全 文 ：第２１卷　第３期
　Vol．２１　 No．３
草　地　学　报
ACTA AGRESTIA SINICA
　　　　　２０１３年 ５月
　 May　２０１３
doi:１０．１１７３３/j．issn．１００７Ｇ０４３５．２０１３．０３．０２５
基于图像处理技术对现蕾期紫花苜蓿
氮素营养的诊断研究
陈积山,朱瑞芬,高　超,邸桂俐,张月学∗
(黑龙江省农业科学院草业研究所,黑龙江 哈尔滨　１５００８６)
摘要:利用图像处理技术分析不同外源氮素添加下紫花苜蓿(MedicagosativaL．)现蕾期的冠层图像,并测定不同
外源氮素添加试验下其叶片SPAD值、地上植株生物量和植株全氮量,初步研究了可见光遥感技术对苜蓿冠层氮
营养诊断的可行性,对表征苜蓿氮营养状况的可见光光谱诊断指标进行了统计分析.结果表明:绿光值、红光值都
与苜蓿叶片SPAD值、地上生物量和植株全氮量存在显著或极显著的线性负相关关系;而与蓝光值没有达到显著
相关.其中,绿光值与苜蓿叶片的SPAD值极显著相关且相关系数最高(r＝－０．８１７,P＜０．０１).结果比较分析认
为,数字图像的绿光值(GI)能够对现蕾期紫花苜蓿进行较好的营养诊断,因此利用可见光光谱形成的数字图像指
导大田生产紫花苜蓿对其现蕾期氮营养诊断成为可能.
关键词:数字图像技术;紫花苜蓿;氮营养诊断
中图分类号:S５４１．９　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:１００７Ｇ０４３５(２０１３)０３Ｇ０５７６Ｇ０５
NitrogenStatusDiagnosisofFertilizedAlfalfaduringBudding
StageUsingDigitalPhotographyAnalysis
CHENJiＧshan,ZHURuiＧfen,GAOChao,DIGuiＧli,ZHANGYueＧxue∗
(InstituteofPrataculturalScience,HeilongjiangAcademyofAgriculturalScience,Harbin,HeilongjiangProvince１５００８６,China)
Abstract:ThepossibilityofusingdigitalphotographyanalysistechnologytomonitortheNstatusoffertilＧ
izedalfalfaatbuddingstagewasinvestigatedwithaddingdifferentexogenousnitrogenusingapotexperiＧ
ment．Resultsshowedthatthegreennessintensity(GI)fromalfalfacanopyimagehadsignificantinverse
linearcorrelationswiththeconventionalNdiagnosisparametersofSPADreadings,aboveＧgroundbiomass
andNuptake．Howeverthebluenessintensity(BI)hadnosignificantcorrelationwithalfalfaNindices．
Thehighestcorrelationcoefficient(r)was－０．８１７betweenSPADandGI．Therefore,themethodofvisiＧ
bledigitalimagecoloranalysiscouldbeusedforthefertilizedalfalfaNdiagnosisatbuddingstageinthis
experimentalcondition．
Keywords:Digitalphotography;Alfalfa;Nitrogenstatus
　　紫花苜蓿(MedicagosativaL．)是世界上栽培
利用且分布最广的豆科牧草之一,在我国也不例
外[１].被誉为“牧草之王”的紫花苜蓿以其产量高、
适口性好、营养丰富等诸多生产性能和经济价值,奠
定了它在饲草生产中的基础地位[２].长期以来,干
草是国内外人们开发利用紫花苜蓿的重要产品之
一,干草产品数量多寡和质量的优劣直接影响着苜
蓿产业经济的发展.近年来,在我国实施的国家牧
草产业技术体系的推动下,苜蓿产业化发展欣欣向
荣,优质高产成为紫花苜蓿产业化发展中田间生产
管理的重要环节[３].因此施用氮肥是紫花苜蓿生产
中重要的增产措施之一.随着苜蓿生产中氮肥施用
量的增加,土壤供氮水平不断提高,其草产量也相继
提高.然而长期持续大量使用氮肥,不但造成作物
利用氮肥的增产效果不明显或氮肥利用率低下[４],
而且锐减了施肥经济效益,进而引发区域农田生态
收稿日期:２０１２Ｇ１２Ｇ３０;修回日期:２０１３Ｇ０２Ｇ１８
基金项目:“十二五”国家支撑计划“草业及草原可持续发展关键技术研究与示范”(２０１１BAD１７B００);现代农业产业技术体系建设专项资
金(CARSＧ３５)资助
作者简介:陈积山(１９７９Ｇ),男,甘肃古浪人,助理研究员,硕士,主要从事牧草栽培及草地管理,EＧmail:gscjs２００８＠yahoo．com．cn;∗通信
作者 Authorforcorrespondence,EＧmail:zyxnky＠１６３．com
第３期 陈积山等:基于图像处理技术对现蕾期紫花苜蓿氮素营养的诊断研究
环境恶化、饲草饲料安全性等一系列重大问题[５].
