近紅外光譜技術(shù)在草業(yè)科學(xué)研究中的應(yīng)用及展望

巨 輪

（甘肅省蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

近年來(lái)，新的檢測(cè)技術(shù)和方法在中國(guó)得到了迅速地創(chuàng)新和發(fā)展。它具有反應(yīng)速度快、樣品不容易破碎、操作比較簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、效率較高、污染較小、成本較低等一系列特點(diǎn)。主要用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)和食品工業(yè)，目前，這項(xiàng)技術(shù)已在草原管理、生態(tài)、草坪管理、種子選擇等領(lǐng)域得到應(yīng)用和研究，將成為有效補(bǔ)充傳統(tǒng)科研方法的一種新的研究方法，這項(xiàng)技術(shù)就是近紅外光譜分析技術(shù)，這是一項(xiàng)新的技術(shù)適用于農(nóng)業(yè)檢測(cè)方面的應(yīng)用。并且，此技術(shù)可以大大優(yōu)化傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)。

在新的國(guó)家教育目錄中，草業(yè)科學(xué)從傳統(tǒng)的畜牧業(yè)中分離出來(lái)，形成一門(mén)單獨(dú)的學(xué)科，命名為草學(xué)。這門(mén)學(xué)科隨后的發(fā)展壯大，帶來(lái)了歷史性的變革。草學(xué)是從草原資源到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的系統(tǒng)科學(xué)，由植物生產(chǎn)層、動(dòng)物生產(chǎn)層和其他生產(chǎn)層。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，草學(xué)在新的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，特別是有更多的新方法和新技術(shù)可以融入到草學(xué)之中。一些新的檢測(cè)方法，如近紅外光譜法就是一個(gè)很好的例子，因?yàn)橐恍﹤鹘y(tǒng)的檢測(cè)方法需要大量的測(cè)試，在檢測(cè)的時(shí)間上也需要大量的花費(fèi)，與此同時(shí)，在檢測(cè)的費(fèi)用方面也是比較高的。在某些情況下，取樣可以根據(jù)情況、條件等達(dá)到理想狀態(tài)。然而，這項(xiàng)新技術(shù)能夠成功地解決這些問(wèn)題，促進(jìn)草原科學(xué)研究領(lǐng)域的拓展，為草業(yè)科學(xué)研究做出一定貢獻(xiàn)。

1.NIRS技術(shù)在牧草及育種方面的運(yùn)用

優(yōu)質(zhì)的牧草飼料對(duì)于現(xiàn)代牧草畜牧業(yè)發(fā)展是非常重要的，這些牧草的質(zhì)量很大程度上取決于畜牧產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)力。近紅外光譜法廣泛應(yīng)用于飼料營(yíng)養(yǎng)成分、飼料混合成分和飼料營(yíng)養(yǎng)成分的檢測(cè)分析。同時(shí)，對(duì)牧草新品種的選擇有積極的影響。接下來(lái)，我們將討論飼料草和飼料種子的營(yíng)養(yǎng)成分，以及紅外光譜在新草品種選擇中的應(yīng)用。

1.1 測(cè)定牧草及牧草種子營(yíng)養(yǎng)成分

牧草的葉片含量是飼料選擇、生產(chǎn)和利用的重要指標(biāo)，適當(dāng)?shù)娜藛T對(duì)飼料、畜牧業(yè)和消化都很重要。然而，它仍然是由人工分離葉片和葉片決定的，這需要大量的時(shí)間和精力。他們利用近紅外光譜方法對(duì)當(dāng)?shù)貎蓚€(gè)苜蓿品種葉片含量進(jìn)行了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)不同種類苜蓿的模型不能相互使用。他們利用近紅外光譜法建立了41個(gè)樣品中苜蓿含量的預(yù)測(cè)模型，他們通過(guò)近紅外光譜區(qū)的光譜法直接測(cè)定苜蓿青貯飼料新鮮樣品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，建立實(shí)時(shí)模型，測(cè)量新鮮青貯飼料、生蛋白、中性洗滌纖維和酸性纖維中所含的不同品種、干燥物質(zhì)。采用不同開(kāi)花期和不同青貯形態(tài)比較氨和乳酸的發(fā)酵品質(zhì)，建立了標(biāo)準(zhǔn)化的醋酸和丁酸指標(biāo)模型，對(duì)飼料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的快速測(cè)定具有積極意義，準(zhǔn)備牲畜的日常飲食，提高飼料質(zhì)量。他們利用近紅外光譜法追蹤干蛋白和生蛋白中新鮮苜蓿和飼料混合物的含量。飼料種子質(zhì)量是成功生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼料的主要前提，而種子質(zhì)量是保證大規(guī)模種植優(yōu)質(zhì)飼料成功的最重要因素。種子品種、種子純度、種子發(fā)芽量、水分平衡和種子活力是影響種子質(zhì)量選擇和品質(zhì)確定的重要原始指標(biāo)。探討了近紅外光譜法在種子和飼料質(zhì)量控制中的應(yīng)用前景。傅立葉變換得到的紅外光譜信號(hào)，能夠及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)和控制玉米品種和優(yōu)質(zhì)水稻品種種子水分變化和活力，滿足建立玉米種子快速質(zhì)量控制體系的需要。

