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【摘 要】关于玉米氮素营养诊断的研究一直备受关注，随着相关领域科技水平的不断提高，氮素营养诊断的无损测试技术不断发展，本文主要论述了无损测试技术在玉米氮素营养诊断中的应用研究现状。
【关键词】无损测试；玉米；氮素；营养诊断
在所有的农作物中，玉米是最能耐受土壤和肥料中高氮素量而不致影响产量的作物。因此，玉米的氮肥用量常常过高，这在造成氮肥巨大浪费的同时，付出的环境代价也是无法估量的。准确、及时地对玉米进行氮素营养诊断，从而确定氮肥施用量，提高氮肥利用率具有十分重要意义。基于土壤和植物组织的实验室分析诊断方法普遍要求破坏样本，且需要耗费大量的人力、物力，时效性差，不利于推广应用。随着相关领域科技水平的不断提高，氮素营养诊断的无损测试技术日趋成熟[1]。
无损测试技术是指在不破坏植物组织结构的基础上，利用各种手段对作物的生长、营养状况进行监测。可以迅速、准确地对田间作物氮营养状况进行监测，并能及时提供追肥所需要的信息。传统的氮素营养诊断无损测试方法主要有肥料窗口法和叶色卡片法，近年来，叶绿素仪和遥感技术成为研究的热点，本文主要对其在玉米氮素营养诊断上的应用研究现状做以介绍。
1 叶绿素仪法
研究表明植物的叶片叶绿素含量与叶片含氮量密切相关，因此，可以通过测定叶绿素含量来监测植物氮素状况。据此原理，日本的MINOLTA公司在20世纪80年代末设计和制造了SPAD-501叶绿素仪，随后又推出SPAD-502叶绿素仪，用来进行田间作物氮素诊断及施肥推荐。
我国已经广泛开展采用叶绿素仪进行玉米的氮素诊断和氮肥推荐的研究。李志宏研究叶绿素仪在夏玉米氮营养诊断中的应用时发现，应用叶绿素仪（SPAD-502）监测夏玉米氮营养状况的最佳测定部位为叶基部开始40%～70%区域，该部位叶绿素仪测定值与玉米全氮、施氮量及产量之间均有较好的相关性[2]。李占成研究也认为叶绿素仪（SPAD-502）测定值与玉米叶片全氮含量、玉米子粒产量以及施氮量之间均有显著相关性[3]。为消除品种之间和生长环境的不同对SPAD值所带来的影响，李志宏与李占成分别采用相对叶绿素仪测定值校正法，提高叶绿素仪对玉米追肥推荐中氮营养状况的预测精度，但是无法完全消除外部因素对叶绿素值的影响，甚至会影响叶绿素仪发挥其快速、简便的特点[2-3]。而不同的玉米品种在不同的生长阶段，SPAD值差异较大，需要针对不同玉米品种建立不同的SPAD值的诊断标准。由上述可见，如何进一步克服干扰因素的干扰、提高诊断的可靠性和普适性仍是研究的重点。
2 光谱遥感分析技术
2.1 敏感波段研究
20世纪70年代以来科学家们进行了大量的基础研究寻找氮素的敏感波段及其反射率在不同氮素水平下的表现，探讨利用光谱诊断氮素的可能性。研究发现许多植物在缺氮时无论是叶片还是植物冠层水平的可见光波段反射率都有所增加，Blackmeretal研究发现，550nm和710nm波长处的反射率能更好地诊断玉米氮素含量，并且指出R550-600/ R800-900能敏感地反映出氮素胁迫。易秋香研究发现玉米全氮含量与原始光谱在716nm处具有最大相关系数（r=- 0.847），呈极显著负相关[4]。周丽丽对试验玉米品种研究发现，3个品种（组合）都在500～649nm和691～730nm表现极显著的负相关关系，并在同一波长获得最高的相关系数，说明可以利用统一的波段来预测不同品种的叶片氮含量[5]。