因此作物无损测试技术在氮素营养诊断中受到更多
研究者的关注[６].
目前,利用可见光谱(７７０~３５０nm)进行作物
营养诊断的研究已被重视[７Ｇ８].作为遥感技术之一
的可见光遥感技术,特别是可见光遥感和信息技术
及数字图像处理技术的结合发展,国内外已有应用
研究.例如,玉米(Zeamays)冠层光反射与其产量
的关系研究[９Ｇ１０];利用数字图像处理技术判断小麦
的冠层叶绿素含量[１１]及估计其生物量[１２];利用数码
影像分析技术预测草地地面覆盖度[１３].贾良良
等[１４]、王人潮等[１５]利用数码相机研究水稻(Oryza
sativa)的氮营养状况.这表明近地面可见光谱在
作物应用研究上具有广阔的应用前景[１６].
由于传统苜蓿植株氮素测定需要经过室内化学
试剂法获得,致使其氮素营养诊断在时间上不能及
时处理,限制了苜蓿蛋白含量最佳时间的诊断和及
时供给苜蓿足量氮源确保提高蛋白含量的可能.长
期研究表明,苜蓿现蕾期或初花期是苜蓿生育期当
中营养价值最好的阶段,也是苜蓿植株氮素含量最
高的时期.因此,结合苜蓿氮肥施用的系统性和可
行性,在苜蓿现蕾期诊断植株氮素营养十分重
要[１７Ｇ１８].国内外研究资料表明,目前此类研究主要
集中在小麦(Triticumaestivum)[１１Ｇ１２]、棉花(GosＧ
sypiumspp．)[１９]、水稻[１４Ｇ１５,２０]等大田作物上,在苜
蓿栽培中还鲜有报道.本文采用数码相机作为传感
器获取了不同氮素添加水平下苜蓿现蕾期冠层图
像,通过图像处理软件提取数字图像指标与相应苜
蓿现蕾期的氮营养状况进行相关研究,初步建立了
苜蓿氮素诊断的冠层图像数字化指标量化体系,建
立施用氮肥苜蓿氮营养数字图像快速诊断方法与诊
断指标.
１　材料与方法
１．１　试验地概况
本试验在黑龙江农科院草业研究所兰西实验基
地(N４５．２°,E１２２．６°)于２００９年进行,所用品种为
当地主栽苜蓿品种龙牧８０１(M．stativa‘Longmu
８０１’).试验地所处区域属于大陆性季风气候,最高
气温３８℃,最低气温－３０℃,≥１０℃年活动积温
２８８７℃,无霜期１３９d左右.土壤为黑土,土壤容重
为１．４３g􀅰μm－３,田间持水量为２３．５２％.根据长
期跟踪检测苜蓿土壤理化性质数据表明(表１),该
试验土壤的养分分级评定为有机质和全氮处在中等
肥力水平,而磷、钾含量为高肥力水平.
表１　试验区土壤基本理化性状
Table１　Generalsoilphysicalandchemicalproperties g􀅰kg－１
土壤类型
Soiltype
pH
全氮
TotalN
有机质
Organictexture
速效钾
Kalium
速效磷
Phosphorus
苏打盐碱土Salinesodicsoil ８．６ １．９ １６．５ １２６．２ ３５．９
１．２　试验设计
试验以尿素(urea,４６％ N)为供试肥料,采用递
增添加纯氮设计５个处理(０,５０,７５,１１２．５和１５０
kg􀅰hm－２),每个处理重复４次,随机区组法将５个
施肥处理随机安排在２０个面积为４m×５m小区
中.２００８年５月初以播种量１５kg􀅰hm－２,播种行
距１５cm的田间播种原则进行小区紫花苜蓿播种,
２００９年５月中旬进行施肥试验,不同氮肥添加处理
分别表示为N０(CK),N５０,N７５,N１１２．５,N１５０.由
于本试验供试土壤中磷、钾含量偏高,但相关数据表
明使用磷钾肥不会再造成作物生长状况差异,因此
各处理除氮之外均没有涉及其他类型的磷钾肥[２１].
各处理在苜蓿生长期间采用田间统一的管理方式.
