中国土壤与肥料2008(4) 作物氮素营养诊断方法的研究现状及进展 郭建华，赵春江，王秀，陈立平 (国家农业信息化工程技术研究中心，北京100097 摘要：根据作物氮素营养诊断方法的发展，总结分析了作物氯素营养诊断中各种方法的优缺点，提出将无损 快速诊断技术与传统诊断技术结合将是今后氯素营养诊断的发展趋势。在测土配方施肥中应加强推广植株氮素 诊断的方法和技术，提高测土配方施肥的准确性，建立各种不同作物氮素营养诊断的综合指标体系。 关键词：氨素：营养诊断：无损测试技术：高光语遥感 中图分类号：S158 文献标识码：A 文意编号：1673.6257(2008)04.0010.05 作物体内的营养状况是土壤养分供应、作物对 态诊断就是根据作物的外观特定症状判断作物氮素 养分需求和作物吸收养分能力的综合反映。通过对 丰缺状况。 作物体内营养状况的诊断 ,确定植株体内养分的丰 1.1 植株形态诊围 缺状况，并以此作为作物追肥决策的依据，是实现 当作物吸收的氮素处于正常、不足或过多时都 变量施肥的前提。在植株营养诊断中人们关注的重 会引起作物外部形态如叶的形状、叶片大小和叶片 点是氨肥这是由氨肥本身的特点所决定由干氨 颜色等方面的变化。通常植物缺氮表现为叶片失 肥施用量大、易挥发和在土壤中易移动等特点，在 黄化或呈暗绿色、暗褐色，或叶脉间失绿，或出现 推荐施肥技术体系中氮肥推荐是核心 。准确、迅 坏死斑等早衰现象：其次是叶片变薄而小、植株短 速、经济的确定植株体内的氮素状况，对合理科学 小、 果实小和籽粒不饱满。氮素过多则表现为植材 的施用氯肥，实现农业生产的可持续发展和生态环 徒长、节间长、分德多、叶色做绿、贪青晚熟2 境的良性循环具有重要意义 在植株仅缺乏一种营养元素的状况下植株外部形态 传统的植物氯素营养诊断方法通常包括土壤和 的诊断方法有效，但是当植株同时缺乏两种或两利 植物组织的实验室分析，而这些分析方法普遍基于 通过破坏土壤和作物获取样本，历经采样、烘干 以上营养元素或出现非营养因素（药害、生理病害 等)而引起症状时容易造成症状的混淆，即使有经 研磨、称重、化验分析等多道程序，花费时间长 验的人也可能误判和误诊。 测试结果不具有实时性，不能满足日趋发展的农业 1.2箱株计诊新 信息化的要求。国内外在氨素营养诊断发展时程 中，经历了传统经典的植株养分测试 色比对 我国劳动人民在长期的生产实践中积累了大量 的观看作物长相进行田间管理的经验。为了方便田 硝酸盐快速诊断和无损测试技术的发展过程，现将 间的快速诊断，陶勒南等根据空间均匀颜色和色 植株氮素营养诊断方法的优缺点和发展综述如下。 差公式研制了水稻标准叶色卡 用叶色卡判定氮素 1 植株外部形态诊断 营养水平的高低，当水稻的叶色超出标准叶色级 植株氯素营养诊断是确定氨素营养状况的重要 时说明氢素过剩：如果叶色正好处在标准叶色级 依据，是开展变量施肥的基础。当作物缺乏某种元 水平，则表明氮素营养适宜 不必追施氨肥若叫 素时 般都在形态上表现出某些特有的症状，形 色低于标准叶色级，则表示水稻氮素营养不足。通 常叶鱼级每低0.1级可追施尿素3.75一7.5k h,水稻生长前期可采用上限，后期应取下限 比色卡法具有操作简单、快速、直观等优点。 植株外观的形态诊断由于具有简单、方便等优 作者简介：郭建华(19%1)女，河北武强人，研究员，主要 从事植物营养 施肥 点，是目前我国大多数农民习惯采用的方法和田间 研究。 生产施肥决策的依据。不论是形态诊断还是叶色观 10 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/Awww.cnki.ne
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 作物氮素营养诊断方法的研究现状及进展 郭建华 , 赵春江 , 王 秀 , 陈立平 (国家农业信息化工程技术研究中心 , 北京 100097) 摘 要 : 根据作物氮素营养诊断方法的发展 , 总结分析了作物氮素营养诊断中各种方法的优缺点 , 提出将无损 快速诊断技术与传统诊断技术结合将是今后氮素营养诊断的发展趋势。在测土配方施肥中应加强推广植株氮素 诊断的方法和技术 , 提高测土配方施肥的准确性 , 建立各种不同作物氮素营养诊断的综合指标体系。 关键词 : 氮素 ; 营养诊断 ; 无损测试技术 ; 高光谱遥感 中图分类号 : S158 文献标识码 : A 文章编号 : 1673 - 6257 (2008) 04 - 0010 - 05 收稿日期 : 2007 - 07 - 01 基金项目 : 北京市自然基金 (6082010) , 科技部 (2007BAD44B06) 资助。 作者简介 : 郭建华 (1961 - ) 女 , 河北武强人 , 研究员 , 主要 从事植物营养与施肥研究。 作物体内的营养状况是土壤养分供应、作物对 养分需求和作物吸收养分能力的综合反映。通过对 作物体内营养状况的诊断 , 确定植株体内养分的丰 缺状况 , 并以此作为作物追肥决策的依据 , 是实现 变量施肥的前提。在植株营养诊断中人们关注的重 点是氮肥 , 这是由氮肥本身的特点所决定 , 由于氮 肥施用量大、易挥发和在土壤中易移动等特点 , 在 推荐施肥技术体系中氮肥推荐是核心[1 ] 。准确、迅 速、经济的确定植株体内的氮素状况 , 对合理科学 的施用氮肥 , 实现农业生产的可持续发展和生态环 境的良性循环具有重要意义。 传统的植物氮素营养诊断方法通常包括土壤和 植物组织的实验室分析 , 而这些分析方法普遍基于 通过破坏土壤和作物获取样本 , 历经采样、烘干、 研磨、称重、化验分析等多道程序 , 花费时间长 , 测试结果不具有实时性 , 不能满足日趋发展的农业 信息化的要求。国内外在氮素营养诊断发展过程 中 , 经历了传统经典的植株养分测试、叶色比对、 硝酸盐快速诊断和无损测试技术的发展过程 , 现将 植株氮素营养诊断方法的优缺点和发展综述如下。 1 植株外部形态诊断 植株氮素营养诊断是确定氮素营养状况的重要 依据 , 是开展变量施肥的基础。