作物氮素無損快速營養(yǎng)診斷研究進展

宋麗娟 葉萬軍 鄭妍妍 蘇戈

（1黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息中心，哈爾濱150086；2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝分院，哈爾濱150069；第一作者：songlijuan-2007@163.com）

作物氮素無損快速營養(yǎng)診斷研究進展

宋麗娟1葉萬軍2鄭妍妍1蘇戈1

（1黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息中心，哈爾濱150086；2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝分院，哈爾濱150069；第一作者：songlijuan-2007@163.com）

植物的氮素營養(yǎng)診斷技術(shù)方法有化學(xué)診斷和無損測試診斷，其中化學(xué)診斷包括植株的全氮診斷和植株硝酸鹽快速診斷；而無損測試技術(shù)則包括葉綠素熒光動力學(xué)診斷法、葉綠素儀法、機器視覺、光譜遙感等。根據(jù)作物氮素營養(yǎng)診斷方法的發(fā)展，總結(jié)了各種作物氮素營養(yǎng)診斷方法的優(yōu)缺點，提出無損快速診斷技術(shù)可作為農(nóng)作物生產(chǎn)上的氮素營養(yǎng)測定方法，有著廣泛的研究和應(yīng)用前景。

氮素；營養(yǎng)診斷；作物

作物營養(yǎng)診斷技術(shù)起源于19世紀，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精準施肥中起著至關(guān)重要的作用。隨著社會的發(fā)展和科技的進步，作物營養(yǎng)診斷技術(shù)也有了長足的發(fā)展，而且時至今日人們?nèi)匀粸閷ふ乙环N精準、快捷的植物營養(yǎng)診斷方法而不斷努力。植物的氮素營養(yǎng)診斷技術(shù)方法主要有化學(xué)診斷和無損測試診斷，其中化學(xué)診斷包括植株的全氮診斷和植株硝酸鹽快速診斷等；而無損測試技術(shù)則包括葉綠素熒光動力學(xué)診斷法、葉綠素儀法、機器視覺法以及光譜遙感等。

1 氮素無損快速營養(yǎng)診斷的意義

在全球資源危機嚴重、環(huán)境問題日益突現(xiàn)、農(nóng)業(yè)增效需求迫切等多重壓力下，在確保農(nóng)作物產(chǎn)量持續(xù)而穩(wěn)定增長的同時，怎樣提高肥料的利用效率，使減肥增效落到實處，是當今農(nóng)業(yè)科研領(lǐng)域亟待解決的重大科學(xué)理論與技術(shù)問題。水稻是我國重要的糧食作物，2016年種植面積與總產(chǎn)分別達到了0.302億hm2和2.08億t，在保障糧食安全中起至關(guān)重要的作用?；剩ㄓ绕涫堑剩┰谒旧a(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。近年來水稻產(chǎn)量水平不斷提高，與之相對應(yīng)的是，氮肥施用量也迅速增加。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，2010-2014年，全球化肥需求量增長顯著，以每年2%左右的速率在逐步增長，2013-2014年度全球化肥需求量同比增長3.1%，已達1.8億t。其中，氮肥需求量在2013年弱勢增長后有所調(diào)整，2013-2014年度增長3.1%，至1.12億t。亞洲對于化肥的消耗量則占到了總量的70%左右。我國氮肥用量1961年僅占全球氮肥總用量的5%左右，至2008年，已約占全球氮肥總用量的41%，與1990年（2 086萬t）相比增加了1倍。然而水稻產(chǎn)量增加甚微，僅增加1.1%[1-2]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，隨著氮肥施用量的持續(xù)增加，植物產(chǎn)生抗性，對氮素營養(yǎng)的利用率呈逐年降低趨勢。我國是世界上最大的氮肥生產(chǎn)國與消費國，每年對氮肥的需求量占了世界氮肥需求量的三分之一。其中，約有一半的氮肥消耗在了占三分之一種植面積的經(jīng)濟作物上，氮肥平均用量達到了16.7 kg/667 m2，這個施氮量遠遠高于世界平均水平。然而，我國目前以常規(guī)方法施肥，氮肥利用率僅為30%，而發(fā)達國家則為50%～60%，歐盟國家的氮肥利用率更是高達70%[3]。大量施用氮肥，不僅增加了生產(chǎn)成本，而且氮素的淋溶與揮發(fā)對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的負面影響。因此，提高氮肥效率、降低氮肥用量已成為水稻生產(chǎn)刻不容緩的問題。建立及時、準確的作物氮素營養(yǎng)診斷監(jiān)測體系，科學(xué)準確的制定施肥措施，合理施用氮肥，實現(xiàn)均衡施肥，使養(yǎng)分供應(yīng)與作物各生育期需肥規(guī)律吻合，對提高肥料利用率、保護環(huán)境、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)有著重要的經(jīng)濟和生態(tài)意義。

