利用Greenseeker法診斷甜菜氮素營養狀況

費 聰， 王維成， 李陽陽， 樊 華

(1.石河子大學農學院，新疆石河子 832003； 2.石河子農業科技開發研究中心甜菜研究所，新疆石河子 832003)

為了及時掌握作物的生長情況，除了根據外觀經驗判斷外，運用傳統的化學方法不僅破壞植株生長，而且很難快速準確測定并了解作物葉綠素及氮素狀況，因而耗力費時。目前，遙感技術是快速獲取農田作物重要營養元素及產量實時信息的重要手段之一，植被指數是反映作物生長信息的重要光譜參數，而GreenSeeker是目前用于地面快速獲取歸一化植被指數的主要工具[1]，并在許多國家進行了推廣和示范使用。GreenSeeker以自帶的具有高強度發光二極管發出的紅光、綠光和近紅外光作為自身光源，這些光經過自身反射后再被二極管吸收和測量，并將這些信息傳遞給自身攜帶的掌上電腦，通過軟件計算出歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，簡稱NDVI)，人們通過觀測NDVI數據以分析作物長勢，進行氮素實時診斷，從而提供最佳施肥方案[2]。近年來，歸一化植被指數在作物營養診斷中得到廣泛應用[3-4]，它很好的解釋作物生理生化參數的性能已經得到確認[5]。研究表明，NDVI與作物的生長狀況和發育時期關系緊密，可用于反演作物的葉片葉綠素含量與葉片全氮含量[6]。

甜菜是我國主要的糖料作物，近些年來由于盲目增加施肥投入，不僅提高了成本，也造成甜菜產量和品質下降，嚴重影響了我國的甜菜生產。在甜菜生長的必需營養元素中，以氮素對甜菜的生長、塊根含糖量及出糖率的貢獻最大[7]。隨著研究的深入，利用GreenSeeker法對作物的營養診斷及產量估測已經在棉花[6]、大豆[8]、玉米[9]及小麥[10]上有所成就而在甜菜上的應用較少。為此，本研究通過分析NDVI與甜菜葉片葉綠素、全氮含量的關系，探索運用GreenSeeker法診斷甜菜氮素營養狀況的可行性，以期為甜菜氮素營養快速無損檢測提供理論依據。

1 試驗設計與測定方法

1.1 試驗設計

本試驗于2014年在石河子大學農學院試驗站(地理位置45°19′N，86°03′E)進行，試驗區土壤為灌溉灰漠土，質地為重壤，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，有機質含量13.25 g/kg。供試品種為Beta356(美國BETASEED公司)，試驗設置4個氮素追施比例，在甜菜葉叢快速增長期、塊根膨大期、糖分積累期的比例分別設為 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為現階段大田的普遍施氮模式)。小區面積48 m2(4 m×12 m)，每個處理重復3次，田間隨機排列，各小區間設1 m保護行。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值等相關數據

采用美國Neth公司的GreenSeeker手持NDVI測量儀分別在甜菜的葉叢快速增長期、塊根膨大期、糖分積累期對甜菜冠層NDVI進行測定。為保證其數據的連續性和穩定性，選擇晴朗無風、風速較小或微風的天氣在葉片露水消退后將主動探感器探頭始終平行于甜菜冠層，測量時將光譜探照頭平行于甜菜冠層上側約0.4 m，每個小區以中間行為采樣點，沿行向勻速測定甜菜冠層NDVI，檢測結果通過掌上電腦采集。此外，用LI-3100測定甜菜葉面積，分析甜菜葉面積指數(leaf area index，簡稱LAI)、比葉重(specific leaf weight，簡稱SLW)，LAI=葉面積/土地面積，SLW=葉片干質量/葉面積。

1.3 生理組分測定

葉綠素含量采用分光光度計測定，取測完光譜的葉片，擦拭干凈，用打孔器打取數片一定面積的葉片(打孔器選取的面積盡量避開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1～2次，直到葉片完全變白后在分光光度計上測定葉綠素a、b與總葉綠素含量：

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與總葉綠素含量，mg/L。

葉片全氮含量的測定采用凱氏定氮法，計算公式如下：

全氮含量(g/kg)=c×(V-V0)×0.014×1 000×m。

式中：c為標準酸溶液的濃度，mol/L；V為滴定時所用標準酸溶液的體積，ml/L；V0為滴定空白對照時所用標準酸溶液的體積，ml/L；m為干葉質量，g。

2 結果與分析

2.1 氮素運籌對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程的推進表現各異，其中N1、N2處理表現為降低趨勢，N3、N4處理表現為先升高后降低的單峰曲線。各處理在不同生育時期的葉綠素含量不同，其中葉叢葉綠素含量在快速增長期的排序為N1>N2>N4>N3，在塊根膨大期的排序為N3> N4>N2>N1，在糖分積累期的排序為N3>N1>N2>N4。這與相應時期甜菜施氮量變化趨勢一致，表明施用氮肥在一定程度上能夠調控甜菜葉片的葉綠素含量。

2.2 氮素運籌對甜菜冠層NDVI的影響

由圖2可見，甜菜冠層NDVI隨著生育進程的推進表現不同，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期的NDVI各異，其中葉叢NDVI在快速增長期的排序為N4>N3>N1>N2，在塊根膨大期的排序為N3>N1=N4>N2，在糖分積累期的排序為N4>N1>N3>N2。

2.3 氮素運籌對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程的推進表現各異，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期的葉片全氮含量各異，其中葉叢全氮含量在快速增長期的排序為N4>N3>N1>N2，在塊根膨大期的排序為N1>N3>N4>N2， 在糖分積累期的排序為N1>N3>N2>N4。

2.4 氮素運籌下滴灌甜菜葉片指標相關性分析

選取氮素運籌下滴灌甜菜葉片各指標，分析各指標與NDVI之間的相關性。結果表明，NDVI與葉片全氮含量呈極顯著正相關，與其他指標相關性不顯著(表1)，表明NDVI對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

進一步建立不同生育時期NDVI與甜菜葉片全氮含量的線性回歸方程(表2)，由決定系數看出，隨著甜菜生育進程的推進，NDVI模擬葉片全氮含量的擬合優度降低。在考慮到指標監測的經濟性和精準性前提條件下， 可以用葉叢快速生長期的NDVI模擬葉片全氮含量，具體回歸模型為

表1 氮素運籌下滴灌甜菜葉片指標相關性分析結果

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

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 不同生育時期NDVI與甜菜葉片全氮含量回歸方程

3 結論與討論

氮素運籌對甜菜各生育期冠層NDVI、葉片葉綠素及全氮含量影響較大，而NDVI是甜菜生長過程中冠層郁閉程度的反映。葉叢快速增長期是甜菜地上部分生長的重要時期，對于后期光合產物的生成有重要作用。N1、N3、N4處理的NDVI均在葉叢快速增長期達到最大值，說明該時期的葉片生長繁茂，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。

相關分析表明，NDVI與葉片全氮含量密切相關，尤其在葉叢快速增長期NDVI與全氮含量決定系數達到0.829，呈極顯著正相關，在塊根膨大期、糖分積累期，決定系數分別為 0.348、0.012，也呈現顯著正相關。說明利用GreenSeeker法獲取的NDVI能夠較好地反映甜菜葉片的氮素營養狀況，可以作為甜菜氮素營養快速診斷的手段。

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