当作物缺乏某种元 素时 , 一般都在形态上表现出某些特有的症状 , 形 态诊断就是根据作物的外观特定症状判断作物氮素 丰缺状况。 111 植株形态诊断 当作物吸收的氮素处于正常、不足或过多时都 会引起作物外部形态如叶的形状、叶片大小和叶片 颜色等方面的变化。通常植物缺氮表现为叶片失绿 黄化或呈暗绿色、暗褐色 , 或叶脉间失绿 , 或出现 坏死斑等早衰现象 ; 其次是叶片变薄而小、植株矮 小、果实小和籽粒不饱满。氮素过多则表现为植株 徒长、节间长、分蘖多、叶色嫩绿、贪青晚熟[2 ] 。 在植株仅缺乏一种营养元素的状况下植株外部形态 的诊断方法有效 , 但是当植株同时缺乏两种或两种 以上营养元素或出现非营养因素 (药害、生理病害 等) 而引起症状时容易造成症状的混淆 , 即使有经 验的人也可能误判和误诊。 112 植株叶色诊断 我国劳动人民在长期的生产实践中积累了大量 的观看作物长相进行田间管理的经验。为了方便田 间的快速诊断 , 陶勤南[3 ]等根据空间均匀颜色和色 差公式研制了水稻标准叶色卡 , 用叶色卡判定氮素 营养水平的高低 , 当水稻的叶色超出标准叶色级 时 , 说明氮素过剩 ; 如果叶色正好处在标准叶色级 水平 , 则表明氮素营养适宜 , 不必追施氮肥 ; 若叶 色低于标准叶色级 , 则表示水稻氮素营养不足。通 常叶色级每低 011 级 , 可追施尿素 3175～715 kg/ hm 2 , 水稻生长前期可采用上限 , 后期应取下限。 比色卡法具有操作简单、快速、直观等优点。 植株外观的形态诊断由于具有简单、方便等优 点 , 是目前我国大多数农民习惯采用的方法和田间 生产施肥决策的依据。不论是形态诊断还是叶色观 — 10 — 中国土壤与肥料 2008 (4)
中国土壤与肥料2008(4) 察诊斯都品根据作物缺多氨素所表现出的外部形 半定量性质分析。此方法常用于田间现场诊断，通 态特征的变化，当植株处于潜在缺乏时植株外部 过与正常植株比较对测试结果进行大致的判断。 没有明显的症状，等到症状明显时却己影响到作物 植物组织中硝态氢含量的变化要远远大于全 的产量和品质，采取补救措施后仍会对作物造成一 氮，植株硝态氮含量能灵敏地反映作物对氯的需求 定的危害 状况，以硝态氮代替全氮作为氮营养诊断指标来估 计植株氨营养状况和讲行追肥推荐是植株诊断的发 2化学分析诊断 展1。早在20世纪0年代我国就进行大量有关棉 化学分析诊断是通过测定植株体内的氨素含量 株叶柄硝态氮含量的试验，并认为叶柄的硝态氮含 水平，通过与正常或异常植株标本进行直接比较而 量基本上能反映植株的氮素水平和土壤氮素的供应 作出丰缺判断。植物化学分析诊断法是判断植株 状况，并作为推荐施肥的依据0，山。曹红生等 营养丰缺状况最可靠的方法之一，通过对植株体内 采用NO”作为诊断指标，在小麦拔节期间用小麦 的养分进行诊断， 了解植株的生长和营养状况，并 茎鞘基部硝酸盐含量，以二苯胺比色法制定不同色 以此作为田间施肥决簧管理的依据。目前，英、 阶，根据色阶深浅确定推荐施肥的指标 法、德、美等国已成功地应用植株营养诊断技术来 指导农业生产山，我国在这方面也做了大量的矿 目前德国生产的便携式硝酸盐反射仪，在植株 营养诊中得到快速的发展。危常州等以倒四 究、示范和推广。根据氮素在植株体内存在形态的 叶叶柄硝酸盐含量作为棉花氮素营养状况的诊断指 不同，分为植株全氯、硝酸盐和氨基态氨诊断，土 标，李志宏在冬小麦茎基部、夏玉米叶脉、春 壤诊断也是化学诊新的重要组成部分 玉米叶脉用反射仪法研究植株组织中的硝酸盐含 2.1植株全氮含量诊断 量，其结果与流动分析法和色谱分析方法有很好的 根据植株全氮含量诊断作物氨素丰缺状况是研 究最早、最充分的方法，大多数作物不同生有期和 相关性。作为田间氮素快速诊断的方法，目前己经 不同部位器官的氨素诊断临界浓度已基本清楚。植 成功应用于棉花、冬小麦、玉米和春小麦4,1。 株全氮含量可以很好地反映作物氮营养水平，与作 该方法的缺点是当植株体内的Oˉ·N含量高时 物产量也有很好的相关性，是一个很好的诊断指 测定结果不稳定 标。 2.3土壤化学诊断 以叶片全氢含量作为氢素丰缺状况诊断的依 通过测定土壤的有效养分可以判断土壤环境 据。是氮素诊断中比较成熟的方法主要应用在果 是否能够满足作物根系生长活动的需要 ,士壤分析 树上，这是由于果树为多年生作物，叶子寿命长 结果可以单独或与植株分析结果结合判斯植株养分 叶片中氢素浓度相对稳定，同时也很好地反映了树 的丰缺。 体的营养状况。以春季当年新生技条成熟叶片作为 我国在开展测土配方施肥的过程中 一直坚持 氨素营养诊断的取样部位 在核桃和柑桔上都获得 采用土壤测试为主，植株营养诊断为铺的技术路 了很好的效果5 ，以当年生成熟柑橘叶片的营养 线，利用土壤氨素测试结果开展氨肥推荐是比较成 状况进行果园的氮素管理，产量增加2.35% 熟的方法，在农业部测土配方施肥规程叶 ,把土壤 39.28%,在一定的范围内叶片全氮含量与产量成 全氮（凯氏蒸馏法）、土壤水解性氢（战解扩散法） 正相关，叶片氮素含量越高，产量也就越高。对于 和土壤硝态氨（紫外分光光度法或酚二磺酸比色 停止生长的叶片也有相同的效果，依据34个果园 法)作为测土配方施肥土壤氮素测试的统一方法 中苹果和梨树停止生长后的叶片氨素分析结果，根 同时土壤硝态氮或土壤无机氮(Nmin)作为土壤有 据目标产量、生产单位果品需要养分量对果园实施 效氮的指标也日益受到重视4,6，。尽管土测 平衡施严取祖了很好的效果7。该方法准确度 式与作物产量和推荐施肥有着很好的相关性，但由 高但是慢作繁杂、时效性弟。 于土壤测试受土壤采样点位置、时间、数量、深度 2.2硝酸盐快速诊断 等因素的影响和操作的繁杂 ,日益受到具有智能化 硝酸盐快速诊新是以简易方法测定植物某一组 和信总化快速测试产品的桃战，如原位土壤养分分 织鲜样中硝态氮含量来反映植物的养分状况，属于 析技术和非破坏性的植物营养监测技术。 11 1994-2010 China Academic Journal Electrome Publishing House.All rights reserved