2 氮素營養(yǎng)診斷方法

氮素營養(yǎng)診斷方法可分為外觀診斷法、化學(xué)診斷法和無損診斷技術(shù)。

2.1 外觀診斷法

外觀診斷包括對植株的葉色診斷、長勢診斷和癥狀診斷3個方面。植株體內(nèi)氮素營養(yǎng)缺乏或者過剩，植物葉片顏色會發(fā)生變化，葉色診斷早在300多年前的“沈氏農(nóng)書”中就有關(guān)于對水稻進行葉色診斷追施孕穗肥的記載[4]。而氮素在植株體內(nèi)缺少或者過剩時，人們也可通過植株所表現(xiàn)出來的不同狀態(tài)以及生長形態(tài)來進行判斷。不同的營養(yǎng)元素在植株上所表現(xiàn)出的性狀是不一樣的。外觀診斷通常只適用于植株缺乏一種營養(yǎng)元素的情況。隨著農(nóng)作物品種的頻繁更新?lián)Q代以及人們在顏色上的視知覺差異，外觀診斷就顯得不那么精確，從而使其在生產(chǎn)應(yīng)用中受到限制。

2.2 化學(xué)診斷法

化學(xué)診斷法是通過測定植株體內(nèi)的含氮量并與不同植株標本進行對比，進而做出植株氮素豐缺判斷[5]。利用作物化學(xué)分析診斷方法，可通過檢測植株體內(nèi)的氮素營養(yǎng)含量來判斷植株體內(nèi)營養(yǎng)成分的盈缺，進而指導(dǎo)田間氮肥的施用，使作物產(chǎn)量達到最高，獲得更大的經(jīng)濟效益。根據(jù)氮素在作物體內(nèi)存在的不同形態(tài)，氮素營養(yǎng)化學(xué)診斷可分為植株全氮診斷、硝酸鹽快速診斷和氨基態(tài)氮診斷。植株的全氮含量可以很好的反映出植株的氮素營養(yǎng)狀況，因為植株的全氮含量與作物產(chǎn)量具有一定的相關(guān)性，通過植株的全氮含量可以反映出作物產(chǎn)量的高低。但由于植株的全氮診斷方法需要對植株進行破壞性取樣，工作繁瑣，很難在生產(chǎn)過程中進行推廣。硝酸鹽診斷和氨基態(tài)氮診斷同樣存在上述問題[4]。

2.3 無損診斷技術(shù)

無損診斷技術(shù)是在不破壞植株組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用科學(xué)的手段和方法對植株的生長、營養(yǎng)狀況進行檢測[6]。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和科技的進步，無損診斷技術(shù)正朝著精準定量化和科技智能化的方向發(fā)展，由手工測試轉(zhuǎn)向智能化測試，由單植株檢測轉(zhuǎn)向群體檢測，由過去的室內(nèi)檢測發(fā)展到室外群體檢測，并進一步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[4]。無損診斷技術(shù)包括葉綠素儀診斷、光譜遙感技術(shù)、圖像識別及機器視覺診斷等。利用無損診斷技術(shù)進行氮素營養(yǎng)診斷可以很好地監(jiān)測作物氮素營養(yǎng)狀況，從而指導(dǎo)生產(chǎn)者合理施用氮肥，以提高氮肥利用率，達到節(jié)本增效的目的。

