甜菜氮素营养及诊断技术研究进展

马黛，李斐，孟显元，赵瑞华，史树德*

（1.内蒙古农业大学农学院，呼和浩特010019；2.内蒙古农业大学生态环境学院，呼和浩特010019；3.内蒙古赤峰杰翔复合肥有限公司，赤峰024000）

甜菜氮素营养及诊断技术研究进展

马黛1，李斐2，孟显元3，赵瑞华3，史树德1*

（1.内蒙古农业大学农学院，呼和浩特010019；2.内蒙古农业大学生态环境学院，呼和浩特010019；3.内蒙古赤峰杰翔复合肥有限公司，赤峰024000）

综述了目前国内甜菜生产中增施氮肥的积极作用及过量施氮存在的问题，同时介绍了国际国内作物氮素营养诊断的各种方法，重点介绍了当前较为先进的高光谱技术在农作物氮含量监测中的应用。提出借鉴其他作物生产栽培中运用高光谱技术对其氮含量进行监测的方法，为甜菜植株氮含量实时监测提供一种新的快速、有效的方法，为实现甜菜丰产高糖奠定基础。

甜菜；氮肥；高光谱遥感技术；氮营养诊断

甜菜是世界第二大制糖原料，世界食糖总量的20%为甜菜糖[1]。甜菜也是我国仅次于甘蔗的重要糖料作物，其产量占我国食糖总产量的10%[2]。目前我国甜菜产区普遍存在单产偏低或单产高但含糖率低的问题。施肥尤其是氮素肥料对甜菜单产及其含糖率的影响很大。甜菜以8月中旬（叶丛繁茂期）吸肥量最大，占生育期总吸氮量的71%[3]。甜菜需氮量大的特点促使种植者为达到高产目的而盲目大量施用氮肥，结果不仅没有提高产量，反而使其含糖率下降，还增加了种植成本，同时还可能造成一系列的环境问题。因此，如何保证甜菜单产和含糖率，又合理施用氮肥就成了甜菜生产中的一个重要问题。众多学者对甜菜生长发育、根产量及含糖率与氮肥用量间的关系做了大量研究，并总结了许多氮素营养监测诊断方法，其中高光谱遥感技术因其无损、快速、准确、实时的特点，在现代精准农业中具有良好的应用前景。

1　我国甜菜生产现状及甜菜过量施氮存在的问题

我国甜菜种植面积在全球种植甜菜的国家中排第7位，占全球甜菜种植总面积的4.5%，甜菜总产量排第8位，占世界总产的4.0%（联合国粮农组织，2011）。目前，我国主要的三大甜菜产区分别为新疆、内蒙古、黑龙江，这三大产区甜菜种植面积占全国甜菜种植面积的86%，总产量占全国甜菜总产近90%[1]。我国甜菜种植有一个很大的特点，即种植面积、总产量、产糖量不稳定，波动幅度大，还有一个突出问题就是单产偏低[4]。有资料显示，2010年我国甜菜单产新疆为64 688 kg/hm2，内蒙古为43 707 kg/hm2，黑龙江国家级甜菜示范点的单产约49 500 kg/hm2，但其平均单产较低[5]。也就是说，内蒙古、黑龙江的种植面积优势并未转变为产质量优势，这些产区甜菜的单产仍有待提高。