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 察诊断 , 都是根据作物缺乏氮素所表现出的外部形 态特征的变化 , 当植株处于潜在缺乏时植株外部并 没有明显的症状 , 等到症状明显时却已影响到作物 的产量和品质 , 采取补救措施后仍会对作物造成一 定的危害。 2 化学分析诊断 化学分析诊断是通过测定植株体内的氮素含量 水平 , 通过与正常或异常植株标本进行直接比较而 作出丰缺判断[4 ] 。植物化学分析诊断法是判断植株 营养丰缺状况最可靠的方法之一 , 通过对植株体内 的养分进行诊断 , 了解植株的生长和营养状况 , 并 以此作为田间施肥决策管理的依据。目前 , 英、 法、德、美等国已成功地应用植株营养诊断技术来 指导农业生产[1 ] , 我国在这方面也做了大量的研 究、示范和推广。根据氮素在植株体内存在形态的 不同 , 分为植株全氮、硝酸盐和氨基态氮诊断 , 土 壤诊断也是化学诊断的重要组成部分。 211 植株全氮含量诊断 根据植株全氮含量诊断作物氮素丰缺状况是研 究最早、最充分的方法 , 大多数作物不同生育期和 不同部位器官的氮素诊断临界浓度已基本清楚。植 株全氮含量可以很好地反映作物氮营养水平 , 与作 物产量也有很好的相关性 , 是一个很好的诊断指 标。 以叶片全氮含量作为氮素丰缺状况诊断的依 据 , 是氮素诊断中比较成熟的方法 , 主要应用在果 树上 , 这是由于果树为多年生作物 , 叶子寿命长 , 叶片中氮素浓度相对稳定 , 同时也很好地反映了树 体的营养状况。以春季当年新生枝条成熟叶片作为 氮素营养诊断的取样部位 , 在核桃和柑桔上都获得 了很好的效果[5 ,6 ] , 以当年生成熟柑橘叶片的营养 状况进行果园的氮素管理 , 产量增加 2135 %～ 39128 % ; 在一定的范围内叶片全氮含量与产量成 正相关 , 叶片氮素含量越高 , 产量也就越高。对于 停止生长的叶片也有相同的效果 , 依据 34 个果园 中苹果和梨树停止生长后的叶片氮素分析结果 , 根 据目标产量、生产单位果品需要养分量对果园实施 平衡施肥 , 取得了很好的效果[7 ,8 ] 。该方法准确度 高 , 但是操作繁杂、时效性差。 212 硝酸盐快速诊断 硝酸盐快速诊断是以简易方法测定植物某一组 织鲜样中硝态氮含量来反映植物的养分状况 , 属于 半定量性质分析。此方法常用于田间现场诊断 , 通 过与正常植株比较对测试结果进行大致的判断。 植物组织中硝态氮含量的变化要远远大于全 氮 , 植株硝态氮含量能灵敏地反映作物对氮的需求 状况 , 以硝态氮代替全氮作为氮营养诊断指标来估 计植株氮营养状况和进行追肥推荐是植株诊断的发 展[9 ] 。早在 20 世纪 70 年代我国就进行大量有关棉 株叶柄硝态氮含量的试验 , 并认为叶柄的硝态氮含 量基本上能反映植株的氮素水平和土壤氮素的供应 状况 , 并作为推荐施肥的依据[10 ,11 ] 。曹红生等[12 ] 采用 NO3 - 作为诊断指标 , 在小麦拔节期间用小麦 茎鞘基部硝酸盐含量 , 以二苯胺比色法制定不同色 阶 , 根据色阶深浅确定推荐施肥的指标。 目前德国生产的便携式硝酸盐反射仪 , 在植株 营养诊断中得到快速的发展。危常州[13 ]等以倒四 叶叶柄硝酸盐含量作为棉花氮素营养状况的诊断指 标 , 李志宏[14 ]在冬小麦茎基部、夏玉米叶脉、春 玉米叶脉用反射仪法研究植株组织中的硝酸盐含 量 , 其结果与流动分析法和色谱分析方法有很好的 相关性。作为田间氮素快速诊断的方法 , 目前已经 成功应用于棉花、冬小麦、玉米和春小麦[1 ,14 ,15 ] 。 该方法的缺点是当植株体内的 NO3 - - N 含量高时 , 测定结果不稳定。 213 土壤化学诊断 通过测定土壤的有效养分 , 可以判断土壤环境 是否能够满足作物根系生长活动的需要 , 土壤分析 结果可以单独或与植株分析结果结合判断植株养分 的丰缺。 我国在开展测土配方施肥的过程中 , 一直坚持 采用土壤测试为主 , 植株营养诊断为辅的技术路 线 , 利用土壤氮素测试结果开展氮肥推荐是比较成 熟的方法 , 在农业部测土配方施肥规程中 , 把土壤 全氮 (凯氏蒸馏法) 、土壤水解性氮 (碱解扩散法) 和土壤硝态氮 (紫外分光光度法或酚二磺酸比色 法) 作为测土配方施肥土壤氮素测试的统一方法。 同时土壤硝态氮或土壤无机氮 (Nmin) 作为土壤有 效氮的指标也日益受到重视[14 ,16 ,17 ] 。尽管土壤测 试与作物产量和推荐施肥有着很好的相关性 , 但由 于土壤测试受土壤采样点位置、时间、数量、深度 等因素的影响和操作的繁杂 , 日益受到具有智能化 和信息化快速测试产品的挑战 , 如原位土壤养分分 析技术和非破坏性的植物营养监测技术。 — 11 — 中国土壤与肥料 2008 (4)
中国土绑与巴料2008(4) 3植株无损测试诊断 数法、带宽归一化分析法等也认为是反演植物氮素 状况的一个有效方法。 3.1SPAD计快速诊断 另外，通过高光谱成像光谱仪获取小麦生长情 随着科学技术的发展 一些具有智能化和信息 况的谣感成像图。通过植被指数进行估产和施肥出 化的测试技术得到发展，植株氮素诊断逐步向依据 得到推广和应用。宋晓宇等0]利用扫描式成像光 作物生长状况的植株营养诊断发展 为了便于田间 谱仪获取冬小麦长势和小麦叶面积指数 根据目材 生长作物氨素营养状况的快速诊断，日本研发生产 产量的需氢量和测得的作物吸收复素的差值，计算 了手持式SPAD.S02型叶绿素计(chlorophyll me 出氮肥的施用量。随着遥感技术的发展， 些高分 ),其原理是基于对红光的强烈吸收和对远红 辨率的航片也逐渐应用于农业生产的管理 ,如航 外光的低吸收，具有操作简单、数据获取迅速、不 可见光近红外成像光谙仪(AVIRIS)、小型机载成 需要耗材、对植株和环境没有负作用等优点。用 像光普仪(CASD等高分辨率的航空图像和卫星图 SPAD值估计叶片单位重量含氨量 在田间通过测 像也逐渐用来大面积监测作物的氮素营养状况0] 试植物的叶片绿度估测作物氮营养的状况，并已经 密苏里州立大学的训建立了著于航空照片的 在棉花、水稻、小麦、玉米和大麦等多种作物上得 玉米追肥决策算法，该算法主要是根据未施肥区玉 到应用和推广93)。