2.3.1 葉綠素儀診斷法

植株葉綠素含量與植株氮素營養(yǎng)的利用情況呈一定的相關(guān)性[7]。葉綠素含量的高低可以作為植株氮素豐缺情況的診斷指標。20世紀80年代末日本研發(fā)推出了手持式葉綠素儀SPAD-501型和SPAD-502型。葉綠素儀具有操作簡單方便、快速獲取數(shù)據(jù)、對環(huán)境和植株無負作用等優(yōu)點?？稍谔镩g對作物無損傷的條件下測量植株的葉綠素相對含量，進而判斷植株的氮素營養(yǎng)狀況。葉綠素儀采用雙波長LED光源，分別照射植物葉片表面，通過光電信號轉(zhuǎn)換，比較通過葉片的透射光的光密度差異而得出SPAD值。SPAD值只能相對的反映作物葉片葉綠素的含量，而不是真實值[8]。目前利用葉綠素儀對作物進行氮素營養(yǎng)診斷已經(jīng)應(yīng)用到水稻、小麥、玉米等作物上[9-11]。利用葉綠素儀在田間測試植物的葉片對作物氮營養(yǎng)的狀況進行診斷，已經(jīng)在棉花、水稻、小麥、玉米和大麥等多種作物上得到了應(yīng)用和推廣[12-16]。但由于測定SPAD讀數(shù)受光照強度的影響較大，并且該方法需要測定多株植物多點以其平均值作為測定結(jié)果才能降低SPAD值的變異度，工作量較大[15]。同時，測定結(jié)果受作物品種和耕作環(huán)境的影響也較大[17]。因此，研究探索尋找出一種更加便捷、準確，能夠快速的大面積測量出農(nóng)作物氮素營養(yǎng)狀況的方法，成為了實施精準施肥，實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)的重要環(huán)節(jié)。2.3.2 光譜遙感技術(shù)

光譜遙感技術(shù)是利用植物葉片及冠層的光譜特性，通過檢測冠層或葉片的光學(xué)反射來了解植物的營養(yǎng)狀況。同傳統(tǒng)的作物營養(yǎng)診斷手段相比，光譜遙感技術(shù)具有大面積、無破壞、快速準確的優(yōu)點?，F(xiàn)在已成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中作物營養(yǎng)診斷的研究熱點，并在精準農(nóng)業(yè)氮肥施用方面發(fā)揮著重要的作用。植物缺肥或肥量過剩會引起植株葉片發(fā)黃或貪青、葉片厚度、葉片水分含量及形態(tài)結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化，從而引起光譜反射特征的變化。影響葉片對光的吸收和反射的主要物質(zhì)是葉綠素、蛋白質(zhì)、水分和含碳化合物，其中葉綠色含量與植物的氮素含量具有密切的相關(guān)性，葉綠素含量可以間接地表達植株的氮素含量[5]。光譜遙感技術(shù)可以通過分析作物葉片及其冠層的光譜特征進而得出作物氮素養(yǎng)分含量，為作物氮素營養(yǎng)診斷和合理施肥提供依據(jù)。目前，光譜遙感技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于水稻、玉米、大豆、小麥等作物[18-22]。Jia等[21]應(yīng)用數(shù)碼相機分別建立了冬小麥在拔節(jié)期和孕穗期的冠層綠色深度與植株全氮的數(shù)理模型。Tumbo等[19]認為，引起光譜特征差異的主要因素是葉綠素，在玉米V6生長階段，植株的葉綠素水平直接反映了植株的氮含量，可以依此建立模型。國內(nèi)學(xué)者在利用光譜分析手段研究植物氮素營養(yǎng)診斷方面雖然起步較晚，但近年來也做了大量深入的研究。薛利紅等[20]研究了不同施氮水平下水稻葉片及其冠層光譜反射特征與植株葉片含氮量等參數(shù)的關(guān)系。研究結(jié)果表明，水稻冠層光譜反射率與葉片含氮量呈顯著相關(guān)。與傳統(tǒng)的氮素營養(yǎng)診斷方法相比，光譜遙感技術(shù)具有快速、省時、省力的優(yōu)點，并能夠獲得更多的作物營養(yǎng)信息。

2.3.3 圖像識別及機器視覺診斷

機器視覺技術(shù)是指用計算機來實現(xiàn)人類的視覺功能，實現(xiàn)對客觀世界的感知、識別和理解。近年來圖像識別及機器視覺技術(shù)在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟與社會效益。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，發(fā)達國家和地區(qū)已在農(nóng)業(yè)機器視覺方面進行了廣泛而深入的研究，將其應(yīng)用在農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源管理、作物營養(yǎng)診斷、農(nóng)作物生長監(jiān)測、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)鑒定等方面，成為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化必不可少的技術(shù)[5]。但在作物營養(yǎng)診斷上，機器視覺診斷技術(shù)容易受到多種外界因素的影響，其中如何消除相應(yīng)噪聲的影響成為了作物氮素營養(yǎng)診斷和建立模型的關(guān)鍵因素。多光譜成像技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，解決了機器視覺技術(shù)的這個難題。

