不同施氮水平下玉米品种叶片含氮量与NDVI值相关性分析

2023-07-17徐静

种子科技 2023年10期

关键词：玉米

徐静

摘要：通过试验分析得出玉米叶片含氮量与NDVI值（植被覆盖指数）的相关关系，结果表明，在不同监测时期，玉米叶片含氮量与NDVI值的关系呈正相关性。在低氮到高氮范围内（0～200 kg/hm2），玉米叶片的含氮量最大变幅为2.66％～4.60％，相同时期下，当施氮量达到200 kg/hm2时，叶片含氮量几乎没有增长，说明施用氮肥对提高玉米叶片含氮量有显著作用，但过量施用氮肥时叶片含氮量不再继续提高。本试验结论为玉米氮素营养状况的无损监测诊断和精确施肥等提供理论依据和技术支持。

关键词：玉米；NDVI值；含氮量

文章编号：1005-2690（2023）10-0001-03 中国图书分类号：S153 文献标志码：B

玉米叶片含氮量直接影响其光合同化和物质积累能力。应利用GreenSeeker光谱传感器对玉米叶片的NDVI值进行无损实时监测光谱信息，基于科学的施肥方法，确定氮肥对作物的变量投入，即按需投入[1]，防止化肥过量污染环境，从整体上减轻面源污染。

文章利用不同玉米品种、不同施氮水平的田间试验资料，研究玉米叶片含氮量与NDVI值的定量关系，确立描述叶片氮含量与NDVI值关系的方程式，评价玉米植株冠层变化及氮肥营养状况，进一步引导农民科学、绿色、高效施肥，提升粮食供给保障能力，促进农民增收和农业绿色发展，提高氮肥的利用率，实现肥料减量增效。

1 现有技术

利用遥感技术可以快速、无损实时监测作物长势、营养状况及产量形成等，是精确农作管理的主要内容之一。

目前，由美国Oklahoma州立大学研制的主动遥感光谱仪GreenSeeker法可通过测量反射光的反射值显示NDVI值，表示植物的氮营养状况及植被空间分布密度[2]。其采用主动遥感方式，自动采集数据，具有较高的可靠性，不受太阳高度角及云层等外界条件影响，有效证明NDVI与植物叶片含氮量高度相关。

GreenSeeker光谱传感器自1997年由美国NTech公司成功研制以来，已在玉米[3]、水稻[4]等作物的氮素实时监测和营养诊断方面得到了广泛应用，并取得显著成效，是一种很好的大田尺度推荐施肥工具。施肥是农业生产中一项重要的管理措施。我国已进入土壤养分大量盈余阶段，全国土壤有机质含量整体提高[5]，为减少化肥投入和提高化肥利用率奠定了基础。

随着社会经济不断发展，人们对生态环境的关注程度显著提高[6]，但部分种植人员仍存在过量施用化肥等问题，对环境造成了危害。科学合理施用化肥能够在实现作物增产、农民增收的同时，培肥改良土壤，提高土壤肥力，实现农业节本增效与生态环境发展协同并进。

2 材料与方法

2.1 供试材料

1）供试品种。吉农302、农大588和郑单958，分别用P1、P2、P3表示。

2）供试土壤。pH值6.4，有机质28 g/kg，全氮1.25 g/kg，全磷0.4 g/kg，碱解氮124 mg/kg。

3）供试肥料。氮肥为尿素（含N 46.4％）；磷肥为过石（含P2O512％）和磷酸二铵（含P2O5 46％），其中P2O5为75 kg/hm2；鉀肥为硫酸钾（含K2O 50％），其中K2O为50 kg/hm2。磷肥、钾肥作基肥一次施入。

2.2 试验设计

本试验设氮肥用量、玉米品种2个试验因素。每个品种设置5个不同施氮水平，氮肥（纯氮）用量分别为0、50、100、150、200 kg/hm2，分别用N0、N1、N2、N3、N4表示。出苗后留苗48 000株/hm2。

2.3 测定项目及方法

2.3.1 土壤基本性状及叶片全氮含量测定

土壤基本理化性状均采用常规法测定；叶片选择3个不同时期所有处理的叶片，采用H2O2-H2SO4消煮法测定。

2.3.2 归一化植被指数测定

在玉米生育期，选择6月22日、7月8日、7月25日作为第1监测时期、第2监测时期、第3监测时期，用GreenSeeker进行冠层扫描，获取NDVI值。测量时保持匀速，确保探头平行于玉米植被冠层且距植被50 cm；如果遇到阴雨天气，则需顺延测量时间。

3 结果与分析

3.1 各玉米品种不同施氮水平下叶片含氮量的动态变化

叶片含氮量是表征玉米叶片氮素状况的主要指标。测试3个玉米品种在5个施氮水平下不同生育时期的叶片含氮量。

从表1可以看出，在低氮到高氮水平范围内，叶片的含氮量最大变幅为2.66％～4.60％；在相同生育期，玉米叶片含氮量随施氮量增加而上升；当施氮量达到200 kg/hm2时，叶片含氮量几乎没有增长，甚至有的品种叶片含氮量呈现下降趋势。说明施入氮肥对提高玉米叶片含氮量有显著作用，但施氮量过高，叶片含氮量将不会继续增高，甚至会起到一定的反作用，例如浪费肥力、增加投入成本、降低土壤质量、污染生态环境等。因此，为保证粮食目标产量与生态环境协同发展，要因地制宜、科学合理施用氮肥。