叶绿素计诊断追氨法己经作 米的绿度值与充足施肥区玉米绿度值的比值来计 为亚热带地区灌溉水稻诊断追氯的实用方法例 算，两者颜色差异越大，追肥也越多 在随后的 水稻幼穗分化期叶绿素计读数(SPAD值)与单位 田试验研究也证明该算法和实际的最住复用量十分 面积叶绿素含量、含氮量呈极显著正相关(p 吻合。但是该算法必须在满足以下条件时才适用 Q.0.李志宏等四用叶绿素仪监测夏玉米氨 前不施肥 必须从照片上除去士壤背景的像素， 养状况，结果表明，SPAD值与作物全氢、施氢量 须用相对于充足施肥区的绿度比值进行比较。因 及产量之间均有较好的相关性，夏玉米追肥推荐中 此在实际生产上的推广应用还受到一定限制」 营养状况的预测精度为66.17% .3 手持式主动遥感仪Greenseek 但由于SPAD读数受光辐射照度的影响较 美国NTech Industries公司开发的GreenSeeker 大s】,且该方法必须接触测定和需要测定多株植 是利用光学原理监测作物长势以推算作物体内营养 物以其平均值作为测定结果 有工作量较大的缺 状况。Lukina等提出的氨肥优化算法(N fer 点2，因此，寻找一种更为简便、快速、并能在 tion optimization algprithm NFOA) 主要的核心就是 大面积范围内使用非接触性仪器来判定作物氮素营 根据田间作物的归一化植被指数NDWI(ormalized 养状况的方法， 经成为守：临结准农业恋施胆的 veetable index)预测潜在产量和当时作物 关键。 对氨的吸收，以此原理开发的光传感实时变量施肥 3.2遥感技术的应用 机可以满足大田变量施巴的要求。通过光传感器 近年来，遥感技术在精确农业管理（优其是氮 实时获取小麦冠层反射光谱的面状信息，并相应计 肥)方面发挥了非常大的作用 。各种胁迫如缺氮 算出单位面积潜在产量、施氨量，按照不同的施 干早等都会使植株叶片的光反射特性发生改变.，通 量再由变量施肥机直接在田间实施作业 过检测冠层光学反射特性可以了解作物的营养。影 利用Greenseek诊断作物的营养状况的研究在 响叶片对光吸收和光反射的主要是叶绿素、蛋白 我国还未见报道 国家农业信息化工程技术研究中 质、水分和含碳化合物，其中影响最大的是叶绿素 心在2004年引进美国俄克拉荷马(Oaoa)州立 含量，利用湿感技术桶过监测作物冠层的光反射和 大学及ch公司开发的光谱仪 并在北京小汤 光吸收来监测作物的氮素营养状况 宽波段和多沙 基地开展了变量施肥机具的实时光学诊断技术的可 段光谱仪的监测表明，近红外波段(800m左 究。在国内，赵春江等研制了归 化差异植都 右、红光波段(680m左右)和绿光波段(560 指数仪，利用日光作光源，通过4个具有特殊光谱 m左右)之间组合生成的植被指数被证明可以用 响应特性的光电探测器， 在近红外和红光两个特 来监测作物（水稻、棉花、玉米）体内氨素状 波长处，分别对入射光和植被的反射光进行探测 况1。高光谱遥感中除了这些指数外，红边参 经模拟数字转换后，求出归一化差异植被指数，并 12 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 3 植株无损测试诊断 311 SPAD 计快速诊断 随着科学技术的发展 , 一些具有智能化和信息 化的测试技术得到发展 , 植株氮素诊断逐步向依据 作物生长状况的植株营养诊断发展 , 为了便于田间 生长作物氮素营养状况的快速诊断 , 日本研发生产 了手持式 SPAD - 502 型叶绿素计 (chlorophyll me2 ter) [18 ] , 其原理是基于对红光的强烈吸收和对远红 外光的低吸收 , 具有操作简单、数据获取迅速、不 需要耗材、对植株和环境没有负作用等优点。用 SPAD 值估计叶片单位重量含氮量 , 在田间通过测 试植物的叶片绿度估测作物氮营养的状况 , 并已经 在棉花、水稻、小麦、玉米和大麦等多种作物上得 到应用和推广[19 - 23 ] 。叶绿素计诊断追氮法已经作 为亚热带地区灌溉水稻诊断追氮的实用方法[19 ] , 水稻幼穗分化期叶绿素计读数 (SPAD 值) 与单位 面积叶绿素含量、含氮量呈极显著正相关 (p < 0101) 。李志宏等[22 ,24 ]用叶绿素仪监测夏玉米氮营 养状况 , 结果表明 , SPAD 值与作物全氮、施氮量 及产量之间均有较好的相关性 , 夏玉米追肥推荐中 营养状况的预测精度为 66117 %。 但由于 SPAD 读数受光辐射照度的影响较 大[25 ] , 且该方法必须接触测定和需要测定多株植 物以其平均值作为测定结果 , 有工作量较大的缺 点[22 ] , 因此 , 寻找一种更为简便、快速、并能在 大面积范围内使用非接触性仪器来判定作物氮素营 养状况的方法 , 已经成为实施精准农业变量施肥的 关键。 312 遥感技术的应用 近年来 , 遥感技术在精确农业管理 (尤其是氮 肥) 方面发挥了非常大的作用。各种胁迫如缺氮、 干旱等都会使植株叶片的光反射特性发生改变 , 通 过检测冠层光学反射特性可以了解作物的营养。影 响叶片对光吸收和光反射的主要是叶绿素、蛋白 质、水分和含碳化合物 , 其中影响最大的是叶绿素 含量 , 利用遥感技术通过监测作物冠层的光反射和 光吸收来监测作物的氮素营养状况。宽波段和多波 段光谱仪的监测表明 , 近红外波段 ( 800 nm 左 右) 、红光波段 (680 nm 左右) 和绿光波段 (560 nm 左右) 之间组合生成的植被指数被证明可以用 来监测作物 (水稻、棉花、玉米) 体内氮素状 况[26 - 28 ] 。高光谱遥感中除了这些指数外 , 红边参 数法、带宽归一化分析法等也认为是反演植物氮素 状况的一个有效方法[29 ] 。 另外 , 通过高光谱成像光谱仪获取小麦生长情 况的遥感成像图 , 通过植被指数进行估产和施肥也 得到推广和应用。