費(fèi) 聰， 王維成， 李陽(yáng)陽(yáng)， 樊 華

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832003； 2.石河子農(nóng)業(yè)科技開(kāi)發(fā)研究中心甜菜研究所，新疆石河子 832003)

為了及時(shí)掌握作物的生長(zhǎng)情況，除了根據(jù)外觀經(jīng)驗(yàn)判斷外，運(yùn)用傳統(tǒng)的化學(xué)方法不僅破壞植株生長(zhǎng)，而且很難快速準(zhǔn)確測(cè)定并了解作物葉綠素及氮素狀況，因而耗力費(fèi)時(shí)。目前，遙感技術(shù)是快速獲取農(nóng)田作物重要營(yíng)養(yǎng)元素及產(chǎn)量實(shí)時(shí)信息的重要手段之一，植被指數(shù)是反映作物生長(zhǎng)信息的重要光譜參數(shù)，而GreenSeeker是目前用于地面快速獲取歸一化植被指數(shù)的主要工具[1]，并在許多國(guó)家進(jìn)行了推廣和示范使用。GreenSeeker以自帶的具有高強(qiáng)度發(fā)光二極管發(fā)出的紅光、綠光和近紅外光作為自身光源，這些光經(jīng)過(guò)自身反射后再被二極管吸收和測(cè)量，并將這些信息傳遞給自身攜帶的掌上電腦，通過(guò)軟件計(jì)算出歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，簡(jiǎn)稱(chēng)NDVI)，人們通過(guò)觀測(cè)NDVI數(shù)據(jù)以分析作物長(zhǎng)勢(shì)，進(jìn)行氮素實(shí)時(shí)診斷，從而提供最佳施肥方案[2]。近年來(lái)，歸一化植被指數(shù)在作物營(yíng)養(yǎng)診斷中得到廣泛應(yīng)用[3-4]，它很好的解釋作物生理生化參數(shù)的性能已經(jīng)得到確認(rèn)[5]。研究表明，NDVI與作物的生長(zhǎng)狀況和發(fā)育時(shí)期關(guān)系緊密，可用于反演作物的葉片葉綠素含量與葉片全氮含量[6]。

甜菜是我國(guó)主要的糖料作物，近些年來(lái)由于盲目增加施肥投入，不僅提高了成本，也造成甜菜產(chǎn)量和品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響了我國(guó)的甜菜生產(chǎn)。在甜菜生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素中，以氮素對(duì)甜菜的生長(zhǎng)、塊根含糖量及出糖率的貢獻(xiàn)最大[7]。隨著研究的深入，利用GreenSeeker法對(duì)作物的營(yíng)養(yǎng)診斷及產(chǎn)量估測(cè)已經(jīng)在棉花[6]、大豆[8]、玉米[9]及小麥[10]上有所成就而在甜菜上的應(yīng)用較少。為此，本研究通過(guò)分析NDVI與甜菜葉片葉綠素、全氮含量的關(guān)系，探索運(yùn)用GreenSeeker法診斷甜菜氮素營(yíng)養(yǎng)狀況的可行性，以期為甜菜氮素營(yíng)養(yǎng)快速無(wú)損檢測(cè)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)定方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2014年在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站(地理位置45°19′N(xiāo)，86°03′E)進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)土壤為灌溉灰漠土，質(zhì)地為重壤，pH值7.3，基本肥力為土壤全氮含量0.89 g/kg，堿解氮含量0.058 g/kg，速效磷含量0.022 g/kg，速效鉀含量 0.249 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量13.25 g/kg。供試品種為Beta356(美國(guó)BETASEED公司)，試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)氮素追施比例，在甜菜葉叢快速增長(zhǎng)期、塊根膨大期、糖分積累期的比例分別設(shè)為 7 ∶2 ∶1、5 ∶4 ∶1、3 ∶7 ∶0、4 ∶4 ∶2(分別用N1、N2、N3、N4表示，其中4 ∶4 ∶2為現(xiàn)階段大田的普遍施氮模式)。小區(qū)面積48 m2(4 m×12 m)，每個(gè)處理重復(fù)3次，田間隨機(jī)排列，各小區(qū)間設(shè)1 m保護(hù)行。氮肥、磷肥、鉀肥施用量為 N 585 kg/hm2，P2O5345 kg/hm2，K2O 210 kg/hm2，將氮肥的10%與其他肥料混勻后于播種時(shí)基施，氮肥的90%追施。4月25日播種，株行距配置方式為50 cm×14 cm(即行距為 50 cm，株距為14 cm)，播種密度為14.3萬(wàn)株/hm2。滴灌帶配置模式為“1管2”模式，即1條毛管控制2行甜菜。各處理灌水量均為7 333.7 m3/hm2，其余管理同大田。

