利用Greenseeker法诊断甜菜氮素营养状况

费 聪， 王维成， 李阳阳， 樊 华

(1.石河子大学农学院，新疆石河子 832003； 2.石河子农业科技开发研究中心甜菜研究所，新疆石河子 832003)

为了及时掌握作物的生长情况，除了根据外观经验判断外，运用传统的化学方法不仅破坏植株生长，而且很难快速准确测定并了解作物叶绿素及氮素状况，因而耗力费时。目前，遥感技术是快速获取农田作物重要营养元素及产量实时信息的重要手段之一，植被指数是反映作物生长信息的重要光谱参数，而GreenSeeker是目前用于地面快速获取归一化植被指数的主要工具[1]，并在许多国家进行了推广和示范使用。GreenSeeker以自带的具有高强度发光二极管发出的红光、绿光和近红外光作为自身光源，这些光经过自身反射后再被二极管吸收和测量，并将这些信息传递给自身携带的掌上电脑，通过软件计算出归一化植被指数(normalized difference vegetation index，简称NDVI)，人们通过观测NDVI数据以分析作物长势，进行氮素实时诊断，从而提供最佳施肥方案[2]。近年来，归一化植被指数在作物营养诊断中得到广泛应用[3-4]，它很好的解释作物生理生化参数的性能已经得到确认[5]。研究表明，NDVI与作物的生长状况和发育时期关系紧密，可用于反演作物的叶片叶绿素含量与叶片全氮含量[6]。

甜菜是我国主要的糖料作物，近些年来由于盲目增加施肥投入，不仅提高了成本，也造成甜菜产量和品质下降，严重影响了我国的甜菜生产。在甜菜生长的必需营养元素中，以氮素对甜菜的生长、块根含糖量及出糖率的贡献最大[7]。随着研究的深入，利用GreenSeeker法对作物的营养诊断及产量估测已经在棉花[6]、大豆[8]、玉米[9]及小麦[10]上有所成就而在甜菜上的应用较少。为此，本研究通过分析NDVI与甜菜叶片叶绿素、全氮含量的关系，探索运用GreenSeeker法诊断甜菜氮素营养状况的可行性，以期为甜菜氮素营养快速无损检测提供理论依据。

1 试验设计与测定方法

1.1 试验设计

本试验于2014年在石河子大学农学院试验站(地理位置45°19′N，86°03′E)进行，试验区土壤为灌溉灰漠土，质地为重壤，pH值7.3，基本肥力为土壤全氮含量0.89 g/kg，碱解氮含量0.058 g/kg，速效磷含量0.022 g/kg，速效钾含量 0.249 g/kg，有机质含量13.25 g/kg。供试品种为Beta356(美国BETASEED公司)，试验设置4个氮素追施比例，在甜菜叶丛快速增长期、块根膨大期、糖分积累期的比例分别设为 7 ∶2 ∶1、5 ∶4 ∶1、3 ∶7 ∶0、4 ∶4 ∶2(分别用N1、N2、N3、N4表示，其中4 ∶4 ∶2为现阶段大田的普遍施氮模式)。小区面积48 m2(4 m×12 m)，每个处理重复3次，田间随机排列，各小区间设1 m保护行。氮肥、磷肥、钾肥施用量为 N 585 kg/hm2，P2O5345 kg/hm2，K2O 210 kg/hm2，将氮肥的10%与其他肥料混匀后于播种时基施，氮肥的90%追施。4月25日播种，株行距配置方式为50 cm×14 cm(即行距为 50 cm，株距为14 cm)，播种密度为14.3万株/hm2。滴灌带配置模式为“1管2”模式，即1条毛管控制2行甜菜。各处理灌水量均为7 333.7 m3/hm2，其余管理同大田。

1.2 GreenSeeker法获取甜菜冠层NDVI值等相关数据

采用美国Neth公司的GreenSeeker手持NDVI测量仪分别在甜菜的叶丛快速增长期、块根膨大期、糖分积累期对甜菜冠层NDVI进行测定。为保证其数据的连续性和稳定性，选择晴朗无风、风速较小或微风的天气在叶片露水消退后将主动探感器探头始终平行于甜菜冠层，测量时将光谱探照头平行于甜菜冠层上侧约0.4 m，每个小区以中间行为采样点，沿行向匀速测定甜菜冠层NDVI，检测结果通过掌上电脑采集。此外，用LI-3100测定甜菜叶面积，分析甜菜叶面积指数(leaf area index，简称LAI)、比叶重(specific leaf weight，简称SLW)，LAI=叶面积/土地面积，SLW=叶片干质量/叶面积。