宋晓宇等[30 ]利用扫描式成像光 谱仪获取冬小麦长势和小麦叶面积指数 , 根据目标 产量的需氮量和测得的作物吸收氮素的差值 , 计算 出氮肥的施用量。随着遥感技术的发展 , 一些高分 辨率的航片也逐渐应用于农业生产的管理 , 如航空 可见光近红外成像光谱仪 (AVIRIS) 、小型机载成 像光谱仪 (CASI) 等高分辨率的航空图像和卫星图 像也逐渐用来大面积监测作物的氮素营养状况[30 ] 。 密苏里州立大学的 Scarf [31 ]建立了基于航空照片的 玉米追肥决策算法 , 该算法主要是根据未施肥区玉 米的绿度值与充足施肥区玉米绿度值的比值来计 算 , 两者颜色差异越大 , 追肥也越多 , 在随后的大 田试验研究也证明该算法和实际的最佳氮用量十分 吻合。但是该算法必须在满足以下条件时才适用 : 前不施肥 , 必须从照片上除去土壤背景的像素 , 必 须用相对于充足施肥区的绿度比值进行比较。因 此 , 在实际生产上的推广应用还受到一定限制。 313 手持式主动遥感仪 Greenseek 美国 NTech Industries 公司开发的 GreenSeeker [32 ] 是利用光学原理监测作物长势以推算作物体内营养 状况。Lukina [33 ]等提出的氮肥优化算法 (N fertiliza2 tion optimization algorithm NFOA) , 主要的核心就是 根据田间作物的归一化植被指数 NDVI (Normalized difference vegetable index) 预测潜在产量和当时作物 对氮的吸收 , 以此原理开发的光传感实时变量施肥 机 , 可以满足大田变量施肥的要求。通过光传感器 实时获取小麦冠层反射光谱的面状信息 , 并相应计 算出单位面积潜在产量、施氮量 , 按照不同的施肥 量再由变量施肥机直接在田间实施作业。 利用 Greenseek 诊断作物的营养状况的研究在 我国还未见报道 , 国家农业信息化工程技术研究中 心在 2004 年引进美国俄克拉荷马 (Oklahoma) 州立 大学及 Ntech 公司开发的光谱仪 , 并在北京小汤山 基地开展了变量施肥机具的实时光学诊断技术的研 究。在国内 , 赵春江[34 ]等研制了归一化差异植被 指数仪 , 利用日光作光源 , 通过 4 个具有特殊光谱 响应特性的光电探测器 , 在近红外和红光两个特征 波长处 , 分别对入射光和植被的反射光进行探测 , 经模拟数字转换后 , 求出归一化差异植被指数 , 并 — 12 — 中国土壤与肥料 2008 (4)
中国土壤与肥料2008(4) 利用NDVI仪的数据，成功监测了小麦植株的叶面 (氮、磷、钾)和微量、中量元素，提高肥料的利 积、叶绿素密度 用率，减少肥料对环境的污染 3.4计算机视觉技术 参考文献 计算机视觉(Computervision)又称机器视觉 是指用计算机实现人的视觉功能，对客观世界三维 陈新平，李志宏，王兴仁，等土壤、植株快速测试推荐 场景的感知、识别和理解。它是一个发展十分迅速 施肥技术体系的建立与应用U】.土痒肥科.1999.（②）：6 的研究领域，涉及人工智能、神经生物学、心理物 理学、计算机科学、图像处理、模式识别等，目前 2]郭庆法，王庆成.玉米栽培学原理M.上海：上海科学 技术出版并。2m4407.409 已在医疗诊断、自动检测与控制、智能机器人、军 B)陶勤南，方弹，吴良欢。等.水稻氯素营养的叶色研究 事、遥感、科研、生活等方面得到广泛应用，取得 [].土W.1990.22(4):90-193. 了巨大的经济与社会效益)。发达国家和地区己 【)渐江农业大学，作物营养与施肥[M北京：中国农业出 在农业计算机视觉方面进行了广泛深入的研究，如 版社，1999.387388 农业种质资源管理、获取作物生长状态信息、农产 5)张名福。李健，吕佳敏。等。柑橘二次营养诊断配方施肥 与产量的关系1福建果树，2000，(1)：7,10 品白动化收获、农产品品质鉴定、十地资源调查等 【6】赵明范 核桃叶片NPK元素营养诊断指标的研究U],林 方面得到应用 业料与 1991,27,6)652-657 71 李辉桃 4植株氮素营养快速诊断的展望 李网。等。乾县苹果营养诊断和施肥研 北表 4.1 完善和规范日前植株诊断方法的标准 8 新及施肥材 根据我国目前测土配方施肥的要求，应该对目 准浙江林学院学报 前应用比较普遍的植株氨素的诊断方法进行完善和 9 规范，根据作物种类、土壤类型、产量水平按照区 变化与看前施肥的 域制定统一的标准，建立植株诊断与施肥指标，从 而减少氯肥的施入。同时要不断引进和推广能够适 3：30 应精准农业需要和发展的植株氨素诊断新方法，加 曹红生，黄德明食仲林等小麦迫施氨的快速营荞 强SPAD计和Greenscek等无损测试技术与经典方 2 诊技术研究1,南京农业大学学报，1990,13)： 法的校验。 4.2加强谣感信息数据的解译 [)危常州，张福镇，朱和明，等.新疆棉花氨营养诊断及追 遥感信息是获取作物生长最实时、快速的方法 更推荐研究11.中国农业科学，2002,35(12)：1500 之一，根据作物长势、叶色判断结合土壤的养分测 1505 李生秀.关于土壤供氧相标的研究「对几种测定土填供氨 定用于施肥决策，特别是在反映氨素和作物估产方 [14 能力方法的评价01.土壤学报.190.27(3)：233.240 面己经比较成熟 利用数码图像获取作物信息和遥 51 李志宏，张福锁，王兴仁.我国北方地区几种主要作物阂 感多元数据的融合技术的发展将是未来遥感在农业 素诊断及迫肥推荐研究植株硝酸盐快速诊断方法的研究 上应用的突破，将大幅度提高指导大面积追肥的实 U1.箱物营养与肥料学报，19973(3)：268·274 时性和准确性 [161 杨卓亚，毛达如，那则瑶。 而硝态在冬小麦综合随 4.3植株诊断综合指标 应函数中的应用.仲凯农业技术学院学报，1996， (1):263 氮素是植物必需营养元素之一，氮素营养诊断 [17] 麻新1 周金迟，王兴 ,等 必然受到其它元素的影响，因此 ,必须考虑其它营 应用土装无机氯测试进行 小麦氨肥推荐的研究】土肥料，1997，(5)：19 养元素对氮素营养的影响作用，微量元素及其它元 素的缺乏与讨量常常与氨素诊断相关，特别是在果 [8 叶绿素计 树和蔬菜中容易出现微量元素的缺乏需要综合 科技通报 83) 进行诊断。结合测土配方施肥3414试验的落实 9 水稻叶绿素计诊断追肥法研究小. 建立不同作物在不同生育时期营养元素的综合诊断 指标包括作物需求量比拉大的大量营养元素 [20] 延林 王人湖张会恒 等高光与叶绿素计快速 1 C1994-2010 China Academic Jo All rights htto'/cn