多光譜成像技術(shù)，以計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)和圖像采集硬件的發(fā)展為前提，已經(jīng)應(yīng)用到了作物的氮素營養(yǎng)診斷研究中。利用作物的光譜特性對作物的營養(yǎng)狀況進行實時監(jiān)測和快速診斷成為精準農(nóng)業(yè)的研究熱點。作物對不同波長的電磁波的吸收和反射不同，這種對不同波段光譜的響應(yīng)特性叫光譜特性。植物的光譜特性是植物光譜診斷的基礎(chǔ)[23-24]。通過高分辨率的多光譜通道（3-CCD）成像技術(shù)獲取圖像，并且通過使用白板校正方式消除背景和天氣變化對成像所帶來的影響。用多光譜成像技術(shù)實現(xiàn)對田間作物養(yǎng)分和植株生長情況的實時監(jiān)測，通過圖像的識別，模式的處理，提取圖像的特征值，進而反映出植株的生長狀況，根據(jù)植株缺氮或多氮時植株冠層及葉片不同顏色的變化，對植物氮素營養(yǎng)進行診斷，從而達到科學(xué)合理的調(diào)控施肥量，預(yù)測作物產(chǎn)量等目的。

3 氮素營養(yǎng)無損快速診斷技術(shù)展望

綜上所述，作物氮素營養(yǎng)診斷的方法有很多，外觀診斷法操作簡單，但準確性差，易受人為因素影響；化學(xué)診斷耗時費工，推廣應(yīng)用困難；葉綠素儀測定的SPAD值受光照的影響較大，并且該方法需要測量多株植物的多個點位并計算其平均值，以此作為測定結(jié)果才能減小SPAD值的變異度，工作量較大。基于光譜遙感分析的作物氮素營養(yǎng)無損檢測技術(shù)無論是在光譜學(xué)方面還是在生物物理學(xué)方面都有很強的理論基礎(chǔ)，在現(xiàn)階段作物氮素營養(yǎng)診斷和精確調(diào)控氮素施用上成為關(guān)鍵技術(shù)，也是發(fā)展精確農(nóng)業(yè)和數(shù)字農(nóng)業(yè)的重要研究前沿。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，針對這些理論基礎(chǔ)和作物生產(chǎn)應(yīng)用需求，國內(nèi)外學(xué)者就此開展了廣泛而深入的研究工作，取得了一定的研究進展和研究成果，當然也存在一些需要解決的問題，比如在植株氮素無損營養(yǎng)診斷的關(guān)鍵光譜參數(shù)上、建模方式方法上、普適性的氮素診斷監(jiān)測模型及與不同遙感信息源的結(jié)合方面都需做更深入的研究。近年來，一些航空、航天高光譜傳感器的利用也為大面積的作物精確監(jiān)測研究提供了有效途徑，規(guī)?；?、規(guī)范化的利用遙感影像精確監(jiān)測田間作物營養(yǎng)狀況已經(jīng)成為可能?？梢灶A(yù)見，圖像處理及機器視覺診斷、多光譜診斷技術(shù)等作物營養(yǎng)無損診斷測試技術(shù)作為農(nóng)作物生產(chǎn)上的氮素營養(yǎng)診斷方法，在農(nóng)作物生產(chǎn)上有著廣泛的研究潛力和應(yīng)用前景。

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Research Progress on Nondestructive Rapid Nutrition Diagnosis of Crop Nitrogen

SONG Lijuan1,YE Wanjun2,ZHENG Yanyan1,SU Ge1
（1Information Center of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150086,China;2Horticulture Branch of Heilongjiang Academy of A－gricultural Sciences,Harbin 150069,China;1st author:songlijuan-2007@163.com）

The nitrogen nutrition diagnosis method is divided into chemical diagnosis and nondestructive testing diagnosis.Chemical diagnosis includes the diagnosis of total nitrogen and rapid diagnosis of nitrate acid of plant;nondestructive testing diagnosis includes Chlorophyll fluorescence dynamic research method,Chlorophyll meter method,machine vision,and spectral remote sensing and so on.According to the development method of crop nitrogen nutrition diagnosis,the authors summarized the merits and demerits of the crop nitrogen nutrition diagnosis methods,and put forward the fast diagnosis technology as nitrogen nutrition test method for crop production,which has a wide range of research and application prospects.

nitrogen;nutrition diagnosis;crop

S51

A

1006-8082（2017）06-0019-04

2017-07-19

黑龍江省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程資助項目（2014ZD018）；哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)項目（2015RQQYJ001）