1.3 生理组分测定

叶绿素含量采用分光光度计测定，取测完光谱的叶片，擦拭干净，用打孔器打取数片一定面积的叶片(打孔器选取的面积尽量避开较大的叶脉和叶片两头部分)。采用丙酮、乙醇体积比1 ∶1的混合液浸泡，避光放置并每天摇动1～2次，直到叶片完全变白后在分光光度计上测定叶绿素a、b与总叶绿素含量：

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与CT分别为叶绿素a、b与总叶绿素含量，mg/L。

叶片全氮含量的测定采用凯氏定氮法，计算公式如下：

全氮含量(g/kg)=c×(V-V0)×0.014×1 000×m。

式中：c为标准酸溶液的浓度，mol/L；V为滴定时所用标准酸溶液的体积，ml/L；V0为滴定空白对照时所用标准酸溶液的体积，ml/L；m为干叶质量，g。

2 结果与分析

2.1 氮素运筹对甜菜叶片叶绿素含量的影响

由图1可以看出，甜菜叶片叶绿素含量随着生育进程的推进表现各异，其中N1、N2处理表现为降低趋势，N3、N4处理表现为先升高后降低的单峰曲线。各处理在不同生育时期的叶绿素含量不同，其中叶丛叶绿素含量在快速增长期的排序为N1>N2>N4>N3，在块根膨大期的排序为N3> N4>N2>N1，在糖分积累期的排序为N3>N1>N2>N4。这与相应时期甜菜施氮量变化趋势一致，表明施用氮肥在一定程度上能够调控甜菜叶片的叶绿素含量。

2.2 氮素运筹对甜菜冠层NDVI的影响

由图2可见，甜菜冠层NDVI随着生育进程的推进表现不同，其中N1、N3和N4处理NDVI整体降低，N2处理NDVI不断升高。各处理在不同生育时期的NDVI各异，其中叶丛NDVI在快速增长期的排序为N4>N3>N1>N2，在块根膨大期的排序为N3>N1=N4>N2，在糖分积累期的排序为N4>N1>N3>N2。

2.3 氮素运筹对甜菜叶片全氮含量的影响

由图3可以看出，甜菜叶片全氮含量随着生育进程的推进表现各异，其中N1、N3处理先升高后降低，N2处理先降低后升高，N4处理逐渐降低。各处理在不同生育时期的叶片全氮含量各异，其中叶丛全氮含量在快速增长期的排序为N4>N3>N1>N2，在块根膨大期的排序为N1>N3>N4>N2， 在糖分积累期的排序为N1>N3>N2>N4。

2.4 氮素运筹下滴灌甜菜叶片指标相关性分析

选取氮素运筹下滴灌甜菜叶片各指标，分析各指标与NDVI之间的相关性。结果表明，NDVI与叶片全氮含量呈极显著正相关，与其他指标相关性不显著(表1)，表明NDVI对叶片全氮含量具有较高的指示作用。

2.5 NDVI与甜菜叶片全氮含量模拟模型的建立

进一步建立不同生育时期NDVI与甜菜叶片全氮含量的线性回归方程(表2)，由决定系数看出，随着甜菜生育进程的推进，NDVI模拟叶片全氮含量的拟合优度降低。在考虑到指标监测的经济性和精准性前提条件下， 可以用叶丛快速生长期的NDVI模拟叶片全氮含量，具体回归模型为

表1 氮素运筹下滴灌甜菜叶片指标相关性分析结果

注：“*”表示在0.05水平上因子与主成分显著相关；“**”表示在0.01水平上因子与主成分显著相关。

y=2.86x-1.172，r2=0.829。

式中：y为NDVI；x为甜菜叶片全氮含量。

表2 不同生育时期NDVI与甜菜叶片全氮含量回归方程

3 结论与讨论

氮素运筹对甜菜各生育期冠层NDVI、叶片叶绿素及全氮含量影响较大，而NDVI是甜菜生长过程中冠层郁闭程度的反映。叶丛快速增长期是甜菜地上部分生长的重要时期，对于后期光合产物的生成有重要作用。N1、N3、N4处理的NDVI均在叶丛快速增长期达到最大值，说明该时期的叶片生长繁茂，郁闭度较好，能够充分利用光能。至生育后期，随着施氮量的变化，N1、N3处理的NDVI逐渐下降，而N4处理下叶片NDVI虽在叶丛快速增长期到块根膨大期有所下降，但是在块根膨大期到糖分积累期又略有升高，表明N4处理在甜菜生育后期仍然具有较好的郁闭度。

相关分析表明，NDVI与叶片全氮含量密切相关，尤其在叶丛快速增长期NDVI与全氮含量决定系数达到0.829，呈极显著正相关，在块根膨大期、糖分积累期，决定系数分别为 0.348、0.012，也呈现显著正相关。说明利用GreenSeeker法获取的NDVI能够较好地反映甜菜叶片的氮素营养状况，可以作为甜菜氮素营养快速诊断的手段。

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