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 利用 NDVI 仪的数据 , 成功监测了小麦植株的叶面 积、叶绿素密度。 314 计算机视觉技术 计算机视觉 (Computervision) 又称机器视觉 , 是指用计算机实现人的视觉功能 , 对客观世界三维 场景的感知、识别和理解。它是一个发展十分迅速 的研究领域 , 涉及人工智能、神经生物学、心理物 理学、计算机科学、图像处理、模式识别等 , 目前 已在医疗诊断、自动检测与控制、智能机器人、军 事、遥感、科研、生活等方面得到广泛应用 , 取得 了巨大的经济与社会效益[35 ] 。发达国家和地区已 在农业计算机视觉方面进行了广泛深入的研究 , 如 农业种质资源管理、获取作物生长状态信息、农产 品自动化收获、农产品品质鉴定、土地资源调查等 方面得到应用。 4 植株氮素营养快速诊断的展望 411 完善和规范目前植株诊断方法的标准 根据我国目前测土配方施肥的要求 , 应该对目 前应用比较普遍的植株氮素的诊断方法进行完善和 规范 , 根据作物种类、土壤类型、产量水平按照区 域制定统一的标准 , 建立植株诊断与施肥指标 , 从 而减少氮肥的施入。同时要不断引进和推广能够适 应精准农业需要和发展的植株氮素诊断新方法 , 加 强 SPAD 计和 Greenseek 等无损测试技术与经典方 法的校验。 412 加强遥感信息数据的解译 遥感信息是获取作物生长最实时、快速的方法 之一 , 根据作物长势、叶色判断结合土壤的养分测 定用于施肥决策 , 特别是在反映氮素和作物估产方 面已经比较成熟 , 利用数码图像获取作物信息和遥 感多元数据的融合技术的发展将是未来遥感在农业 上应用的突破 , 将大幅度提高指导大面积追肥的实 时性和准确性。 413 植株诊断综合指标 氮素是植物必需营养元素之一 , 氮素营养诊断 必然受到其它元素的影响 , 因此 , 必须考虑其它营 养元素对氮素营养的影响作用 , 微量元素及其它元 素的缺乏与过量常常与氮素诊断相关 , 特别是在果 树和蔬菜中 , 容易出现微量元素的缺乏 , 需要综合 进行诊断。结合测土配方施肥 3414 试验的落实 , 建立不同作物在不同生育时期营养元素的综合诊断 指标 , 包括作物需求量比较大的大量营养元素 (氮、磷、钾) 和微量、中量元素 , 提高肥料的利 用率 , 减少肥料对环境的污染。 参考文献 : [1 ] 陈新平 , 李志宏 , 王兴仁 , 等. 土壤、植株快速测试推荐 施肥技术体系的建立与应用 [J ]. 土壤肥料 , 1999 , (2) : 6 - 10. [2 ] 郭庆法 , 王庆成. 玉米栽培学原理 [M]. 上海 : 上海科学 技术出版社 , 2004. 407 - 409. [3 ] 陶勤南 , 方萍 , 吴良欢 , 等. 水稻氮素营养的叶色研究 [J ]. 土壤 , 1990 , 22 (4) : 190 - 193. [4 ] 浙江农业大学 , 作物营养与施肥 [M]. 北京 : 中国农业出 版社 , 1999. 387 - 388. [5 ] 张名福 , 李健 , 吕佳敏 , 等. 柑橘二次营养诊断配方施肥 与产量的关系 [J ]. 福建果树 , 2000 , (1) : 7 - 10. [6 ] 赵明范. 核桃叶片 NPK元素营养诊断指标的研究 [J ]. 林 业科学 , 1991 , 27 , (6) : 652 - 657. [7 ] 李辉桃 , 翟丙年 , 李冈 , 等. 乾县苹果营养诊断和施肥研 究 [J ]. 西北农业大学学报 , 1997 , 25 (5) : 44 - 48. [8 ] 周建 , 袁德义 , 张琳 , 等. 黄金梨叶片营养诊断及施肥标 准 [J ]. 浙江林学院学报 , 2007 , 24 (1) : 39 - 43. [9 ] Woodson. Petiole nitrate concentration as an indicator of Geranium nitrogen status [J ]. Soil Science , 1983 , 14 (9) : 363 - 372. [10 ] 山西运城地区农科所. 棉株叶柄硝态氮变化与看苗施肥诊 断技术 [J ]. 土壤肥料 , 1974 , (2) : 28 - 31. [11 ] 曾庆方. 棉花叶柄氮磷变化与施肥 [J ]. 农业科技通讯 , 1989 , (3) : 30. [12 ] 曹红生 , 黄德明 , 俞仲林 , 等. 小麦追施氮肥的快速营养 诊断技术研究 [J ]. 南京农业大学学报 , 1990 , 13 (1) : 8 - 13. [13 ] 危常州 , 张福锁 , 朱和明 , 等. 新疆棉花氮营养诊断及追 肥推荐研究 [J ]. 中国农业科学 , 2002 , 35 (12) : 1500 - 1505. [14 ] 李生秀. 关于土壤供氮指标的研究 Ⅰ对几种测定土壤供氮 能力方法的评价 [J ]. 土壤学报 , 1990 , 27 (3) : 233 - 240. [15 ] 李志宏 , 张福锁 , 王兴仁. 我国北方地区几种主要作物氮 素诊断及追肥推荐研究 Ⅱ植株硝酸盐快速诊断方法的研究 [J ]. 植物营养与肥料学报 , 1997 , 3 (3) : 268 - 274. [16 ] 杨卓亚 , 毛达如 , 邵则瑶. 剖面硝态氮在冬小麦综合施肥 效应函数中的应用 [J ]. 仲凯农业技术学院学报 , 1996 , 9 (1) : 26 - 31. [17 ] 陈新平 , 周金迟 , 王兴仁 , 等. 应用土壤无机氮测试进行 冬小麦氮肥推荐的研究 [J ]. 土壤肥料 , 1997 , (5) : 19 - 21. [18 ] 沈掌泉 , 王珂 , 朱君艳. 叶绿素计诊断不同水稻品种氮素 营养水平的研究初报 [J ]. 科技通报 , 2002 , 18 (3) : 173 - 176. [19 ] 吴良欢 , 陶勤南. 水稻叶绿素计诊断追肥法研究 [J ]. 浙 江大学学报 (农业与生命科学版) , 1999 , (2) : 135 - 138. [20 ] 唐延林 , 王人潮 , 张金恒 , 等. 高光谱与叶绿素计快速测 — 13 — 中国土壤与肥料 2008 (4)