1.2 GreenSeeker法獲取甜菜冠層NDVI值等相關(guān)數(shù)據(jù)

采用美國(guó)Neth公司的GreenSeeker手持NDVI測(cè)量?jī)x分別在甜菜的葉叢快速增長(zhǎng)期、塊根膨大期、糖分積累期對(duì)甜菜冠層NDVI進(jìn)行測(cè)定。為保證其數(shù)據(jù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，選擇晴朗無(wú)風(fēng)、風(fēng)速較小或微風(fēng)的天氣在葉片露水消退后將主動(dòng)探感器探頭始終平行于甜菜冠層，測(cè)量時(shí)將光譜探照頭平行于甜菜冠層上側(cè)約0.4 m，每個(gè)小區(qū)以中間行為采樣點(diǎn)，沿行向勻速測(cè)定甜菜冠層NDVI，檢測(cè)結(jié)果通過(guò)掌上電腦采集。此外，用LI-3100測(cè)定甜菜葉面積，分析甜菜葉面積指數(shù)(leaf area index，簡(jiǎn)稱(chēng)LAI)、比葉重(specific leaf weight，簡(jiǎn)稱(chēng)SLW)，LAI=葉面積/土地面積，SLW=葉片干質(zhì)量/葉面積。

1.3 生理組分測(cè)定

葉綠素含量采用分光光度計(jì)測(cè)定，取測(cè)完光譜的葉片，擦拭干凈，用打孔器打取數(shù)片一定面積的葉片(打孔器選取的面積盡量避開(kāi)較大的葉脈和葉片兩頭部分)。采用丙酮、乙醇體積比1 ∶1的混合液浸泡，避光放置并每天搖動(dòng)1～2次，直到葉片完全變白后在分光光度計(jì)上測(cè)定葉綠素a、b與總?cè)~綠素含量：

Ca=12.71D663 nm-2.59D645 nm；

(1)

Cb=22.88D645 nm-4.67D663 nm；

(2)

CT=20.29D645 nm+8.05D663 nm。

(3)

式中：Ca、Cb與CT分別為葉綠素a、b與總?cè)~綠素含量，mg/L。

葉片全氮含量的測(cè)定采用凱氏定氮法，計(jì)算公式如下：

全氮含量(g/kg)=c×(V-V0)×0.014×1 000×m。

式中：c為標(biāo)準(zhǔn)酸溶液的濃度，mol/L；V為滴定時(shí)所用標(biāo)準(zhǔn)酸溶液的體積，ml/L；V0為滴定空白對(duì)照時(shí)所用標(biāo)準(zhǔn)酸溶液的體積，ml/L；m為干葉質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素運(yùn)籌對(duì)甜菜葉片葉綠素含量的影響

由圖1可以看出，甜菜葉片葉綠素含量隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)表現(xiàn)各異，其中N1、N2處理表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，N3、N4處理表現(xiàn)為先升高后降低的單峰曲線。各處理在不同生育時(shí)期的葉綠素含量不同，其中葉叢葉綠素含量在快速增長(zhǎng)期的排序?yàn)镹1>N2>N4>N3，在塊根膨大期的排序?yàn)镹3> N4>N2>N1，在糖分積累期的排序?yàn)镹3>N1>N2>N4。這與相應(yīng)時(shí)期甜菜施氮量變化趨勢(shì)一致，表明施用氮肥在一定程度上能夠調(diào)控甜菜葉片的葉綠素含量。

