水稻葉片無損監(jiān)測(cè)及精準(zhǔn)施肥技術(shù)研究

張玉屏 張義凱 王亞梁 陳惠哲 向鏡 朱德峰 王軍可 周濤 河野元渡橋啓介 崔明達(dá)

（1 中國水稻研究所/水稻生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310006；2 佐竹機(jī)械（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州215129；3 佐竹公司，日本廣島739-8602；第一作者：cnrrizyp@163.com）

1 水稻葉片無損監(jiān)測(cè)及精準(zhǔn)施肥技術(shù)的研究背景與意義

米飯?jiān)谌毡镜拿朗持谱髦?，起到了至關(guān)重要的作用，被稱為壽司的靈魂，所以日本人對(duì)米飯始終都有極高的要求，從種植生產(chǎn)、儲(chǔ)藏到烹煮，每一步都在追求極致。隨著現(xiàn)代信息及物流的發(fā)達(dá)，日本大米通過各種渠道進(jìn)入了我國市場(chǎng)，日本米飯的美味也被廣大消費(fèi)者認(rèn)可，其大米的食味值大多高于國內(nèi)品種。其實(shí)，我們國家也有很多優(yōu)良的水稻品種，但能與日本大米食味媲美的卻不多[1]。決定大米食味值的3 個(gè)主要因素是蛋白質(zhì)含量、直鏈淀粉含量和水分，其中蛋白質(zhì)含量和直鏈淀粉含量又占主導(dǎo)地位。日本食味品質(zhì)好的大米其蛋白質(zhì)含量在6%～7%之間，而我國大米的蛋白質(zhì)含量普遍偏高，絕大部分都在8%以上，蛋白質(zhì)含量過高是食味下降的直接因素，而蛋白質(zhì)含量與水稻種植過程中的穗肥用量息息相關(guān)[2-3]。

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鄉(xiāng)居民生活水平的提高，對(duì)稻米的需求已由數(shù)量型向品質(zhì)型及食味型轉(zhuǎn)變，優(yōu)質(zhì)食味水稻越來越受到人們的關(guān)注。影響稻米品質(zhì)的因素除了與品種本身遺傳特性有關(guān)外，還與栽培技術(shù)中肥料施用息息相關(guān)，特別是穗肥的用量。水稻生產(chǎn)中氮素是水稻必需的營養(yǎng)元素之一。氮肥施用不當(dāng)，不僅影響食味品質(zhì)，而且生產(chǎn)成本提高，病蟲害增多和污染環(huán)境，同時(shí)造成土壤耕性變差，加重對(duì)水稻產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[4-5]。采用稻葉無損監(jiān)測(cè)，以期解決水稻穗期肥料合理施用提高食味品質(zhì)問題。精準(zhǔn)施用穗肥，為水稻產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效精準(zhǔn)施肥及優(yōu)質(zhì)稻米產(chǎn)業(yè)化提供新方法和新技術(shù)，期望在保證最佳經(jīng)濟(jì)效益的前提下，為提高當(dāng)?shù)厮镜纳a(chǎn)效益提供科學(xué)的技術(shù)支撐。

本研究采用稻葉測(cè)氮儀對(duì)水稻倒4 葉位的葉片進(jìn)行無損監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲取水稻生長(zhǎng)過程中的葉片氮素含量，并根據(jù)3 個(gè)目標(biāo)值——高產(chǎn)、品質(zhì)、高產(chǎn)品質(zhì)均衡，構(gòu)建葉片含氮量與目標(biāo)值之間的施肥診斷數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施用穗肥。面積大的田塊葉片含氮量可用無人機(jī)拍攝，獲取NDVI 值以及GPS 定位圖片，對(duì)照NDVI值及葉片含氮量的相關(guān)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)按需定位施肥，達(dá)到提高食味品質(zhì)的目標(biāo)，為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)施肥方法提供依據(jù)，為智能化施肥提供標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)及方法。

2 水稻葉片無損監(jiān)測(cè)及精準(zhǔn)施肥技術(shù)初步應(yīng)用效果

2.1 無損監(jiān)測(cè)葉片含氮量與化學(xué)測(cè)定值的相關(guān)性

與國家水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系嘉興綜合試驗(yàn)站、金華綜合試驗(yàn)站及佐竹公司聯(lián)合開展4 年的研究，研發(fā)適于中國應(yīng)用的稻葉測(cè)氮儀CCN，通過該儀器無損監(jiān)測(cè)測(cè)定值及取樣開氏定氮儀化學(xué)測(cè)定值反復(fù)驗(yàn)證，大規(guī)模試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，建立秈稻、粳稻、秈粳雜交稻的儀器無損測(cè)定模式，使觀測(cè)值與化學(xué)測(cè)定值相一致，能實(shí)現(xiàn)真正意義上的無損監(jiān)測(cè)（圖1）。

圖1 不同類型品種葉片含氮量

表1 穗分化期無損監(jiān)測(cè)倒4 葉含氮量 （%）

表2 無損監(jiān)測(cè)值與施肥數(shù)據(jù)庫的初步框架（甬優(yōu)538）

2.2 初步構(gòu)建穗肥施用數(shù)據(jù)庫

根據(jù)高產(chǎn)量型、良食味型及均衡型的目標(biāo)，在穗分化期測(cè)定不同施肥條件下倒4 葉的含氮量，按照稻葉含氮量的閾值及土壤條件，構(gòu)建穗肥施用數(shù)據(jù)庫，精確確定穗肥施用量，為智能化施肥確定標(biāo)準(zhǔn)（表1、表2）。

2.3 初步提出水稻無損監(jiān)測(cè)智能化肥料減施技術(shù)