中国土壤与肥料2008(4) 定大麦氮素营养状况研究1.麦类作物学报，2003,23 [28】Ray MB,James SS,GyEV,et.deficiency女 1)·63.66. tection using reflected short-wave radiation fiom irrigted com [21朱新开，盛海君，顾品，等应用SPD值预测小麦叶片 anopies [J].Agommy Jourral 1996,88:1.5. 叶绿素和氨含量的初步研究D1.麦类作物学报，205,25 1291 赵春江，黄文江，王纪华，等.不同品种、肥水条件下小 (2):46-50. 麦光谐红边参数研究U小.中国农业科学，2002.35(8) 李志宏，张云贵，刘宏城，等.叶绿素仪在夏玉米氮营养 980-987. 诊断中的应用U小.植物营养与肥料学报，2005,1(6)： I301 末晓字，王纪华，薛绪掌，等。利用航空成像光谱数据研 764-768. 究士壤供氮量及变量施肥对冬小麦长势影响)】.农业工 [23】李志宏，张宏，张福镇.应用叶绿素仪诊断冬小麦营 程学报，2004,20(40：45.49. 养状况的研究)】.植物营养与肥料学报，2003,9(4)： BI] Scharf P C.Lory J A.Calibratine corn color fiom aerial pho 401-405 togaphs predict side dress N need [Agommy Joural [24]Soott C Chapman,Hector J.Barreto.Using a chlorophyll meter to 2002,94:397.404 e国e specific leaf ogen of tropical座ze duning vegetative [32] Optimie you ferilerlas and php://www.mc ,1997,9:53756 [25 Hoel BO.So ce on the chlomphyil es文 133 Lukana EV, with the SPAD 02 leaf chlomphyll meter [J ]Annals o on in 8,233893 24(6) 885·89 [26] 薛利 罗卫红等。基于冠层反射光请的水程 134] ,刘良云。周汉昌 等.归一化差异植被指数仪的 体叶 片氮素状况监测1中国农业科学，203,36 研制与应用卩]，光学技 200,303)：324·329 (7):807-812 135] 刘洪见，郑敏。廖树华等 计算机视完技术在衣作物 [271 on KF.Ch TT,Booker J D.et al.In- 氨素营养诊 上的应 用研究进展卫].麦类作物学报 in img 2005,25(5):117.12 ence Socicty of American Journal 2003.67:1439-144 osis O Jian-hua,ZHAO Ch lechrology in Agnculture Beijing 100097) Abstraet:Based on the overview of the crop nitrogen nutrition diagrosis,the merits and shortcomings of different diagrosis meth ods were summarized.k should be a trend to combine the ron-destructive measurement with the traditional cop nitrogen nutrition diagnosis.On the soil testine and fertilizer recommendation.the technology of the extensive cop nitrogen nutrition diagnosis should -14 4-010 Chima Acodemie Joua Electronie Publishing House.All righs resered hp:/
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 定大麦氮素营养状况研究 [J ]. 麦类作物学报 , 2003 , 23 (1) : 63 - 66. [21 ] 朱新开 , 盛海君 , 顾晶 , 等. 应用 SPAD 值预测小麦叶片 叶绿素和氮含量的初步研究 [J ]. 麦类作物学报 , 2005 , 25 (2) : 46 - 50. [22 ] 李志宏 , 张云贵 , 刘宏斌 , 等. 叶绿素仪在夏玉米氮营养 诊断中的应用 [J ]. 植物营养与肥料学报 , 2005 , 11 (6) : 764 - 768. [23 ] 李志宏 , 张宏斌 , 张福锁. 应用叶绿素仪诊断冬小麦氮营 养状况的研究 [J ]. 