馬黛，李斐，孟顯元，趙瑞華，史樹德*

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，呼和浩特010019；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，呼和浩特010019；3.內(nèi)蒙古赤峰杰翔復(fù)合肥有限公司，赤峰024000）

甜菜氮素營(yíng)養(yǎng)及診斷技術(shù)研究進(jìn)展

馬黛1，李斐2，孟顯元3，趙瑞華3，史樹德1*

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，呼和浩特010019；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，呼和浩特010019；3.內(nèi)蒙古赤峰杰翔復(fù)合肥有限公司，赤峰024000）

綜述了目前國(guó)內(nèi)甜菜生產(chǎn)中增施氮肥的積極作用及過(guò)量施氮存在的問(wèn)題，同時(shí)介紹了國(guó)際國(guó)內(nèi)作物氮素營(yíng)養(yǎng)診斷的各種方法，重點(diǎn)介紹了當(dāng)前較為先進(jìn)的高光譜技術(shù)在農(nóng)作物氮含量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。提出借鑒其他作物生產(chǎn)栽培中運(yùn)用高光譜技術(shù)對(duì)其氮含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法，為甜菜植株氮含量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供一種新的快速、有效的方法，為實(shí)現(xiàn)甜菜豐產(chǎn)高糖奠定基礎(chǔ)。

甜菜；氮肥；高光譜遙感技術(shù)；氮營(yíng)養(yǎng)診斷

甜菜是世界第二大制糖原料，世界食糖總量的20%為甜菜糖[1]。甜菜也是我國(guó)僅次于甘蔗的重要糖料作物，其產(chǎn)量占我國(guó)食糖總產(chǎn)量的10%[2]。目前我國(guó)甜菜產(chǎn)區(qū)普遍存在單產(chǎn)偏低或單產(chǎn)高但含糖率低的問(wèn)題。施肥尤其是氮素肥料對(duì)甜菜單產(chǎn)及其含糖率的影響很大。甜菜以8月中旬（葉叢繁茂期）吸肥量最大，占生育期總吸氮量的71%[3]。甜菜需氮量大的特點(diǎn)促使種植者為達(dá)到高產(chǎn)目的而盲目大量施用氮肥，結(jié)果不僅沒(méi)有提高產(chǎn)量，反而使其含糖率下降，還增加了種植成本，同時(shí)還可能造成一系列的環(huán)境問(wèn)題。因此，如何保證甜菜單產(chǎn)和含糖率，又合理施用氮肥就成了甜菜生產(chǎn)中的一個(gè)重要問(wèn)題。眾多學(xué)者對(duì)甜菜生長(zhǎng)發(fā)育、根產(chǎn)量及含糖率與氮肥用量間的關(guān)系做了大量研究，并總結(jié)了許多氮素營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)診斷方法，其中高光譜遙感技術(shù)因其無(wú)損、快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，在現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景。

1　我國(guó)甜菜生產(chǎn)現(xiàn)狀及甜菜過(guò)量施氮存在的問(wèn)題

我國(guó)甜菜種植面積在全球種植甜菜的國(guó)家中排第7位，占全球甜菜種植總面積的4.5%，甜菜總產(chǎn)量排第8位，占世界總產(chǎn)的4.0%（聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織，2011）。目前，我國(guó)主要的三大甜菜產(chǎn)區(qū)分別為新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江，這三大產(chǎn)區(qū)甜菜種植面積占全國(guó)甜菜種植面積的86%，總產(chǎn)量占全國(guó)甜菜總產(chǎn)近90%[1]。我國(guó)甜菜種植有一個(gè)很大的特點(diǎn)，即種植面積、總產(chǎn)量、產(chǎn)糖量不穩(wěn)定，波動(dòng)幅度大，還有一個(gè)突出問(wèn)題就是單產(chǎn)偏低[4]。有資料顯示，2010年我國(guó)甜菜單產(chǎn)新疆為64 688 kg/hm2，內(nèi)蒙古為43 707 kg/hm2，黑龍江國(guó)家級(jí)甜菜示范點(diǎn)的單產(chǎn)約49 500 kg/hm2，但其平均單產(chǎn)較低[5]。也就是說(shuō)，內(nèi)蒙古、黑龍江的種植面積優(yōu)勢(shì)并未轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)，這些產(chǎn)區(qū)甜菜的單產(chǎn)仍有待提高。