2.2 叶片光谱指数与模型研究
明确了玉米的氮素敏感波段后，许多学者便通过各种统计方法来寻求含氮量与光谱反射率或其演生量的关系，并建立模型来估算作物的氮素含量[6]。王磊在玉米关键生育期有针对性地选择第6片完全展开叶和第12片完全展开叶（果穗叶）进行光谱监测，发现红边斜率、绿峰最大反射率、比值植被指数和归一化差值植被指数与叶片氮含量均存在较好的相关关系，并选择比值植被指数与叶片氮含量建立估测模型，确立玉米生育前期以对数模型，生育后期以指数模型为氮素营养的光谱诊断模型[7]。陈志强在构建玉米叶片氮素含量的预测模型时发现，以光谱指数DSI（564，681）和DSI（681，707）构建的指数预测模型效果最好，预测精度达93.43%和93.39%，能有效估测叶片氮素含量[8]。周丽丽依品种建立了叶片含氮量与归一化差值光谱指数（NDSI）或比值光谱指数（RSI）的定量关系模型，NDSI（714，554）和RSI（714，554）所建模型的拟合度最好[5]。易秋香试验研究发现由759nm处的光谱反射率一阶微分值所构建的指数模型作为对玉米全N含量的预测模型最为理想[4]。
此外研究表明，玉米的不同生育时期，其光谱响应的敏感程度和敏感波段存在差异。玉米氮素光谱营养诊断的敏感时期是拔节期和喇叭口期，拔节期和喇叭口期采用可见光波段的光谱反射率可靠性较高，而开花吐丝期采用近红外波段的光谱反射率可靠性较高，且两波段组合光谱变量对叶片叶绿素和全氮含量的判别精度高于单一波段的判别精度[9]。由此可知，在不同的玉米生育期，应选择相应的敏感波段，构建相关度高的光谱参数来诊断作物的营养状况。金梁研究发现拔节期和抽雄期的最佳光谱指数是GNDVI，大喇叭口期则以REP-LI为最佳光谱指数[10]。
2.3 玉米冠层光谱研究
作物冠层光谱分析对作物生长信息的快速获取，营养诊断及精确管理均具有重要的意义，在玉米冠层光谱分析方面，张俊华研究发现缺素使冠层光谱反射率在可见光波段增加，在近红外波段降低。可见光波段反射率（460nm除外）与夏玉米含氮量呈负相关，整个生育期以560nm反射率与作物含氮量相关性最佳，冠层光谱在可见光范围内与含氮量的相关性优于近红外波段[11]。孙红研究不同施氮水平下玉米冠层光谱反射特征分析时发现施氮水平偏低区域的叶片冠层反射率在整个可见光区均明显高于其他施氮水平，偏高和正常施氮区域内叶片光谱反射强度基本相同[12]。也有学者运用图像处理技术对玉米冠层叶片的近地多光谱图像进行分析，建立玉米叶片氮素营养含量的估测模型[13-14]。研究表明，多光谱图像分析也可实现对玉米冠层氮营养含量的快速估测。但是冠层光谱反射特征受到植株叶片水分含量、冠层几何结构、土壤覆盖度、大气对光谱的吸收等因素的影响[15]，大大限制了利用遥感进行玉米氮素诊断的可靠性和普及性。 3 结语
氮素营养诊断是玉米营养诊断的核心，是科学合理施用氮肥的主要依据。无损测试技术实效性好、准确度较高，但天气条件、品种类型以及其他胁迫因子的干扰影响无损测试技术的研究和实际运用，因此，对于主要干扰因素的研究会成为今后研究的重点。
参考文献
[1]贾良良，陈新平，张福锁.作物氮营养诊断的无损测试技术[J].世界农业，2001，6：36-37.
[2]李志宏，张云贵，刘宏斌，张福锁.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.