從圖2 可見，對(duì)于粳稻而言，隨著施肥總量的增加，產(chǎn)量增加；在相同基蘗肥條件下，隨著穗肥增加，產(chǎn)量增加；穗肥效果高于施肥總量效果，且穗肥量以2 kg/667 m2為佳。蛋白質(zhì)含量隨氮肥變化的趨勢(shì)與產(chǎn)量變化趨勢(shì)相同（圖3），所以從產(chǎn)量角度來看，穗肥極其重要，肥料減施可以從基蘗肥上考慮。但從食味品質(zhì)角度來看，穗肥多，蛋白質(zhì)含量過高，食味品質(zhì)變差（圖4）。所以，肥料的施用需要產(chǎn)量和品質(zhì)同時(shí)考慮，運(yùn)用無損監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)施肥，可以確保水稻穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。

2.4 探索采用無人機(jī)肥料補(bǔ)施與定位施用技術(shù)

歸一化植被指數(shù)即NDVI 值是反映農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)和營養(yǎng)信息的重要參數(shù)之一，穗分化期水稻葉片通過無人機(jī)所獲取的NDVI 值與葉片含氮量呈線性關(guān)系（圖5）。探索結(jié)合CCN 無損監(jiān)測(cè)、無人機(jī)的NDVI 值的獲取及GPS 定位的圖片拍攝，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)葉片含氮量及目標(biāo)值實(shí)現(xiàn)大面積田塊的精確施肥及補(bǔ)肥，達(dá)到提高食味品質(zhì)及預(yù)測(cè)食味品質(zhì)與市場(chǎng)相銜接的目標(biāo)，為稻米提質(zhì)增效提供新技術(shù), 為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供新方法，為農(nóng)民的增收提供新途徑（圖6）。無人機(jī)的應(yīng)用將進(jìn)一步豐富大面積田塊穗肥的精確施用及精確定位補(bǔ)施，進(jìn)而逐步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化和專業(yè)化。

圖2 不同穗肥條件下的水稻產(chǎn)量

圖3 不同穗肥條件下的蛋白質(zhì)含量

圖4 不同穗肥條件下的食味品質(zhì)

圖5 水稻葉片含氮量與NDVI 值的線性關(guān)系

圖6 無人機(jī)NDVI 值的獲取與田間拍攝（浙江金華，2019）

3 水稻葉片無損監(jiān)測(cè)及精準(zhǔn)施肥技術(shù)要點(diǎn)

水稻無損監(jiān)測(cè)施氮技術(shù)主要根據(jù)品種特性、氣候條件及土壤條件，通過稻葉測(cè)氮儀及無人機(jī)對(duì)水稻葉片進(jìn)行無損監(jiān)測(cè)與施肥診斷，根據(jù)既定的產(chǎn)量及品質(zhì)目標(biāo)，精確計(jì)算穗肥的施用量，達(dá)到減肥、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)（圖7）。主要技術(shù)要點(diǎn)：

1）通過對(duì)水稻倒4 葉位葉片進(jìn)行無損監(jiān)測(cè)，構(gòu)建穗分化期葉片含氮量的閾值，根據(jù)高產(chǎn)/優(yōu)質(zhì)目標(biāo)精確定量施用穗肥，為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)施肥方法提供依據(jù)，為優(yōu)質(zhì)稻信息化智能化施肥提供標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。

2）水稻無人機(jī)拍攝NDVI 值的獲取及GPS 定位的圖片，以實(shí)現(xiàn)面積大的稻田按需精確施肥及補(bǔ)肥，達(dá)到提高食味品質(zhì)及預(yù)測(cè)食味品質(zhì)與市場(chǎng)相銜接的目標(biāo)。

3）不同類型的水稻品種構(gòu)建不同的施肥診斷數(shù)據(jù)庫，通過CCN 的無損監(jiān)測(cè)及無人機(jī)NDVI 值的獲取，根據(jù)分類型監(jiān)測(cè)稻葉含氮量實(shí)現(xiàn)穗肥的精確施用及大米食味品質(zhì)的提升，為稻米提質(zhì)增效提供新技術(shù), 為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供新方法。

圖7 水稻葉片含氮量無損監(jiān)測(cè)與施肥診斷

4 目前存在的問題及展望

稻葉測(cè)氮儀的無損監(jiān)測(cè)及無人機(jī)的光譜拍攝以實(shí)現(xiàn)水稻葉片無損監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)施肥是近年來農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的新技術(shù)，是智慧農(nóng)業(yè)的新起點(diǎn)。水稻無損監(jiān)測(cè)施氮技術(shù)主要根據(jù)品種特性、氣候條件及土壤條件，通過稻葉測(cè)氮儀對(duì)水稻葉片進(jìn)行無損監(jiān)測(cè)與施肥診斷，根據(jù)既定的產(chǎn)量及品質(zhì)目標(biāo)，精確計(jì)算穗肥的施用量，達(dá)到減肥、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)。目前已在浙江、江蘇、云南、吉林、黑龍江等地的水稻精準(zhǔn)施肥中應(yīng)用，為稻米的食味品質(zhì)提升提供了新方法。但由于水稻品種多，區(qū)域性強(qiáng)，各區(qū)域土壤地力也不平衡，無損監(jiān)測(cè)值與施肥數(shù)據(jù)庫建設(shè)還需要進(jìn)一步完善，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)還有待進(jìn)一步細(xì)化。無人機(jī)獲取NDVI 值與無損監(jiān)測(cè)CCN 值的相關(guān)關(guān)系需要進(jìn)一步明確，以便在應(yīng)用中進(jìn)一步落地，真正實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)稻信息化、智能化施肥，為安全、優(yōu)質(zhì)、綠色的中高端大米的供給提供新型的技術(shù)與方法。