1.2 選育新的牧草品種

在優(yōu)質(zhì)牧草新品種的傳統(tǒng)育種方法中，其中包括了相關(guān)品種的引進(jìn)和推廣標(biāo)準(zhǔn)育種方法和栽培條件、對(duì)于牧草的相關(guān)性狀質(zhì)量檢測(cè)和育種相關(guān)研究成果，是傳統(tǒng)牧草遺傳育種方法在現(xiàn)代實(shí)踐中的重要?jiǎng)?chuàng)新，而近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用在優(yōu)良牧草種子選育研究方面則也初步進(jìn)行做出了較為有益創(chuàng)新的初步嘗試，在其遺傳次生代謝產(chǎn)物鑒定預(yù)測(cè)、病蟲(chóng)害抗性篩選鑒定、非生物環(huán)境脅迫的抗性檢測(cè)等各方面應(yīng)用都逐步展示體現(xiàn)出了基于其育種技術(shù)創(chuàng)新的巨大價(jià)值。應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域主要體現(xiàn)在植物園樣分析技術(shù)、改進(jìn)育種流程、加速育種的進(jìn)度和多方面探究育種的相應(yīng)機(jī)理上。在這些方面上，近紅外光譜技術(shù)都對(duì)牧草新品種的選育做出了很大的幫助，并且可以幫助選出更好的品種得以發(fā)展。

2.NIRS技術(shù)在草地資源管理方面的應(yīng)用

傳統(tǒng)的天然草地很大，分布也很廣泛，主要是利用重在利用輕在管理的管理方法，嚴(yán)重破壞了草坪上的環(huán)境。大多數(shù)牧場(chǎng)都會(huì)隨著全球氣候的變化和人類的過(guò)度使用而在不同程度上退化。牧草退化不僅包括現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)牧草數(shù)量的減少，還包括主要種植區(qū)土壤的退化和枯竭。因此，對(duì)草原進(jìn)行監(jiān)測(cè)和后續(xù)管理尤為重要。傳統(tǒng)的研究方法效率低下，實(shí)地工作極為困難。近紅外光譜技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用將為其提供新的動(dòng)力，近紅外光譜技術(shù)在草地資源管理方面的應(yīng)用就可以很大程度上解決人們對(duì)于草坪環(huán)境不愛(ài)惜所帶來(lái)的問(wèn)題，幫助草坪進(jìn)行合理化的管理，使草坪環(huán)境得以被保護(hù)。

2.1 測(cè)定并分析土壤環(huán)境

氮、磷和鉀是三種在肥料之中常見(jiàn)的元素，其在土壤中的含量是反映土壤肥力的重要指標(biāo)。由于牧草種類不同，在牧草管理中應(yīng)根據(jù)土壤質(zhì)量采取適當(dāng)?shù)氖┓蚀胧＝t外可見(jiàn)光和光譜學(xué)分析發(fā)現(xiàn)了不同分餾土壤的損傷，可以較好地對(duì)砂質(zhì)土壤、土壤和粘土進(jìn)行分類，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。在牧草管理的系統(tǒng)之中，牧草被牲畜喂養(yǎng)和踐踏，導(dǎo)致土壤的相關(guān)密度被提升，這就限制了植物根系生長(zhǎng)，其中包括對(duì)于水分的接收與滲出，使牧草不能夠正常地生長(zhǎng)。結(jié)合近紅外反射器，土壤壓實(shí)機(jī)可同時(shí)測(cè)量土壤中的水分、密度和粘土含量，可快速、方便、實(shí)時(shí)地檢測(cè)影響植物生長(zhǎng)的不利條件。其他研究人員還利用紫外、可見(jiàn)光和近紅外反射光譜，測(cè)定了土壤pH值、有機(jī)碳的含量、相關(guān)的交換陽(yáng)離子、一些鈣和鎂離子，并建立了能夠獲得良好效果的模型。同時(shí)，在畜禽糞便堆肥研究中，應(yīng)用近紅外區(qū)域的諧波分析方法。此外，3S技術(shù)在農(nóng)業(yè)資源評(píng)價(jià)、防治農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害、提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要作用。