[3]李占成，李玮，梁秀枝，杨富叶.绿素仪在玉米氮营养诊断及推荐施肥中的研究与应用[J].作物杂志，2011，4：58-62.
[4]易秋香，黄敬峰，王秀珍，钱翌.玉米全氮含量高光谱遥感估算模型研究[J].农业工程学报，2006，22（9）：138-142.
[5]周丽丽，冯汉宇，阎忠敏，刘克.周顺利玉米叶片氮含量的高光谱估算及其品种差异[J].农业工程学报，2010，26（8）：195-199.
[6]焦雯珺，闵庆文，林焜 ，朱清科，张建军.植物氮素营养诊断的进展与展望[J].中国农学通报，2006，22（12）：351-355.
[7]王磊，白由路，卢艳丽，王贺，杨俐苹.基于光谱分析的玉米氮素营养诊断[J].植物营养与肥料学报，2011，17（2）：333-340.
[8]陈志强，王磊，白由路，杨俐苹，卢艳丽，王贺，王志勇.玉米叶片的光谱响应及其氮素含量预测研究[J].光谱学与光谱分析，2013，33（4）：1066-1070.
[9]王磊，白由路.不同氮处理春玉米叶片光谱反射率与叶片全氮和叶绿素含量的相关研究[J].中国农业科学，2005，38（11）：2268-2276.
[10]金梁，胡克林，田明明，魏丹，李虹，白由路，张军政.夏玉米叶片分层氮素营养的高光谱诊断[J].光谱学与光谱分析，2013，33（4）：1032-1037.
[11]张俊华，张佳宝，钦绳武.不同施肥长期定位试验地夏玉米冠层光谱特征研究[J].植物营养与肥料学报，2010，16（4）：874-879.
[12]孙红，李民赞，张彦娥，赵勇，王海华.不同施氮水平下玉米冠层光谱反射特征分析[J].光谱学与光谱分析，2010，30（3）：715-719.
[13]王海华，张彦娥，郭威.基于多光谱图像的玉米营养监测技术研究[J].农机化研究，2012，11：178-181
[14]郭威，张彦娥，朱景福，唐文冰，张峰，赵瑞娇.玉米冠层叶片氮素营养估测研究[J].农机化研究，2011，10：31-34.
[15]薛利红，罗卫红，曹卫星.作物水分和氮素光谱诊断研究进展[J].遥感学报，2003，7（1）：73-79.
【关键词】无损测试；玉米；氮素；营养诊断
在所有的农作物中，玉米是最能耐受土壤和肥料中高氮素量而不致影响产量的作物。因此，玉米的氮肥用量常常过高，这在造成氮肥巨大浪费的同时，付出的环境代价也是无法估量的。准确、及时地对玉米进行氮素营养诊断，从而确定氮肥施用量，提高氮肥利用率具有十分重要意义。基于土壤和植物组织的实验室分析诊断方法普遍要求破坏样本，且需要耗费大量的人力、物力，时效性差，不利于推广应用。随着相关领域科技水平的不断提高，氮素营养诊断的无损测试技术日趋成熟[1]。
无损测试技术是指在不破坏植物组织结构的基础上，利用各种手段对作物的生长、营养状况进行监测。可以迅速、准确地对田间作物氮营养状况进行监测，并能及时提供追肥所需要的信息。传统的氮素营养诊断无损测试方法主要有肥料窗口法和叶色卡片法，近年来，叶绿素仪和遥感技术成为研究的热点，本文主要对其在玉米氮素营养诊断上的应用研究现状做以介绍。
1 叶绿素仪法
研究表明植物的叶片叶绿素含量与叶片含氮量密切相关，因此，可以通过测定叶绿素含量来监测植物氮素状况。据此原理，日本的MINOLTA公司在20世纪80年代末设计和制造了SPAD-501叶绿素仪，随后又推出SPAD-502叶绿素仪，用来进行田间作物氮素诊断及施肥推荐。