氮素營(yíng)養(yǎng)是人們公認(rèn)的能使甜菜產(chǎn)量和含糖率提高的關(guān)鍵因素，合理施用氮肥能夠明顯提高甜菜的產(chǎn)量和含糖率，但過(guò)量施氮甜菜不僅不會(huì)增產(chǎn)，反而會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)量下降、含糖率降低的現(xiàn)象。關(guān)于甜菜氮肥施用量與其產(chǎn)量、含糖率間的關(guān)系，早在上世紀(jì)90年代，于海斌[6]、曲文章[7-8]等的研究就已經(jīng)表明，在一定范圍內(nèi)增加施氮量可增加甜菜產(chǎn)量和含糖率，但繼續(xù)增加施氮量則會(huì)導(dǎo)致甜菜含糖率下降，高施肥量導(dǎo)致甜菜含糖率明顯降低。侯振安等[9]的研究指出，氮肥施用量與甜菜植株氮含量呈正相關(guān)，施氮量與甜菜塊根產(chǎn)量呈二次曲線相關(guān)，與其含糖率呈極顯著負(fù)相關(guān)，并得出當(dāng)?shù)兀ㄐ陆幼樱┖侠硎┑繛?20 kg/hm2。高妙真等[10]在對(duì)甜菜高產(chǎn)高糖施肥標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探究時(shí)也指出，持續(xù)高氮水平會(huì)造成甜菜葉部徒長(zhǎng)的現(xiàn)象。2004年薛鴻雁[11]等研究指出，甜菜塊根產(chǎn)量和含糖率在低氮條件下隨施氮量增加而增加，施氮量超過(guò)180 kg/hm2之后則隨施氮量增加其產(chǎn)量下降。2005年蔡柏巖[12]的研究也表明，甜菜塊根產(chǎn)量最高時(shí)氮肥施用量為138.67 kg/hm2，產(chǎn)糖量最高時(shí)氮肥施用量為118.69 kg/hm2，即甜菜的產(chǎn)糖量并不是隨著產(chǎn)量增加而無(wú)限提高。同時(shí)由這些結(jié)果也能看出，甜菜產(chǎn)質(zhì)量最大值對(duì)應(yīng)的最佳施肥量在不同地區(qū)也會(huì)有所變化。

從歷年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，我國(guó)甜菜生產(chǎn)的情況是塊根總產(chǎn)量總體為增加趨勢(shì)，但產(chǎn)糖量并未隨之增長(zhǎng)，大量施用氮肥已經(jīng)不能明顯提高甜菜塊根的含糖率，因此有必要在現(xiàn)有甜菜氮肥施用量研究基礎(chǔ)上，對(duì)甜菜的氮含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保合理有效地對(duì)甜菜施用氮肥。目前，甜菜的氮素精準(zhǔn)管理還在初始階段[13]，利用氮素實(shí)時(shí)診斷作為甜菜精確施氮的重要依據(jù)，對(duì)于生產(chǎn)中提高甜菜產(chǎn)量及含糖率，提高氮肥利用率，降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)農(nóng)民增產(chǎn)增收，同時(shí)減少過(guò)量施氮造成的環(huán)境污染問(wèn)題等都具有重要意義。

2　作物氮素營(yíng)養(yǎng)診斷的方法

氮素營(yíng)養(yǎng)診斷的方法有多種[14]，主要分為針對(duì)土壤和針對(duì)植物進(jìn)行診斷兩種。針對(duì)土壤的無(wú)機(jī)氮測(cè)試（Nmin）法[15]，該法廣泛應(yīng)用于西歐，具有土壤無(wú)機(jī)氮測(cè)定值與作物產(chǎn)量相關(guān)性較好的特點(diǎn)，但該方法會(huì)受作物生長(zhǎng)期氮的礦化作用及不同田塊產(chǎn)量水平的影響。我國(guó)對(duì)該方法的研究比國(guó)外晚十多年，于上世紀(jì)80年代開始在小麥、玉米上進(jìn)行研究。針對(duì)作物的氮素診斷方法有傳統(tǒng)的具有破壞性的植物組織分析診斷法（包括植株全氮診斷，植株硝酸鹽診斷）和無(wú)損氮素診斷技術(shù)，無(wú)損診斷方法中又包括葉色診斷法，肥料窗口診斷法，葉綠素儀法，高光譜遙感技術(shù)等。