2.2 檢測(cè)草坪中的蟲(chóng)害

在牧草管理之中鼠害監(jiān)測(cè)控制是比較重要的組成部分，對(duì)與牧草健康可持續(xù)發(fā)展方面具有重要意義。在相關(guān)的研究之中我們可以看出，嚙齒動(dòng)物、昆蟲(chóng)和蝗蟲(chóng)引起蟲(chóng)害的具體時(shí)間和種類因草原類型而異。主要監(jiān)測(cè)要素一般歸結(jié)為“蝗蟲(chóng)”原理和其他影響因素，這些因素通常針對(duì)植被生態(tài)破壞機(jī)制。例如，在研究蝗蟲(chóng)生態(tài)學(xué)的方法中，蝗蟲(chóng)最適宜的棲息地主要是監(jiān)測(cè)、分析和評(píng)估，以及對(duì)蝗蟲(chóng)最可能棲息地區(qū)的預(yù)測(cè)進(jìn)行間接分析。雖然采用高分辨率光譜遙感和近紅外技術(shù)對(duì)蝗蟲(chóng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，但其定量監(jiān)測(cè)方法仍不利于對(duì)農(nóng)田進(jìn)行監(jiān)測(cè)和稻鼠害蟲(chóng)控制。由于其在空間物體定位、實(shí)時(shí)信息采集、信息綜合處理和利用等方面具有獨(dú)特的綜合優(yōu)勢(shì)，很快將成為開(kāi)展該領(lǐng)域科技研究的重要工具。

3.NIRS技術(shù)在草坪管理方面的運(yùn)用

近年來(lái)，國(guó)外有人嘗試將這種近紅外光譜法應(yīng)用于高爾夫球場(chǎng)草坪的管理之中。在應(yīng)用過(guò)程中，它具有操作方便、工作效率高、試驗(yàn)結(jié)果可靠、鏡面覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。而國(guó)內(nèi)在草坪的管理方面還尚未涉及近紅外光譜技術(shù)，所以說(shuō)涉及的有關(guān)近紅外光譜技術(shù)在草坪管理中的應(yīng)用基本都是高爾夫球場(chǎng)草坪管理方面的相應(yīng)研究，我相信在中國(guó)的大力發(fā)展下，一定也會(huì)很快將此項(xiàng)技術(shù)盡快應(yīng)用在相應(yīng)草坪的管理當(dāng)中。

3.1 檢測(cè)草坪的土壤環(huán)境

有許多草坪的特性都直接或者間接的影響著其中的土壤環(huán)境，就比如說(shuō)土壤的營(yíng)養(yǎng)成分還有其中的含水量，還有草坪的相關(guān)色澤情況和生長(zhǎng)情況等，包括草坪的輔助管理，包括施肥、修剪和灌溉。目前，球場(chǎng)管理措施一般是根據(jù)對(duì)草坪性質(zhì)的主觀判斷，結(jié)合生態(tài)條件和季節(jié)變化來(lái)實(shí)施的。在草坪土壤養(yǎng)分成分分析方面，采用近紅外光譜法對(duì)水分進(jìn)行掃描，所得到的土壤層的相關(guān)光譜數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果的大部分以上都是有關(guān)的。灌溉是草坪管理和保護(hù)的重要措施之一，特別是在高爾夫球場(chǎng)，灌溉是日常維護(hù)的必要措施。近紅外光譜法通過(guò)實(shí)時(shí)分析土壤濕度等相關(guān)環(huán)境參數(shù)，可以及時(shí)確定合理的灌溉時(shí)間和灌溉量。建立了模型，分析了土壤濕度與近紅外光譜區(qū)光譜的關(guān)系。采用近紅外光譜法，利用數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)草坪土壤濕度，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行模擬，并與實(shí)際R＞0.8土壤濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)，采用近紅外光譜方法對(duì)草坪上植物的多光譜圖像進(jìn)行了分析，所得結(jié)果表明，草坪水分含量與草坪的反射率有一定的相關(guān)性，可用于預(yù)測(cè)草坪短期用水需求。