我国已经广泛开展采用叶绿素仪进行玉米的氮素诊断和氮肥推荐的研究。李志宏研究叶绿素仪在夏玉米氮营养诊断中的应用时发现，应用叶绿素仪（SPAD-502）监测夏玉米氮营养状况的最佳测定部位为叶基部开始40%～70%区域，该部位叶绿素仪测定值与玉米全氮、施氮量及产量之间均有较好的相关性[2]。李占成研究也认为叶绿素仪（SPAD-502）测定值与玉米叶片全氮含量、玉米子粒产量以及施氮量之间均有显著相关性[3]。为消除品种之间和生长环境的不同对SPAD值所带来的影响，李志宏与李占成分别采用相对叶绿素仪测定值校正法，提高叶绿素仪对玉米追肥推荐中氮营养状况的预测精度，但是无法完全消除外部因素对叶绿素值的影响，甚至会影响叶绿素仪发挥其快速、简便的特点[2-3]。而不同的玉米品种在不同的生长阶段，SPAD值差异较大，需要针对不同玉米品种建立不同的SPAD值的诊断标准。由上述可见，如何进一步克服干扰因素的干扰、提高诊断的可靠性和普适性仍是研究的重点。
2 光谱遥感分析技术
2.1 敏感波段研究
20世纪70年代以来科学家们进行了大量的基础研究寻找氮素的敏感波段及其反射率在不同氮素水平下的表现，探讨利用光谱诊断氮素的可能性。研究发现许多植物在缺氮时无论是叶片还是植物冠层水平的可见光波段反射率都有所增加，Blackmeretal研究发现，550nm和710nm波长处的反射率能更好地诊断玉米氮素含量，并且指出R550-600/ R800-900能敏感地反映出氮素胁迫。易秋香研究发现玉米全氮含量与原始光谱在716nm处具有最大相关系数（r=- 0.847），呈极显著负相关[4]。周丽丽对试验玉米品种研究发现，3个品种（组合）都在500～649nm和691～730nm表现极显著的负相关关系，并在同一波长获得最高的相关系数，说明可以利用统一的波段来预测不同品种的叶片氮含量[5]。
2.2 叶片光谱指数与模型研究
明确了玉米的氮素敏感波段后，许多学者便通过各种统计方法来寻求含氮量与光谱反射率或其演生量的关系，并建立模型来估算作物的氮素含量[6]。王磊在玉米关键生育期有针对性地选择第6片完全展开叶和第12片完全展开叶（果穗叶）进行光谱监测，发现红边斜率、绿峰最大反射率、比值植被指数和归一化差值植被指数与叶片氮含量均存在较好的相关关系，并选择比值植被指数与叶片氮含量建立估测模型，确立玉米生育前期以对数模型，生育后期以指数模型为氮素营养的光谱诊断模型[7]。陈志强在构建玉米叶片氮素含量的预测模型时发现，以光谱指数DSI（564，681）和DSI（681，707）构建的指数预测模型效果最好，预测精度达93.43%和93.39%，能有效估测叶片氮素含量[8]。周丽丽依品种建立了叶片含氮量与归一化差值光谱指数（NDSI）或比值光谱指数（RSI）的定量关系模型，NDSI（714，554）和RSI（714，554）所建模型的拟合度最好[5]。易秋香试验研究发现由759nm处的光谱反射率一阶微分值所构建的指数模型作为对玉米全N含量的预测模型最为理想[4]。
此外研究表明，玉米的不同生育时期，其光谱响应的敏感程度和敏感波段存在差异。玉米氮素光谱营养诊断的敏感时期是拔节期和喇叭口期，拔节期和喇叭口期采用可见光波段的光谱反射率可靠性较高，而开花吐丝期采用近红外波段的光谱反射率可靠性较高，且两波段组合光谱变量对叶片叶绿素和全氮含量的判别精度高于单一波段的判别精度[9]。由此可知，在不同的玉米生育期，应选择相应的敏感波段，构建相关度高的光谱参数来诊断作物的营养状况。金梁研究发现拔节期和抽雄期的最佳光谱指数是GNDVI，大喇叭口期则以REP-LI为最佳光谱指数[10]。
