用于植物營養(yǎng)診斷的幾種便攜式光譜儀應(yīng)用比較

盧艷麗，白由路

（農(nóng)業(yè)部作物營養(yǎng)與施肥重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

利用便攜式光譜儀進(jìn)行植物營養(yǎng)診斷主要是針對(duì)氮素營養(yǎng)。這主要是因?yàn)榈厥侵参锸┯昧孔畲蟮臓I養(yǎng)元素，是影響作物葉片葉綠素含量和作物長勢(shì)比較敏感的元素。同時(shí)，在作物生育期內(nèi)，氮素是以追肥的形式對(duì)作物進(jìn)行補(bǔ)充的。由此可見，對(duì)作物氮素進(jìn)行診斷具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。盡管化學(xué)診斷相對(duì)更加準(zhǔn)確，但分析操作繁瑣，工作量大，田間破壞性大，測(cè)定結(jié)果滯后。實(shí)現(xiàn)在田間適時(shí)、相對(duì)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)作物的氮素變化動(dòng)態(tài)是光譜技術(shù)發(fā)展的主要成就，也是相對(duì)于癥狀診斷和化學(xué)診斷等其它方法的主要優(yōu)勢(shì)。該文針對(duì)當(dāng)前幾種在植物營養(yǎng)診斷上應(yīng)用較廣的便攜式光譜測(cè)定儀的特點(diǎn)、適用范圍以及應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹和比較。為其在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用提供參考。

1 光譜儀分類

便攜式光譜儀可以實(shí)現(xiàn)野外植被快速、無損氮素營養(yǎng)診斷。可用于野外光譜監(jiān)測(cè)的光譜儀根據(jù)各自特點(diǎn)可作如下分類。

1.1 按照光源分

主動(dòng)光源：主動(dòng)光源是指儀器內(nèi)部自帶照明光源，而不是利用太陽光或外界其他人工光源。其最大的優(yōu)點(diǎn)就是不受時(shí)間和天氣等因素影響，可隨時(shí)隨地進(jìn)行測(cè)定，主要針對(duì)單個(gè)葉片的反射或吸收光譜進(jìn)行測(cè)定。

被動(dòng)光源：即利用外界光源照射目標(biāo)地物，探頭探測(cè)和接受地物反射光譜。其優(yōu)點(diǎn)是不僅可以測(cè)定單葉的光譜反射率，也可以測(cè)定植被冠層反射光譜。但是野外測(cè)定會(huì)受天氣、太陽高度角等外界因素影響。

1.2 按照測(cè)定方式分

接觸式測(cè)定：即直接接觸目標(biāo)物進(jìn)行測(cè)定，通常是針對(duì)單葉采用夾持葉片的方式進(jìn)行測(cè)定。這種測(cè)定方式都是利用的主動(dòng)光源。

非接觸式測(cè)定：即不用接觸目標(biāo)物進(jìn)行測(cè)定，是冠層光譜測(cè)定的主要方式，也可以測(cè)定單葉。這種方式既有主動(dòng)光源 （如Greenseeker手持式光譜儀），也有被動(dòng)光源 （如ASD Fieldspec FR2 500光譜儀）。

1.3 按照波段數(shù)分

雙波段光譜儀：顧名思義，是采用兩個(gè)波段進(jìn)行設(shè)計(jì)的光譜儀。目前幾種應(yīng)用在作物營養(yǎng)診斷上的光譜儀均是采用紅光和近紅外兩個(gè)光譜區(qū)。通過兩者不同形式的比值來反映作物的營養(yǎng)狀況。

全波段光譜儀：主要指的是波段范圍在350～2 500 nm，可獲得連續(xù)光譜曲線和反射率數(shù)據(jù)的光譜儀。因其波段范圍寬、光譜分辨率高，可獲取目標(biāo)信息量大的特點(diǎn)又稱其為高光譜儀。通過獲取305～2 500nm范圍內(nèi)的反射光譜信息，提取植物氮素營養(yǎng)的敏感波段，構(gòu)建反映氮素營養(yǎng)狀況的光譜特征參量。