１．３　数据采集
在紫花苜蓿的现蕾期,选择正午、无风无云的晴
朗天气,拍摄高度为镜头距冠层１m,拍摄角度为镜
头与水平面成３０度角(在一定程度上确保了每张
图片拍摄的冠层面积),设定强制曝光模式.拍摄时
照相机在小区中央位置进行拍照,各小区每次拍摄
３幅,照片的分辨率设为１２８０×９６０,根据不同氮素
添加处理将其拍摄的照片进行编号并以JEPG文件
格式保存在本地磁盘.对拍照的数码照片采用图像
处理软件(AdobePhotoshop)通过直方图程序获取
冠层图像各色光通道的平均值,色彩参数包括红、
绿、蓝光绝对值(R,G,B),在数据获取时均选取平
均值;为更好地描述色彩参数与植株营养参数之间
的相关关系,选取RGB彩色模型提取各处理图像的
绿光值(greennessintensity,GI)、红光值(redness
intensity,RI)和蓝光值(bluenessintensity,BI)参
数的绝对值.数字图像获取后,采用SPADＧ５０２(JaＧ
pan)型手持式叶绿素仪测定其最新完全展开叶的
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草　地　学　报 第２１卷
叶片SPAD值并记录,其后收获整个小区的地上部
分,烘干后测定其生物量和全氮含量,并以此计算植
株全氮量.测定方法如下[２２].
叶绿素含量:叶绿素含量采用SPAD仪器测
定.
植株全氮测定:称取一定量的烘干苜蓿草样,
粉碎过筛,采用瑞典波通仪器公司的DA７２００固定
光栅连续光谱近红外分析仪测定样品的粗蛋白含量
(crudeprotein,CP).每测一次设重复３次.用公
式法分别计算植株全氮含量(mg􀅰g－１DW).
１．４　数据处理分析
所有统计分析均采用SPSS１７．０软件(SPSS,
Chicago,IL,USA)的一般线性模型的单因变量多因
素方差分析(GLM);多元线性统计分析采用R语言
的软件包处理并作图.
２　结果与分析
２．１　不同氮素添加对苜蓿叶片SPAD值、地上生
物量和植株全氮量的影响
由表２可知,现蕾期苜蓿的地上生物量、植株全
氮量存在显著差异(P＜０．０５).添加处理氮素７５
和１１２．５kg􀅰hm－２时,叶片的SPAD值、地上生物
量和植株全氮量均显著高于其他氮素添加处理(P
＜０．０５);而CK除与处理N１５０在植株全氮量差异
不显著外,与其他处理相比,CK的叶片SPAD值、
地上生物量和植株全氮量最小.随着氮素添加由
０,５０,７５,１１２􀆰５,１５０kg􀅰hm－２递增过程中,苜蓿叶
片SPAD值、地上生物量和植株全氮量在添加１１２．５
kg􀅰hm－２氮素时达到最大,在氮素添加１５０kg􀅰hm－２
时各指标未能递增而呈现降低现象.尽管处理N１１２．５
使苜蓿生长期间营养状况达到较好状态,SPAD值、地
上生物量和植株全氮量分别为３７．２,１４６９３．３３
kg􀅰hm－２DW 和０􀆰４５mg􀅰g－１DW,但方差分析表
明,N１１２．５与N７５在０．０５水平上差异不显著.
２．２　不同氮素添加处理间苜蓿冠层数字图像指标
的多元统计分析
基于多元统计分析不同氮素添加处理对苜蓿冠
层数字图像指标与叶片SPAD值、地上生物量和植
株全氮量的关系,本文采用在RＧvegan语言建立多
元分析编程,选择线性模型(PCA)的排序方法进行
线性排序分析.PCA排序结果中,可以通过变量箭
头之间的夹角来表示变量之间的相关性(图１),夹
角越小,表示相关性越高,如果箭头同向,表示正相
关;如果反向,表示负相关;如果夹角接近直角,表示
相关性很小.在不同氮素添加处理对叶片SPAD
值、地上生物量和植株全氮量的排序图中,三者都成
正向相关,相关性最高为地上生物量与植株全氮量,
其次是SPAD值与植株全氮量,SPAD值与地上生
物量相关性最小.在不同氮素添加处理对苜蓿冠层
数字图像指标关系的排序图中,绿光值(G)与其他９
种色光值(B,R＋B,G＋R,R,R＋G＋B,R＋G,B/
(R＋G＋B),G,R/(R＋G＋B),R/(R＋G＋B))都
成正向相关(箭头同向,锐角夹角),且相关性最好.
同样,线性排序图内全部变量与数量型环境因子关
系(氮肥添加处理)表明,每个氮肥添加处理(N０,
N５０,N７５,N１１２．５,N１５０)投影到某一变量的箭
头,投影点的相对位置可以代表该变量在这些氮肥
添加处理中能够被排序模型所解释的部分的量值
(图１).在PCA图中,变量箭头的起始点的位置表
示变量的量值平均值位置.如果氮肥添加处理的投
影点在箭头的反向延长线上,则表示该变量在此氮
肥添加处理内量值小于平均值;反之,则大于平均
值.因此,５个氮肥添加处理中,投影点在变量(叶
片SPAD值、地上生物量和植株全氮量)箭头的正
向延长线上,N７５处理解释了最高的叶片SPAD
值、地上生物量和植株全氮量.其次是N１１２．５,最
小的是对照处理N０.