氮素营养是人们公认的能使甜菜产量和含糖率提高的关键因素，合理施用氮肥能够明显提高甜菜的产量和含糖率，但过量施氮甜菜不仅不会增产，反而会出现产量下降、含糖率降低的现象。关于甜菜氮肥施用量与其产量、含糖率间的关系，早在上世纪90年代，于海斌[6]、曲文章[7-8]等的研究就已经表明，在一定范围内增加施氮量可增加甜菜产量和含糖率，但继续增加施氮量则会导致甜菜含糖率下降，高施肥量导致甜菜含糖率明显降低。侯振安等[9]的研究指出，氮肥施用量与甜菜植株氮含量呈正相关，施氮量与甜菜块根产量呈二次曲线相关，与其含糖率呈极显著负相关，并得出当地（新疆石河子）合理施氮量为120 kg/hm2。高妙真等[10]在对甜菜高产高糖施肥标准进行探究时也指出，持续高氮水平会造成甜菜叶部徒长的现象。2004年薛鸿雁[11]等研究指出，甜菜块根产量和含糖率在低氮条件下随施氮量增加而增加，施氮量超过180 kg/hm2之后则随施氮量增加其产量下降。2005年蔡柏岩[12]的研究也表明，甜菜块根产量最高时氮肥施用量为138.67 kg/hm2，产糖量最高时氮肥施用量为118.69 kg/hm2，即甜菜的产糖量并不是随着产量增加而无限提高。同时由这些结果也能看出，甜菜产质量最大值对应的最佳施肥量在不同地区也会有所变化。

从历年统计数据来看，我国甜菜生产的情况是块根总产量总体为增加趋势，但产糖量并未随之增长，大量施用氮肥已经不能明显提高甜菜块根的含糖率，因此有必要在现有甜菜氮肥施用量研究基础上，对甜菜的氮含量进行实时监测，确保合理有效地对甜菜施用氮肥。目前，甜菜的氮素精准管理还在初始阶段[13]，利用氮素实时诊断作为甜菜精确施氮的重要依据，对于生产中提高甜菜产量及含糖率，提高氮肥利用率，降低生产成本，促进农民增产增收，同时减少过量施氮造成的环境污染问题等都具有重要意义。

2　作物氮素营养诊断的方法

氮素营养诊断的方法有多种[14]，主要分为针对土壤和针对植物进行诊断两种。针对土壤的无机氮测试（Nmin）法[15]，该法广泛应用于西欧，具有土壤无机氮测定值与作物产量相关性较好的特点，但该方法会受作物生长期氮的矿化作用及不同田块产量水平的影响。我国对该方法的研究比国外晚十多年，于上世纪80年代开始在小麦、玉米上进行研究。针对作物的氮素诊断方法有传统的具有破坏性的植物组织分析诊断法（包括植株全氮诊断，植株硝酸盐诊断）和无损氮素诊断技术，无损诊断方法中又包括叶色诊断法，肥料窗口诊断法，叶绿素仪法，高光谱遥感技术等。

长期以来，作物氮素营养诊断大多是运用传统方法进行的，即田间破坏性取样，带回室内进行分析测试，该方法虽然操作简单，结果可靠，但对于现在快速发展的精准农业来说，其实时性、高速性以及大规模可操作性都已经不能满足要求了[16]。无损诊断方法中的叶色诊断法，肥料窗口法属于半定量的方法，因此其诊断的精确程度相对较低。叶绿素仪法具有简单、快速、非破坏性的特点，但其最终测定结果为多株植物测定值的平均值，因此在实际操作中工作量大，费时费力。而高光谱遥感无损监测，具有宏观、低成本、快速、动态等特点[17]，并与作物多项理化参数具有很好的相关性，无疑是一项能够满足现代农业要求又具有很强的可操作性的监测手段。

3　高光谱遥感技术在作物及甜菜氮素营养诊断中的研究现状

3.1在作物氮素营养诊断中的研究现状

高光谱遥感技术具有波段多、光谱分辨率高、光谱响应范围广、数据量大，可提供空间域信息和光谱域信息即“图谱合一”等特点[18]。该技术广泛应用于土地管理与利用及农作物管理中。