3.2 測(cè)定草坪草的元素含量

草坪氮素含量是草坪肥料管理的重要指標(biāo)，同時(shí)通過(guò)近紅外光譜分析和傳統(tǒng)凱爾德法氮化法測(cè)定狗牙根草坪草中氨含量的程度。結(jié)果表明，兩種截然不同的檢測(cè)方法與實(shí)際測(cè)量所得的氨含量數(shù)據(jù)之間存在顯著相關(guān)性。利用不同的方法進(jìn)行測(cè)試的話，也會(huì)出現(xiàn)很明顯的線性相關(guān)關(guān)系，因此，初步可以得出結(jié)論，作為一種比較可靠、有效的植物分析方法，考慮草坪上的草本植物種類和草原植物不同的植物土壤，可以更迅速、準(zhǔn)確地定量測(cè)定氮中的碳含量。采用近紅外光譜方法對(duì)鉀、鈣、鎂、鐵等微量元素進(jìn)行了預(yù)測(cè)。雖然預(yù)測(cè)結(jié)果和傳統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果均為陽(yáng)性，但是精度不高。此技術(shù)對(duì)于整體草坪草元素含量的測(cè)定還是比較準(zhǔn)確的，利用測(cè)技術(shù)來(lái)測(cè)定草元素含量可以很好地幫助草坪的管理，更能細(xì)致地看到草坪的相關(guān)狀態(tài)，并可以更好地知道該如何去對(duì)草坪進(jìn)行合理化的管理。

3.3 測(cè)定草坪的整體質(zhì)量

草坪外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)是草坪質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要組成部分，目前國(guó)內(nèi)外主觀視覺(jué)方法簡(jiǎn)單，但誤差較大；雖然化學(xué)分析和測(cè)量方法可以量化和提高各種屬性的準(zhǔn)確性，但它們涉及大量的成本和時(shí)間。因此，它在草坪質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用非常有限，特別是在高級(jí)管理人員運(yùn)動(dòng)草場(chǎng)和高爾夫球場(chǎng)的質(zhì)量評(píng)價(jià)中。近紅外光譜技術(shù)不受時(shí)間、空間、采樣率等因素的影響?？煞奖愕販y(cè)量和跟蹤外部評(píng)價(jià)的顏色、密度、均勻性、覆蓋率等指標(biāo)。首次采用NIRS方法獲得了草坪栽培的光學(xué)數(shù)據(jù)，并利用草坪葉綠素含量的測(cè)量數(shù)據(jù)建立了草坪質(zhì)量自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。前對(duì)草坪病害的預(yù)測(cè)判斷主要是根據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的。在高爾夫球場(chǎng)的草坪上和寒冷季節(jié)的草坪上，預(yù)測(cè)會(huì)出現(xiàn)褐變和硬幣斑點(diǎn)，相關(guān)性高，精度約為90%。通過(guò)近紅外光波對(duì)草坪濕度的反射，預(yù)測(cè)了枯萎和褐斑。結(jié)果表明，枯萎的癥狀可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到。采用近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，控制草坪氮?dú)夂亢腿~病范圍，及時(shí)跟蹤預(yù)測(cè)良好的效果。采用近紅外光譜法評(píng)價(jià)了羊茅真菌感染的發(fā)生率，所得結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛的認(rèn)可。

4.總結(jié)與分析

紅外光譜學(xué)是近年來(lái)在化學(xué)分析方面發(fā)展迅速的高科技分析技術(shù)。目前，我們還沒(méi)有更好、更有效的方法、工具和方法，對(duì)植被和草原資源進(jìn)行調(diào)查、管理和監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地面植被根系生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，綜合采集地下生物量資源。最重要的技術(shù)是對(duì)草原植物及其地下生物資源進(jìn)行快速、大規(guī)模、無(wú)明顯損害的測(cè)繪。將草原土壤生態(tài)試驗(yàn)與近紅外光譜技術(shù)相結(jié)合的科研成果逐漸得到廣泛的發(fā)展。其產(chǎn)品對(duì)系統(tǒng)地研究或開(kāi)發(fā)土壤生物量測(cè)量方法和地下根肥分配機(jī)制具有很高的理論和技術(shù)可行性，也為草原的科學(xué)管理和有效利用提供了可靠的技術(shù)支持。第三，由于牧草退化，對(duì)嚙齒動(dòng)物、病蟲(chóng)害的區(qū)域頻率和遺傳過(guò)程的監(jiān)測(cè)非常有效。在此后的發(fā)展中我們也應(yīng)多發(fā)展紅外光譜技術(shù)，盡可能的在更多的領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，與此同時(shí)，也可以在草業(yè)科學(xué)研究中做出更多的貢獻(xiàn)。幫助草業(yè)科學(xué)發(fā)展，這不僅僅是對(duì)于草業(yè)科學(xué)的幫助，更多的是對(duì)草業(yè)的保護(hù)與研究，對(duì)環(huán)境的保護(hù)，使整體的發(fā)展可持續(xù)化。