況，本文概述了氮營養(yǎng)診斷的方法，光譜技術(shù)因其諸多優(yōu)點，其應用研究也越來越多。文章介紹了植物光譜診斷的理論基礎及測量原理，著重評述了其在營養(yǎng)診斷中的國內(nèi)外研究進展。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敏感波段，尚不明確。本文就當前現(xiàn)狀，提出幾個問題。光譜診斷技術(shù)前景很廣闊。

關鍵詞：玉米；光譜；診斷；氮營養(yǎng)

中圖分類號：S513 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160332011

引言

玉米作為我國北方地區(qū)的主要經(jīng)濟作物，其種植面積不斷擴大，其總產(chǎn)量迅速增加，其相關產(chǎn)業(yè)得到較快發(fā)展，這是值得肯定的[1]。但是，近年來北方地區(qū)土地風蝕、水蝕嚴重，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]。精準農(nóng)業(yè)是未來的方向，其關鍵點是塊兒準、高而精地獲得農(nóng)田信息。本文立足當前，著重介紹通過光譜診斷新技術(shù)這一中間量，間接無損傷地獲取作物的生物屬性信息，預測其產(chǎn)量以及監(jiān)測其發(fā)育長勢，便于農(nóng)田精細化管理，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、生理病害時玉米所表現(xiàn)出的癥狀相混淆。因此，肉眼診氮在實際應用中較差[2]。

1.2 玉米氮素化學診斷

氮營養(yǎng)診斷和評價植物氮的主要方法是基于土壤和植物組織的實驗室分析，根據(jù)其臨界氮濃度，測定不同生育期植株全氮，來反映玉米的氮素營養(yǎng)狀況[1]。凱氏定氮法是測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，耗時耗力，難以實現(xiàn)規(guī)?；茝V。

2 現(xiàn)代光譜診斷技術(shù)

光譜診斷技術(shù)是基于被測物質(zhì)對光譜特征波長的選擇性吸收、透射和反射特性，來進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系

氮素是植物生命周期內(nèi)最基本的營養(yǎng)元素之一，支持著其光合作用和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，影響著植物的生長發(fā)育、果實總產(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波長處的光葉綠素吸收最強， 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 葉綠素相對含量診斷

葉片氮含量的分布和葉綠素含量分布趨勢類同，因此可通過測定玉米葉片葉綠素含量來反演玉米植株氮含量。研究發(fā)現(xiàn)，940nm 和 650nm 附近波長的反射率是葉綠素的敏感點[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，兩波段取對數(shù)后作差可以提高葉綠素相對含量精度。

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

據(jù)此，日本美能達公司于20世紀80年代末推出了一款便攜式葉綠素診斷儀（簡稱SPAD-502），用于田間作物氮素診斷，根據(jù)模型計算追施肥量。研究表明，利用SPAD給東北春玉米追施肥，尿素的預測準度達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度量。通過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，公式的表達方式不同。通常植被指數(shù)的設計是選用可見光和近紅外光的組合來設計的。近紅外和紅色可見光的比值與其植被對應的葉綠素真實含量密切關聯(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參數(shù)，使用660nm紅光反射率和940nm近紅外光反射率組合來設計NDVI。NDVI值與其所在的植被葉綠素含量趨勢相同。

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

3 結(jié)論與展望

大量的研究證明，光譜的探測和分析方法，證明了玉米氮營養(yǎng)狀況與其特征光譜存在相關關系。通過對作物敏感區(qū)光譜波長分析，能有效獲得基礎信息及作物營養(yǎng)狀況。最終對玉米營養(yǎng)狀況直觀準確地判斷，調(diào)整肥料追施量，達到高產(chǎn)優(yōu)產(chǎn)的目的?，F(xiàn)今玉米氮營養(yǎng)診斷存在如下問題：

測得的植被指數(shù)與追施肥量模型之間的關系不統(tǒng)一，無法劃分等級。

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

光譜儀大部分是進口，成本高，人機不友好，能否在原理的基礎上，研制出國產(chǎn)的高精度光譜診斷儀，這就需要跨專業(yè)強強聯(lián)合，精研光電傳感器、電子電路以及大量的后續(xù)試驗。

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

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

參考文獻

[1]賈良良，孫欽平，陳新平.應用可見光光譜進行夏玉米氮營養(yǎng)診斷[J].光譜學與光譜分析，2009， 29（2）：432-436.

[2]薛利紅，羅衛(wèi)紅，曹衛(wèi)星等.作物水分和氮素光譜診斷研究進展[J].遙感學報，2003，7（1）：73-79.

[3]王磊，白由路.基于光譜理論的作物營養(yǎng)診斷研究進展[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2006，12（6）：902-912.

[4]何勇，彭繼宇，劉飛等.基于光譜和成像技術(shù)的作物養(yǎng)分生理信息快速檢測研究進展[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31（2）：174-190.