2 光譜儀介紹

下面以目前在植物營養(yǎng)診斷方面應(yīng)用比較廣泛的幾種便攜式光譜儀做一概括和比較。

2.1 基于主動(dòng)光源非接觸式葉片測(cè)定光譜儀—SPAD-502葉綠素測(cè)定儀

基于主動(dòng)光源進(jìn)行葉片無損測(cè)定，并且能夠指示氮素營養(yǎng)狀況的最有代表性的要數(shù)日本生產(chǎn)的SPAD-502葉綠素測(cè)定儀 （Chlorophyll Meter Model SPAD-502）。 是當(dāng)前廣泛使用的葉綠素活體測(cè)定方法，非常簡便。SPAD-502葉綠素儀通過測(cè)量葉片在兩種波長光學(xué)濃度差方式650nm和940nm來確定葉片當(dāng)前葉綠素的相對(duì)數(shù)量。利用兩個(gè)LED光源發(fā)射兩種光，一種是紅光 (峰波長650nm，對(duì)光有較高的吸收且不受胡蘿卜素影響)，一種是紅外線 (940nm，對(duì)光的吸收極低)，測(cè)量時(shí)只需夾住葉片，但由于不同部位SPAD值差異較大，通常一片葉均勻地測(cè)定幾個(gè)點(diǎn)取平均值來代表該葉片的SPAD值。測(cè)量值是通過對(duì)在兩個(gè)不同波長區(qū)域，葉片傳輸光的數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。

2.2 基于主動(dòng)光源非接觸式冠層、葉片測(cè)定光譜儀

2.2.1 Greenseeker手持式光譜儀

目前，應(yīng)用最為廣泛的植被指數(shù)是歸一化植被指數(shù) (NDVI， Normalized Difference Vegetation Index）， 其公式為NDVI＝(NIR-R)/(NIR+R)，其中NIR和R分別代表近紅外和紅外光波段的反射率。NDVI變化與作物的長勢(shì)具有密切相關(guān)的關(guān)系，與作物氮素營養(yǎng)狀況具有較好的相關(guān)性。依據(jù)此原理，美國澳克拉荷馬大學(xué)與Ntech公司聯(lián)合開發(fā)了測(cè)取NDVI指數(shù)的手持式便攜光譜儀GreenSeeker。Greenseeker手持式光譜儀采用主動(dòng)遙感方式，通過發(fā)射近紅外光 （780±6nm）和紅光 （671±6nm），經(jīng)作物冠層反射后，獲得光譜數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過自帶的Ntech軟件經(jīng)過計(jì)算直接得到NDVI值。從而反映作物對(duì)于養(yǎng)分的響應(yīng)、作物生長條件和潛在產(chǎn)量等。也可以用來監(jiān)測(cè)作物生長期間，田間 （作物、植被）環(huán)境的變化，或者對(duì)比不同施肥量與當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)施肥量之間所產(chǎn)生的差異。

2.2.2 NDVI儀

同樣道理，利用NDVI與作物生長和營養(yǎng)狀況的相關(guān)性，國內(nèi)外科研工作者和企業(yè)研發(fā)了相應(yīng)的雙波段儀器，即利用紅光區(qū) （660nm，）和近紅外區(qū) （740nm，）雙通道光譜。這些小型便攜式的NDVI儀由于濾光片的質(zhì)量有差異，其價(jià)位和測(cè)定精度也有一定的差異?？捎脕矶ㄐ苑从匙魑锏拈L勢(shì)和氮素營養(yǎng)狀況。

2.2.3 高光譜儀

20世紀(jì)60～70年代，美國農(nóng)業(yè)部 （USDA）的研究人員詳細(xì)測(cè)定和分析了干燥和搗碎的多種植物葉片的光譜，獲得在400～2 400nm光譜范圍內(nèi)大約42處對(duì)應(yīng)一定生物化學(xué)成分的吸收特征。隨著光譜技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了野外活體監(jiān)測(cè)植物很多化學(xué)成分的光譜信息。高光譜遙感以其超多波段、高分辨率等特點(diǎn)，使其可探測(cè)植被的精細(xì)光譜信息，特別是在估測(cè)植被各種生化組分的吸收光譜信息上表現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。因此高光譜儀是科研工作者研究地物光譜信息的有利工具，但是價(jià)格比較貴。

用于野外地面監(jiān)測(cè)的高光譜儀可以設(shè)計(jì)不同的波段范圍。目前應(yīng)用比較多的主要是美國ASD公司生產(chǎn)的手持式地物光譜儀，體積小，測(cè)量范圍較窄，波段范圍400～1 100nm，價(jià)格相對(duì)便宜；另一種也是ASD公司生產(chǎn)的背掛式地物光譜儀，體積較大，測(cè)量范圍較寬，波段范圍是350～2 500nm，價(jià)格比較貴。后者可選擇不同視場(chǎng)角度 （5度、8度、25度）的光纖探頭以適應(yīng)不同面積大小的目標(biāo)物，例如進(jìn)行非接觸式測(cè)定植物葉片時(shí)，為了使得探測(cè)葉片充滿整個(gè)視場(chǎng)，通常采用較小角度的光纖，避免葉片以外其它背景的干擾。而在田間測(cè)定冠層光譜的時(shí)候，則需要采用較大角度的光纖，覆蓋面積較大有利于增加樣區(qū)的代表性。