長(zhǎng)期以來(lái)，作物氮素營(yíng)養(yǎng)診斷大多是運(yùn)用傳統(tǒng)方法進(jìn)行的，即田間破壞性取樣，帶回室內(nèi)進(jìn)行分析測(cè)試，該方法雖然操作簡(jiǎn)單，結(jié)果可靠，但對(duì)于現(xiàn)在快速發(fā)展的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)來(lái)說(shuō)，其實(shí)時(shí)性、高速性以及大規(guī)?？刹僮餍远家呀?jīng)不能滿足要求了[16]。無(wú)損診斷方法中的葉色診斷法，肥料窗口法屬于半定量的方法，因此其診斷的精確程度相對(duì)較低。葉綠素儀法具有簡(jiǎn)單、快速、非破壞性的特點(diǎn)，但其最終測(cè)定結(jié)果為多株植物測(cè)定值的平均值，因此在實(shí)際操作中工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而高光譜遙感無(wú)損監(jiān)測(cè)，具有宏觀、低成本、快速、動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)[17]，并與作物多項(xiàng)理化參數(shù)具有很好的相關(guān)性，無(wú)疑是一項(xiàng)能夠滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求又具有很強(qiáng)的可操作性的監(jiān)測(cè)手段。

3　高光譜遙感技術(shù)在作物及甜菜氮素營(yíng)養(yǎng)診斷中的研究現(xiàn)狀

3.1在作物氮素營(yíng)養(yǎng)診斷中的研究現(xiàn)狀

高光譜遙感技術(shù)具有波段多、光譜分辨率高、光譜響應(yīng)范圍廣、數(shù)據(jù)量大，可提供空間域信息和光譜域信息即“圖譜合一”等特點(diǎn)[18]。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于土地管理與利用及農(nóng)作物管理中。

植被的光譜主要是來(lái)自植物體內(nèi)葉綠素、水、蛋白質(zhì)等成分對(duì)太陽(yáng)的響應(yīng)，其反射光譜有獨(dú)特且明顯的規(guī)律[19-21]。20世紀(jì)80年代發(fā)展至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用多光譜、高光譜對(duì)作物的氮素營(yíng)養(yǎng)狀況做了大量研究[22-26]，大多是通過(guò)構(gòu)建光譜植被指數(shù)的方法對(duì)光譜與氮素間的相關(guān)性做出分析，進(jìn)而對(duì)作物氮素進(jìn)行診斷。Zubillaga[27]研究表明，利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）可以對(duì)小麥氮素吸收量及氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)進(jìn)行很好地預(yù)測(cè)。李映雪等[28]研究表明，紅邊位置與小麥葉片氮含量有相對(duì)穩(wěn)定的線性關(guān)系，歸一化植被指數(shù)NDVI（1220，710）和紅邊位置均能較準(zhǔn)確地反演不同類型小麥品種的葉片氮素水平，其相關(guān)系數(shù)在0.8左右。該研究為不同品種、不同生育期和不同氮素水平下小麥的氮素監(jiān)測(cè)及精確施肥提供了重要的理論依據(jù)與技術(shù)支持。Lee等[29]研究表明，利用735nm處的光譜反射率可以構(gòu)建一個(gè)與水稻冠層氮含量呈線性關(guān)系的光譜指數(shù)。田永超等[30]在通過(guò)比較水稻冠層葉片不同高光譜植被指數(shù)，探究其與冠層葉片氮含量相關(guān)度最好的植被指數(shù)的研究中，得出比值指數(shù)SR（R553，R537）與水稻冠層葉片氮含量相關(guān)性最好，并指出光譜指數(shù)會(huì)受到植被范圍與葉面積指數(shù)比值（VC/LAI）的影響。該研究為不同光譜植被指數(shù)在不同水稻品種和生產(chǎn)系統(tǒng)中適用性的提高提供了理論依據(jù)。但高光譜遙感技術(shù)也有其不足之處，學(xué)者Fei Li等[31]提出利用基于紅邊的光譜指數(shù)來(lái)估計(jì)玉米的氮含量和吸氮量，以解決高生物量條件下基于紅光輻射的光譜指數(shù)失去靈敏度的問(wèn)題。高光譜遙感信息中還含有土壤及植株陰影等背景干擾信息，因此學(xué)者們根據(jù)不同作物的特點(diǎn)提出不同的光譜植被指數(shù)和算法，如比值光譜指數(shù)RSI、土壤調(diào)節(jié)光譜指數(shù)SASI、土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)SAVI、微分算法等[32-33]來(lái)消除這些干擾，期望獲得準(zhǔn)確的作物氮素診斷信息。