植物营养与肥料学报 , 2003 , 9 (4) : 401 - 405. [24 ] Scott C Chapman , Hector J. Barreto. Using a chlorophyll meter to estimate specific leaf nitrogen of tropical maize during vegetative growth [J ]. Agronomy Journal , 1997 , 89 : 557 - 562. [25 ] Hoel B O , Solhaug KA. Effect of irradiance on the chlorophyll esti2 mation with the SPAD - 502 leaf chlorophyll meter [J ]. Annals of Botany , 1998 , 82 (3) : 389 - 392. [26 ] 薛利红 , 曹卫星 , 罗卫红 , 等. 基于冠层反射光谱的水稻 群体叶片氮素状况监测 [J ]. 中国农业科学 , 2003 , 36 (7) : 807 - 812. [27 ] Bronson K F , Chua T T, Booker J D , et al. In - season nitrogen status in irrigated cotton II Leaf nitrogen and biomass [J ]. Soil Sci2 ence Society of American Journal , 2003 , 67 : 1439 - 1448. [28 ] Racy M B , James S S , Gary E V , et al. Nitrogen deficiency de2 tection using reflected short - wave radiation from irrigated corn canopies [J ]. Agronomy Journal , 1996 , 88 : 1 - 5. [29 ] 赵春江 , 黄文江 , 王纪华 , 等. 不同品种、肥水条件下小 麦光谱红边参数研究 [J ]. 中国农业科学 , 2002 , 35 (8) : 980 - 987. [30 ] 宋晓宇 , 王纪华 , 薛绪掌 , 等. 利用航空成像光谱数据研 究土壤供氮量及变量施肥对冬小麦长势影响 [J ]. 农业工 程学报 , 2004 , 20 (4) : 45 - 49. [31 ] Scharf P C , Lory J A . Calibrating corn color from aerial pho2 tographs to predict side dress N need [J ]. Agronomy Journal , 2002 , 94 : 397 - 404. [32 ] Optimize your fertilizer dollars and profit. http : / / www. ntechin2 dustries. com/ greenseeker - home. htm. [33 ] Lukina E V , Freeman KW. Nitrogen fertilization optimization algo2 rithm on in - season estimated of yield and plant nitrogen uptake [J ]. Journal Plant Nutrition , 2001 , 24 (6) : 885 - 898. [34 ] 赵春江 , 刘良云 , 周汉昌 , 等. 归一化差异植被指数仪的 研制与应用 [J ]. 光学技术 , 2004 , 30 (3) : 324 - 329. [35 ] 刘洪见 , 郑丽敏 , 廖树华 , 等. 计算机视觉技术在农作物 氮素营养诊断上的应用研究进展 [J ]. 麦类作物学报 , 2005 , 25 (5) : 117 - 121. Research advancement and status on crop nitrogen nutrition diagnosis GUO Jian - hua , ZHAO Chun - jiang , WANG Xiu , CHEN Li - ping (National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture , Beijing 100097) Abstract : Based on the overview of the crop nitrogen nutrition diagnosis , the merits and shortcomings of different diagnosis meth2 ods were summarized. It should be a trend to combine the non - destructive measurement with the traditional crop nitrogen nutrition diagnosis. On the soil testing and fertilizer recommendation , the technology of the extensive crop nitrogen nutrition diagnosis should be strengthened so as to increase the accuracy of the formulated fertilizer. Therefore , a comprehensive index system of different crops nitrogen nutrition diagnosis should be built. Key words : nitrogen ; nutrition diagnosis; non - destructive measurement ; hyperspectral remote sensing — 14 — 中国土壤与肥料 2008 (4)