另外，ASD Fieldspec FR2 500光譜儀不僅可以進(jìn)行冠層和單葉光譜非接觸式的測(cè)定，還可以與植被探頭連接進(jìn)行單葉光譜測(cè)定，因?yàn)橹脖惶筋^是自帶照明光源 （模擬太陽光）的，因此不受外界因素的干擾，可以獲取穩(wěn)定而連續(xù)的光譜反射率曲線，提高了植物氮素營養(yǎng)的反演精度。

3 幾種光譜儀在植物氮素營養(yǎng)診斷上應(yīng)用比較

利用SPAD-502葉綠素測(cè)定儀、Greenseeker手持式光譜儀獲取的是單個(gè)數(shù)值，而ASD Fieldspec FR2500光譜儀獲取的是一條350～2 500nm波段范圍的連續(xù)平滑的曲線。同時(shí)可以看出，這3種儀器所測(cè)得的數(shù)據(jù)與氮素施用水平都有很好的相關(guān)性，隨著施氮量的增加，SPAD值和NDVI值均呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，整體趨勢(shì)是先增加后降低，并且，SPAD與NDVI具有一致性。而高光譜反射率數(shù)據(jù)則包含了更多的信息，不僅可以反映氮素營養(yǎng)水平，還可以提取葉面積指數(shù)、生物量以及與氮素密切相關(guān)的葉綠素含量等信息，這些都是可以用來輔助診斷作物氮素水平的。

由此可見，幾種作為氮素營養(yǎng)快速無損診斷的工具在生產(chǎn)中的應(yīng)用各有優(yōu)勢(shì)，也存在著各自的局限性。SPAD-502葉綠素測(cè)定儀體積小、便于攜帶、操作簡單，可以定性地指導(dǎo)追肥。但是，在實(shí)際應(yīng)用中往往受到作物品種、生育期及生長環(huán)境等因素的影響，當(dāng)測(cè)定對(duì)象數(shù)量較多時(shí)，耗時(shí)過長，樣本測(cè)定同步性差。另外還有一個(gè)局限性：當(dāng)SPAD值超過50時(shí)，測(cè)量精度降低，而作物在生育前期達(dá)到50的情況很常見，例如玉米在拔節(jié)期前后葉片的SPAD值基本都在50以上。Greenseeker盡管也是手持式的，但是體積并不小，主要用來測(cè)定冠層的NDVI值，這款儀器及其系統(tǒng)最初開發(fā)的主要針對(duì)美國農(nóng)場(chǎng)條件下對(duì)比不同施肥量與當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)施肥量之間所產(chǎn)生的差異，即通過富氮區(qū) （NRS，Nitrogen Rich Strip）和低氮區(qū) （FPS，F(xiàn)armer Practice Strips）獲得氮素響應(yīng)指數(shù)進(jìn)行施肥推薦。而在我國由于農(nóng)民施肥量本身就很高，所以利用對(duì)比來指導(dǎo)施肥還存在欠缺，但是可以快捷并且較精確地獲得冠層NDVI值，有助于監(jiān)測(cè)作物長勢(shì)和養(yǎng)分狀況。ASD Fieldspec FR2 500光譜儀由于信息量豐富的優(yōu)點(diǎn)，主要用在科研分析工作中，從其大量的數(shù)據(jù)中提取植物氮素營養(yǎng)的敏感波段，進(jìn)而研發(fā)價(jià)格低廉、適合我國國情的便攜式儀器也是其應(yīng)用的一個(gè)主要方向。

4 結(jié)語

近年來，隨著光譜技術(shù)的普遍應(yīng)用，我國在作物氮素營養(yǎng)快速無損的診斷的方面也做了大量的研究。盡管很多研究結(jié)果已經(jīng)比較成熟，但是在轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力方面還是存在著不足，在實(shí)際應(yīng)用上常常受到技術(shù)和材料的限制，研發(fā)的儀器達(dá)不到試驗(yàn)精度，進(jìn)口的儀器價(jià)格昂貴并且由于種植環(huán)境的不同適應(yīng)性較差。因此，在作物營養(yǎng)快速、無損、適時(shí)進(jìn)行診斷的儀器開發(fā)方面應(yīng)重點(diǎn)放在以下兩個(gè)方向：①研發(fā)適合我國國情的、價(jià)格低廉的并且相對(duì)精準(zhǔn)的便攜式儀器；②研發(fā)可搭載在機(jī)器上的、能夠在田塊和區(qū)域尺度上進(jìn)行適時(shí)診斷和推薦施肥的光譜測(cè)定儀。