3.2利用高光譜遙感技術(shù)對(duì)甜菜進(jìn)行氮素實(shí)時(shí)診斷的目的與意義

目前，高光譜遙感技術(shù)在甜菜生產(chǎn)中的應(yīng)用多集中在對(duì)甜菜病害診斷方面的研究[34]，Mahlein等針對(duì)甜菜褐斑病（CLS）、白粉病（PM）、甜菜銹病（SBR）進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，指出光譜植被指數(shù)與有關(guān)甜菜病害程度的生理參數(shù)相關(guān)，相對(duì)健康植株葉片的光譜特征而言，甜菜的每種病害都有其不同的光譜反射曲線。NDVI是對(duì)褐斑?。–LS）和白粉?。≒M）兩種病害變化最敏感的指數(shù)，但其與甜菜銹病間的關(guān)系不明顯；而獨(dú)立色素結(jié)構(gòu)指數(shù)（SIPI）適用于檢測(cè)白粉?。≒M）和褐斑?。–LS）。此外還有花青素反射指數(shù)（ARI）、改良的葉綠素吸收值（mCAI）、特異性葉綠素a/b比值（PSSRa/PSSRb）、紅邊位置等指數(shù)，這些指數(shù)的應(yīng)用使不同甜菜病害的區(qū)分方法更加具體化，研究成果對(duì)于利用高光譜遙感技術(shù)區(qū)分健康和患病植物具有重要的參考意義，也可以應(yīng)用于多種病害癥狀及其病原菌的研究中?？梢?，高光譜遙感技術(shù)在病害診斷方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如果將該技術(shù)應(yīng)用到甜菜氮營(yíng)養(yǎng)診斷中，對(duì)于現(xiàn)有的甜菜氮素診斷也是一項(xiàng)重要的技術(shù)補(bǔ)充。

綜上所述，利用高光譜遙感技術(shù)對(duì)小麥、水稻等作物氮素營(yíng)養(yǎng)診斷的研究已取得較好的成果，這些研究成果為甜菜氮素營(yíng)養(yǎng)研究中高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。甜菜作為重要的糖料作物，只有一些學(xué)者利用高光譜遙感技術(shù)對(duì)甜菜的病害檢測(cè)進(jìn)行過(guò)研究，利用該技術(shù)對(duì)甜菜氮素實(shí)時(shí)診斷的研究鮮有報(bào)道。因此，通過(guò)設(shè)置不同梯度的氮肥施用量，采用分時(shí)期取樣測(cè)定甜菜植株含氮量、生物量積累，取樣同時(shí)測(cè)定其光譜反射率的方法，分析光譜信息與甜菜氮含量、生物量積累等之間的關(guān)系，建立符合甜菜需氮規(guī)律的預(yù)測(cè)模型，并對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)甜菜氮素的田間無(wú)損、快速、實(shí)時(shí)診斷，為甜菜豐產(chǎn)高糖提供合理有效的施肥方案，以期提高氮肥利用率，減少氮肥施用量，達(dá)到農(nóng)民增產(chǎn)增收，企業(yè)增效，減少環(huán)境污染的目的。同時(shí)，該研究成果也有望對(duì)其他作物氮素營(yíng)養(yǎng)實(shí)時(shí)診斷起到推動(dòng)作用。

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MA Dai1,LIFei2,MENG Xian-yuan3,ZHAO Rui-hua3,SHIShu-de1

(1.College of Agronomy,Inner Mongolia Agricultural University,Huhhot 010019；2.College of Ecology and Environment,Inner Mongolia Agricultural University,Huhhot 010019;3.Chifeng Jiexiang Compound Fertiliser Co.,Ltd.,Inner Mongolia Chifeng 024000)

Progress on Nitrogen Nutrition of Sugarbeet and Diagnostic Techniques

This paper reviewed the positive effects of nitrogen fertilising and the problems of excessive nitrogen applied in sugarbeet production in China.In themeanwhile,variousmethods of crop nitrogen nutrition diagnosis home and abroad were introduced,especially the current advanced hyperspectral technology utilized in crop nitrogen monitoring.Referring to latter,amethod on hyperspectral based real-time nitrogen contentmonitoring of sugarbeet was suggested,which could help achieve the goal of high root yield and high sugar content in sugarbeet.

sugarbeet;nitrogen fertiliser;hyperspectral remote sensing technology;nutrient diagnosis

S566.3

B

1007-2624（2015）04-0056-03

10.13570/j.cnki.scc.2015.04.021

2015-03-09

馬黛（1989-），女，陜西省榆林市人，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)植物學(xué)碩士研究生。

史樹德（1973-），男，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師。Email：lycoris@imau.edu.cn