植被的光谱主要是来自植物体内叶绿素、水、蛋白质等成分对太阳的响应，其反射光谱有独特且明显的规律[19-21]。20世纪80年代发展至今，国内外学者利用多光谱、高光谱对作物的氮素营养状况做了大量研究[22-26]，大多是通过构建光谱植被指数的方法对光谱与氮素间的相关性做出分析，进而对作物氮素进行诊断。Zubillaga[27]研究表明，利用归一化植被指数（NDVI）可以对小麦氮素吸收量及氮营养指数进行很好地预测。李映雪等[28]研究表明，红边位置与小麦叶片氮含量有相对稳定的线性关系，归一化植被指数NDVI（1220，710）和红边位置均能较准确地反演不同类型小麦品种的叶片氮素水平，其相关系数在0.8左右。该研究为不同品种、不同生育期和不同氮素水平下小麦的氮素监测及精确施肥提供了重要的理论依据与技术支持。Lee等[29]研究表明，利用735nm处的光谱反射率可以构建一个与水稻冠层氮含量呈线性关系的光谱指数。田永超等[30]在通过比较水稻冠层叶片不同高光谱植被指数，探究其与冠层叶片氮含量相关度最好的植被指数的研究中，得出比值指数SR（R553，R537）与水稻冠层叶片氮含量相关性最好，并指出光谱指数会受到植被范围与叶面积指数比值（VC/LAI）的影响。该研究为不同光谱植被指数在不同水稻品种和生产系统中适用性的提高提供了理论依据。但高光谱遥感技术也有其不足之处，学者Fei Li等[31]提出利用基于红边的光谱指数来估计玉米的氮含量和吸氮量，以解决高生物量条件下基于红光辐射的光谱指数失去灵敏度的问题。高光谱遥感信息中还含有土壤及植株阴影等背景干扰信息，因此学者们根据不同作物的特点提出不同的光谱植被指数和算法，如比值光谱指数RSI、土壤调节光谱指数SASI、土壤调节植被指数SAVI、微分算法等[32-33]来消除这些干扰，期望获得准确的作物氮素诊断信息。

3.2利用高光谱遥感技术对甜菜进行氮素实时诊断的目的与意义

目前，高光谱遥感技术在甜菜生产中的应用多集中在对甜菜病害诊断方面的研究[34]，Mahlein等针对甜菜褐斑病（CLS）、白粉病（PM）、甜菜锈病（SBR）进行了全面系统的研究，指出光谱植被指数与有关甜菜病害程度的生理参数相关，相对健康植株叶片的光谱特征而言，甜菜的每种病害都有其不同的光谱反射曲线。NDVI是对褐斑病（CLS）和白粉病（PM）两种病害变化最敏感的指数，但其与甜菜锈病间的关系不明显；而独立色素结构指数（SIPI）适用于检测白粉病（PM）和褐斑病（CLS）。此外还有花青素反射指数（ARI）、改良的叶绿素吸收值（mCAI）、特异性叶绿素a/b比值（PSSRa/PSSRb）、红边位置等指数，这些指数的应用使不同甜菜病害的区分方法更加具体化，研究成果对于利用高光谱遥感技术区分健康和患病植物具有重要的参考意义，也可以应用于多种病害症状及其病原菌的研究中。可见，高光谱遥感技术在病害诊断方面有其独特的优势，如果将该技术应用到甜菜氮营养诊断中，对于现有的甜菜氮素诊断也是一项重要的技术补充。

综上所述，利用高光谱遥感技术对小麦、水稻等作物氮素营养诊断的研究已取得较好的成果，这些研究成果为甜菜氮素营养研究中高光谱遥感技术的应用奠定了理论基础。甜菜作为重要的糖料作物，只有一些学者利用高光谱遥感技术对甜菜的病害检测进行过研究，利用该技术对甜菜氮素实时诊断的研究鲜有报道。因此，通过设置不同梯度的氮肥施用量，采用分时期取样测定甜菜植株含氮量、生物量积累，取样同时测定其光谱反射率的方法，分析光谱信息与甜菜氮含量、生物量积累等之间的关系，建立符合甜菜需氮规律的预测模型，并对其进行进一步验证，从而实现甜菜氮素的田间无损、快速、实时诊断，为甜菜丰产高糖提供合理有效的施肥方案，以期提高氮肥利用率，减少氮肥施用量，达到农民增产增收，企业增效，减少环境污染的目的。同时，该研究成果也有望对其他作物氮素营养实时诊断起到推动作用。

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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

马黛（1989-），女，陕西省榆林市人，内蒙古农业大学植物学硕士研究生。

史树德（1973-），男，内蒙古农业大学副教授，硕士生导师。Email：lycoris@imau.edu.cn