2.3 玉米冠层光谱研究
作物冠层光谱分析对作物生长信息的快速获取，营养诊断及精确管理均具有重要的意义，在玉米冠层光谱分析方面，张俊华研究发现缺素使冠层光谱反射率在可见光波段增加，在近红外波段降低。可见光波段反射率（460nm除外）与夏玉米含氮量呈负相关，整个生育期以560nm反射率与作物含氮量相关性最佳，冠层光谱在可见光范围内与含氮量的相关性优于近红外波段[11]。孙红研究不同施氮水平下玉米冠层光谱反射特征分析时发现施氮水平偏低区域的叶片冠层反射率在整个可见光区均明显高于其他施氮水平，偏高和正常施氮区域内叶片光谱反射强度基本相同[12]。也有学者运用图像处理技术对玉米冠层叶片的近地多光谱图像进行分析，建立玉米叶片氮素营养含量的估测模型[13-14]。研究表明，多光谱图像分析也可实现对玉米冠层氮营养含量的快速估测。但是冠层光谱反射特征受到植株叶片水分含量、冠层几何结构、土壤覆盖度、大气对光谱的吸收等因素的影响[15]，大大限制了利用遥感进行玉米氮素诊断的可靠性和普及性。 3 结语
氮素营养诊断是玉米营养诊断的核心，是科学合理施用氮肥的主要依据。无损测试技术实效性好、准确度较高，但天气条件、品种类型以及其他胁迫因子的干扰影响无损测试技术的研究和实际运用，因此，对于主要干扰因素的研究会成为今后研究的重点。
参考文献
[1]贾良良，陈新平，张福锁.作物氮营养诊断的无损测试技术[J].世界农业，2001，6：36-37.
[2]李志宏，张云贵，刘宏斌，张福锁.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.
[3]李占成，李玮，梁秀枝，杨富叶.绿素仪在玉米氮营养诊断及推荐施肥中的研究与应用[J].作物杂志，2011，4：58-62.
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[7]王磊，白由路，卢艳丽，王贺，杨俐苹.基于光谱分析的玉米氮素营养诊断[J].植物营养与肥料学报，2011，17（2）：333-340.
[8]陈志强，王磊，白由路，杨俐苹，卢艳丽，王贺，王志勇.玉米叶片的光谱响应及其氮素含量预测研究[J].光谱学与光谱分析，2013，33（4）：1066-1070.
[9]王磊，白由路.不同氮处理春玉米叶片光谱反射率与叶片全氮和叶绿素含量的相关研究[J].中国农业科学，2005，38（11）：2268-2276.
[10]金梁，胡克林，田明明，魏丹，李虹，白由路，张军政.夏玉米叶片分层氮素营养的高光谱诊断[J].光谱学与光谱分析，2013，33（4）：1032-1037.
[11]张俊华，张佳宝，钦绳武.不同施肥长期定位试验地夏玉米冠层光谱特征研究[J].植物营养与肥料学报，2010，16（4）：874-879.
[12]孙红，李民赞，张彦娥，赵勇，王海华.不同施氮水平下玉米冠层光谱反射特征分析[J].光谱学与光谱分析，2010，30（3）：715-719.
[13]王海华，张彦娥，郭威.基于多光谱图像的玉米营养监测技术研究[J].农机化研究，2012，11：178-181
[14]郭威，张彦娥，朱景福，唐文冰，张峰，赵瑞娇.玉米冠层叶片氮素营养估测研究[J].农机化研究，2011，10：31-34.
[15]薛利红，罗卫红，曹卫星.作物水分和氮素光谱诊断研究进展[J].遥感学报，2003，7（1）：73-79.