2.2 氮素運(yùn)籌對(duì)甜菜冠層NDVI的影響

由圖2可見(jiàn)，甜菜冠層NDVI隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)表現(xiàn)不同，其中N1、N3和N4處理NDVI整體降低，N2處理NDVI不斷升高。各處理在不同生育時(shí)期的NDVI各異，其中葉叢NDVI在快速增長(zhǎng)期的排序?yàn)镹4>N3>N1>N2，在塊根膨大期的排序?yàn)镹3>N1=N4>N2，在糖分積累期的排序?yàn)镹4>N1>N3>N2。

2.3 氮素運(yùn)籌對(duì)甜菜葉片全氮含量的影響

由圖3可以看出，甜菜葉片全氮含量隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)表現(xiàn)各異，其中N1、N3處理先升高后降低，N2處理先降低后升高，N4處理逐漸降低。各處理在不同生育時(shí)期的葉片全氮含量各異，其中葉叢全氮含量在快速增長(zhǎng)期的排序?yàn)镹4>N3>N1>N2，在塊根膨大期的排序?yàn)镹1>N3>N4>N2， 在糖分積累期的排序?yàn)镹1>N3>N2>N4。

2.4 氮素運(yùn)籌下滴灌甜菜葉片指標(biāo)相關(guān)性分析

選取氮素運(yùn)籌下滴灌甜菜葉片各指標(biāo)，分析各指標(biāo)與NDVI之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，NDVI與葉片全氮含量呈極顯著正相關(guān)，與其他指標(biāo)相關(guān)性不顯著(表1)，表明NDVI對(duì)葉片全氮含量具有較高的指示作用。

2.5 NDVI與甜菜葉片全氮含量模擬模型的建立

進(jìn)一步建立不同生育時(shí)期NDVI與甜菜葉片全氮含量的線性回歸方程(表2)，由決定系數(shù)看出，隨著甜菜生育進(jìn)程的推進(jìn)，NDVI模擬葉片全氮含量的擬合優(yōu)度降低。在考慮到指標(biāo)監(jiān)測(cè)的經(jīng)濟(jì)性和精準(zhǔn)性前提條件下， 可以用葉叢快速生長(zhǎng)期的NDVI模擬葉片全氮含量，具體回歸模型為

表1 氮素運(yùn)籌下滴灌甜菜葉片指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果

注：“*”表示在0.05水平上因子與主成分顯著相關(guān)；“**”表示在0.01水平上因子與主成分顯著相關(guān)。

y=2.86x-1.172，r2=0.829。

式中：y為NDVI；x為甜菜葉片全氮含量。

表2 不同生育時(shí)期NDVI與甜菜葉片全氮含量回歸方程

3 結(jié)論與討論

氮素運(yùn)籌對(duì)甜菜各生育期冠層NDVI、葉片葉綠素及全氮含量影響較大，而NDVI是甜菜生長(zhǎng)過(guò)程中冠層郁閉程度的反映。葉叢快速增長(zhǎng)期是甜菜地上部分生長(zhǎng)的重要時(shí)期，對(duì)于后期光合產(chǎn)物的生成有重要作用。N1、N3、N4處理的NDVI均在葉叢快速增長(zhǎng)期達(dá)到最大值，說(shuō)明該時(shí)期的葉片生長(zhǎng)繁茂，郁閉度較好，能夠充分利用光能。至生育后期，隨著施氮量的變化，N1、N3處理的NDVI逐漸下降，而N4處理下葉片NDVI雖在葉叢快速增長(zhǎng)期到塊根膨大期有所下降，但是在塊根膨大期到糖分積累期又略有升高，表明N4處理在甜菜生育后期仍然具有較好的郁閉度。

相關(guān)分析表明，NDVI與葉片全氮含量密切相關(guān)，尤其在葉叢快速增長(zhǎng)期NDVI與全氮含量決定系數(shù)達(dá)到0.829，呈極顯著正相關(guān)，在塊根膨大期、糖分積累期，決定系數(shù)分別為 0.348、0.012，也呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。說(shuō)明利用GreenSeeker法獲取的NDVI能夠較好地反映甜菜葉片的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況，可以作為甜菜氮素營(yíng)養(yǎng)快速診斷的手段。

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