用于植物营养诊断的几种光谱仪器比较

用于植物营养诊断的几种便携式光谱仪应用比较

卢艳丽白由路﹡

农业部作物营养与施肥重点实验室/中国农业科学院农业资源与农业区划研究所北京100081

利用便携式光谱仪进行植物营养诊断主要是针对氮素营养。这主要是因为氮素是植物施用量最大的营养元素，是影响作物叶片叶绿素含量和作物长势比较敏感的元素。同时，在作物生育期内，氮素是以追肥的形式对作物进行补充的。由此可见，对作物氮素进行诊断具有实际应用价值。尽管化学诊断相对更加准确，但分析操作繁琐，工作量大，田间破坏性大，测定结果滞后。实现在田间适时、相对准确地监测作物的氮素变化动态是光谱技术发展的主要成就，也是相对于症状诊断和化学诊断等其它方法的主要优势。本文针对当前几种在植物营养诊断上应用较广的便携式光谱测定仪的特点、适用范围以及应用情况进行了介绍和比较。为其在生产实践中的应用提供参考。

一、光谱仪分类

便携式光谱仪可以实现野外植被快速、无损氮素营养诊断。可用于野外光谱监测的光谱仪根据各自特点可作如下分类：

1、按照光源分

主动光源：主动光源是指仪器内部自带照明光源，而不是利用太阳光或外界其它人工光源。其最大的优点就是不受时间和天气等因素影响，可随时随地进行测定，主要针对单个叶片的反射或吸收光谱进行测定。

被动光源：即利用外界光源照射目标地物，探头探测和接受地物反射光谱。其优点是不仅可以测定单叶的光谱反射率，也可以测定植被冠层反射光谱。但是野外测定会受外界环境因素影响。

2、按照测定方式分

接触式测定：即直接接触目标物进行测定，通常是针对单叶采用夹持叶片的方式进行测定。这种测定方式都是利用的主动光源。

非接触式测定：即不用接触目标物进行测定，是冠层光谱测定的主要方式，也可以测定单叶。这种方式既有主动光源（如Greenseeker手持式光谱仪），也有被动光源（如ASD Fieldspec FR2500光谱仪）。

3、按照波段数分

双波段光谱仪：顾名思义，是采用2个波段进行设计的光谱仪。目前几种应用在作物营养诊断上的光谱仪均是采用红光和近红外两个光谱区。通过二者不同形式的比值来反映作物的营养状况。

全波段光谱仪：主要指的是波段范围在

350-2500nm，可获得连续光谱曲线和反射率数据的光谱仪。因其波段范围宽、光谱分辨率高，可获取目标信息量大的特点又称其为高光谱仪。通过获取305-2500nm范围内的反射光谱信息，提取植物氮素营养的敏感波段，构建反映氮素营养状况的光谱特征参量。

二、光谱仪介绍

下面以目前在植物营养诊断方面应用比较广泛的几种便携式光谱仪做一概括和比较：

1、基于主动光源非接触式叶片测定光谱仪—SPAD-502叶绿素测定仪

基于主动光源进行叶片无损测定，并且能够指示氮素营养状况的最有代表性的要数日本生产的SPAD-502叶绿素测定仪（Chlorophyll Meter Model SPAD-502）。是当前广泛使用的叶绿素活体测定方法，非常简便。SPAD-502 叶绿素仪通过测量叶片在两种波长光学浓度差方式650nm 和940nm来确定叶片当前叶绿素的相对数量。利用二个LED光源发射二种光，一种是红光(峰波长650nm，对光有较高的吸收且不受胡萝卜素影响)，一种是红外线(940nm，对光的吸收极低)，测量时只需夹住叶片，但由于不同部位SPAD值差异较大，通常一片叶均匀地测定几个点取平均值来代表该叶片的SPAD值。测量值是通过对在二个不同波长区域，叶片传输光的数量进行计算。图1显示了利用SPAD-502叶绿素测定仪获取的SPAD 值对不同施氮水平的响应。

图1 不同施氮水平SPAD值的变化

2、基于主动光源非接触式冠层、叶片测定光谱仪

（1）Greenseeker手持式光谱仪

目前，应用最为广泛的植被指数是归一化植被指数( NDVI, Normalized Difference Vegetation Index ），其公式为NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，其中NIR和R分别代表近红外和红外光波段的反射率。NDVI变化与作物的长势具有密切相关的关系，与作物氮素营养状况具有较好的相关性。依据此原理，美国澳克拉荷马大学与Ntech公司联合开发了测取NDVI指数的手持式便携光谱仪GreenSeeker。Greenseeker手持式光谱仪采用主动遥感方式，通过发射近红外光（780±6nm）和红光（671±6nm），经作物冠层反射后，获得光谱数据。数据通过自带的Ntech软件经过计算直接得到NDVI值。从而反映作物对于养分的响应、作物生长条件和潜在产量等。也可以用来监测作物生长期间，田间（作物、植被）环境的变化，或者对比不同施肥量与当地标准施肥量之间所产生的差异。