第1生育时期到第2生育时期，叶片含氮量升高；第2生育时期到第3生育时期，叶片含氮量下降。玉米叶片含氮量最大值出现在第2生育时期，

3个品种的最大值分别为4.48、4.55、4.60，均出现在N3处理下，3个品种最大值由高到低依次为P3、P2、P1。

结果表明，在玉米生育前期，随着玉米植株快速生长，叶片需从土壤中吸收养分，使叶片含氮量逐渐升高。在玉米生育后期，叶片中积累的氮素向其他部位转移，叶片含氮量开始下降。叶片含氮量下降的越多，表明转移的氮素越多，玉米成熟时籽粒的品质越高。

3.2 各玉米品种不同施氮水平下NDVI值的动态变化

不同玉米品种在不同生育期下，监测的NDVI值不同，具体如图1所示。3个玉米品种在第1监测时期NDVI值升高的幅度最大，分别达到3.72％、4.29％、2.79％。随着氮肥施用量增加，NDVI值随之提高；但由于玉米在生育早期植株长势及覆盖度不均，导致第1监测时期下的NDVI值在N4水平下略有下降。

结果表明，玉米在第1监测时期，由于叶片小，植被覆盖度低，导致NDVI值偏低；在第2监测时期，植株生长快，植被覆盖度高，NDVI值升高幅度也较大；在第3监测时期，NDVI值达到峰值，不再继续增长；NDVI值在不同玉米品种间存在差异不显著，整体监测的NDVI值与施氮量呈正相关。

3.3 各玉米品种在不同施氮水平下NDVI值和叶片含氮量的相关关系

不同玉米品种在不同施氮水平下，将拔节期测得到的NDVI值（x）与其叶片的含氮量（y）建立線性相关关系（n＝5），如表2所示。

叶片氮含量与NDVI值呈正相关，3个品种对应的NDVI值分别为0.736 8、0.702 4、0.726 9时，玉米叶片含氮量达到最高。从不同玉米品种中的叶片氮含量与NDVI值关系可知，不同玉米品种的氮含量与NDVI值的相关程度不同。3个玉米品种的NDVI值与叶片含氮量的关系方程分别为y＝16.03x－7.651 9、y＝23.217x－12.017，y＝15.417x－6.845 2，相关系数r分别为0.955 4、0.940 2、0.966 6，相关性均达到了极显著水平。NDVI值与玉米叶片含氮量的相关关系中，品种P3的相关系数最高，为0.966 6。

总体来看，玉米展开叶氮含量随施氮量的增加而增加，在低氮到高氮范围内，不同玉米品种在拔节期的叶片氮含量变化范围为2.66％～4.60％，NDVI值变化范围为0.612 4～0.794 4。

4 结论与讨论

基于不同品种、不同施氮水平、不同生育期条件下的玉米叶片氮含量与NDVI的相关分析得出，玉米叶片氮含量（y）和归一化植被指数NDVI值（x）的相关方程，为玉米氮素状况的无损监测和精确诊断奠定了基础，有利于农户降低投入成本，减轻氮素流失对生态环境造成的危害[7-8]。

相同玉米品种在同一监测时期下，随着施氮量的增加，玉米叶片含氮量有所增加，归一化植被指数NDVI值随之增大，但在第1监测时期、最高施氮处理下，NDVI值在P1和P2品种间出现回落现象，说明氮肥施用量不是越多越好。在保证目标产量的前提下，科学合理施用氮肥是衡量植株氮素高低的重要指标。

本试验通过测定分析玉米不同生育时期叶片的含氮量，找出适宜的施肥时期，以达到高产优质、节本增效的目的。

在本研究结论基础上，利用高光谱遥感技术可更为准确地确定玉米叶片氮含量的光谱参数，快速、实时、准确监测玉米生长状况，为科学合理施用氮肥、提高玉米的科学管理水平提供了重要的技术支撑。

参考文献：

[1]沈善敏，宇万太，陈欣，等.施肥进步在粮食增产中的贡献及其地理分异[J].应用生态学报，1998，9（4）：386-390.

[2]李民赞.光谱分析技术及其应用[M].北京：科学出版社，2006.

[3]郭建华，王秀，孟志军，等.主动遥感光谱仪GreenSeeker与SPAD对玉米氮素营养诊断的研究[J].植物营养与肥料学报，2008，14（1）：43-47.

[4]谭昌伟，周清波，齐腊，等.水稻氮素营养高光谱遥感诊断模型[J].应用生态学报，2008，19（6）：121-126.

[5]黄耀，孙文娟.近20年来中国大陆农田表土有机碳含量的变化趋势[J].科学通报，2006，51（7）：750-763.