（2）NDVI仪

同样道理，利用NDVI与作物生长和营养状况的相关性，国内外科研工作者和企业研发了相应的双波段仪器，即利用红光区（660nm，）和近红外区（740nm，）双通道光谱。这些小型便携式的NDVI仪由于滤光片的质量有差异，其价位和测定精度也有一定的差异。可用来定性反映作物的长势和氮素营养状况。

图2 不同施氮水平NDVI的变化

3、高光谱仪

20世纪60-70年代，美国农业部（USDA）的研究人员详细测定和分析了干燥和捣碎的多种植物叶片的光谱，获得在400-2400nm光谱范围内大约42处对应一定生物化学成分的吸收特征。随着光谱技术的发展，实现了野外活体监测植物很多化学成分的光谱信息。高光谱遥感以其超多波段、高分辨率等特点，使其可探测植被的精细光谱信息，特别是在估测植被各种生化组分的吸收光谱信息上表现出了强大的优势。因此高光谱仪是科研工作者研究地物光谱信息的有利工具，但是价格比较贵。

用于野外地面监测的高光谱仪可以设计不同的波段范围。目前应用比较多的主要是美国ASD 公司生产的手持式地物光谱仪，体积小，测量范围较窄，波段范围400-1100nm，价格相对便宜；另一种也是ASD公司生产的背挂式地物光谱仪，体积较大，测量范围较宽，波段范围是

350-2500nm，价格比较贵。后者可选择不同视场角度（5度、8度、25度）的光纤探头以适应不同面积大小的目标物，例如进行非接触式测定植物叶片时，为了使得探测叶片充满整个视场，通常采用较小角度的光纤，避免叶片以外其它背景的干扰。而在田间测定冠层光谱的时候，则需要采用较大角度的光纤，覆盖面积较大有利于增加样区的代表性。

另外，ASD Fieldspec FR2500光谱仪不仅可以进行冠层和单叶光谱非接触式的测定，还可以与植被探头连接进行单叶光谱测定，因为植被探头是自带照明光源（模拟太阳光）的，因此不受

外界因素的干扰，可以获取稳定而连续的光谱反射率曲线，提高了植物氮素营养的反演精度。图3是利用植被探头与高光谱仪相连测定的单叶光谱反射率对不同氮素水平的响应。

图3 不同施氮水平光谱反射率的变化

三、几种光谱仪在植物氮素营养诊断上应用比较

利用SPAD-502叶绿素测定仪、Greenseeker 手持式光谱仪获取的是单个数值，而ASD Fieldspec FR2500光谱仪获取的是一条350-2500nm波段范围的连续平滑的曲线。同时可以看出，这三种仪器所测得的数据与氮素施用水平都有很好的相关性，随着施氮量的增加，SPAD 值和NDVI值均呈现规律性的变化，整体趋势是先增加后降低，并且，SPAD与NDVI具有一致性。而高光谱反射率数据则包含了更多的信息，不仅可以反映氮素营养水平，还可以提取叶面积指数、生物量以及与氮素密切相关的叶绿素含量等信息，这些都是可以用来辅助诊断作物氮素水平的。

由此可见，几种作为氮素营养快速无损诊断的工具在生产中的应用各有优势，也存在着各自的局限性。SPAD-502叶绿素测定仪体积小、便于携带、操作简单，可以定性地指导追肥。但是，在实际应用中往往受到作物品种、生育期及生长环境等因素的影响，当测定对象数量较多时，耗时过长，样本测定同步性差。另外还有一个局限性：当SPAD值超过50时，测量精度降低，而作物在生育前期达到50的情况很常见，例如玉米在拔节期前后叶片的SPAD值基本都在50以上。Greenseeker尽管也是手持式的，但是体积并不小，主要用来测定冠层的NDVI值，这款仪器及其系统最初开发的主要针对美国农场条件下对比不同施肥量与当地标准施肥量之间所产生的差异，即通过富氮区（NRS，Nitrogen Rich Strip）和低氮区（FPS，Farmer Practice Strips）获得氮素响应指数进行施肥推荐。而在我国由于农民施肥量本身就很高，所以利用对比来指导施肥还存在欠缺，但是可以快捷并且较精确地获得冠层NDVI值，有助于监测作物长势和养分状况。ASD Fieldspec FR2500光谱仪由于信息量丰富的优点，主要用在科研分析工作中，从其大量的数据中提取植物氮素营养的敏感波段，进而研发价格低廉、适合我国国情的便携式仪器也是其应用的一个主要方向。

四结语

近年来，随着光谱技术的普遍应用，我国在作物氮素营养快速无损的诊断的方面也做了大量的研究。尽管很多研究结果已经比较成熟，但是在转化为生产力方面还是存在着不足，在实际应用上常常受到技术和材料的限制，研发的仪器达不到试验精度，进口的仪器价格昂贵并且由于种植环境的不同适应性较差。因此，在作物营养快速、无损、适时进行诊断的仪器开发方面应重点放在以下两个方向：①研发适合我国国情的、价格低廉的并且相对精准的便携式仪器；②研发可搭载在机器上的、能够在田块和区域尺度上进行适时诊断和推荐施肥的光谱测定仪。