表２　不同氮素添加处理下龙牧８０１苜蓿叶片SPAD、地上生物量及植株全氮量
Table２　SPADvalue,biomassandNＧuptakeofM．stativa‘Longmu８０１’atdifferenttreatments
处理
Treatments
SPAD
value
生物量
Biomass/kg􀅰hm－２DW
吸收氮
NＧuptake/mg􀅰g－１DW
N０(CK) ２３．７d １１３３６．４０d ０．３５c
N５０ ３２．３b １２６４４．３０b ０．４２b
N７５ ３５．５a １４６７３．６１a ０．４５a
N１１２．５ ３７．２a １４６９３．３３a ０．４６a
N１５０ ２８．７c １１５３６．４０c ０．３３c
　　注:行间不同字母表示在０．０５水平上差异显著,下同
Note:Differentlettersindicatesignificantdifferencebetweenrowsatthe０．０５level,thesameasbelow
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第３期 陈积山等:基于图像处理技术对现蕾期紫花苜蓿氮素营养的诊断研究
２．３　苜蓿冠层数字图像指标与苜蓿地上生物量和
养分状况的关系
如图１所示,苜蓿冠层的绿光值与苜蓿叶片
SPAD值、地上生物量以及植株全氮量之间存在着显
著或极显著的线性负相关关系.其中绿光值与
SPAD值地上生物量的相关系数最高为－０．８１７(表
３);而与地上生物量及植株全氮量的相关系数稍低,
分别达到－０．７５~－０．５４.同样,本试验中虽然提取
了数字图像的蓝光值,但蓝光值与各营养指标之间均
没有达到显著相关(数据未列出),这与贾良良等[１０]、
孙钦平等[２２]在水稻上的研究一致.绿光值与SPAD
值在置信区间上有９９％的线性相关性(图２).
图１　变量参数(红色)和氮素添加处理(黑色)
的主成分排序图
Fig．１　Ordinationdiagramsofvarianceparameters
(redmarker)andNadditiontreatments(blackmarker)
图２　绿光色值(GI)与苜蓿叶片SPAD值的线性相关
Fig．２　CorrelationsofalfalfaGIandSPADvalue
３　讨论
在数字图像获取方法的研究上,前人做了一些
工作[１０,２２].本研究也验证了在晴天与阴天都可以
正常拍摄苜蓿冠层图像而不影响冠层绿光色值.同
时JPEG压缩格式与TIFF无压缩格式图像所得到
的冠层绿光色值之间没有差异,因此在实际应用时
便于图像的获取和存取,以JPEG压缩格式为好.
本试验以不同氮素添加对苜蓿叶片SPAD值、
地上生物量和植株全氮量的影响及苜蓿冠层色彩参
数研究,发现５个氮肥添加处理中,N７５处理解释了
最高的叶片SPAD值、地上生物量和植株全氮量.
其次是N１１２．５,最小的是对照处理.因此,运用数
码相机所获得的图像色彩参数之间也存在一定差
异,绿光值(G)与其他９种色光值(B,R＋B,G＋R,
R,R＋G＋B,R＋G,B/(R＋G＋B),G,R/(R＋G＋
B),R/(R＋G＋B))都成正向相关,且相关性最好.
因此,现蕾期苜蓿氮素诊断上绿光值(G)相比于其
他指标是较好的指标.
通过前人的研究结果发现[１１Ｇ１５],不同作物反映
氮素营养指标的色彩参数不尽相同,但绿光值(G)
在各种作物诊断中应用比较普遍,虽然绿光值(G)
不一定是诊断该种作物最好的色彩参数,但它具有
一定的普遍性.并且前人在用数字图像技术诊断苜
蓿氮素营养方面的研究并不多,其原因有待进一步
研究.
４　结论
通过氮素添加对现蕾期苜蓿的冠层反射光谱的
影响表明,不同处理下现蕾期苜蓿的地上生物量、植
株全氮量存在显著差异,利用由可见光光谱波段组
成的数字图像可以用来进行苜蓿这一时期的氮素营
养诊断.绿光值(G)与其他９种色光值(B,R＋B,G
＋R,R,R＋G＋B,R＋G,B/(R＋G＋B),G,R/(R
＋G＋B),R/(R＋G＋B))都成正向相关,且相关性
最好.数字图像的绿光值和红光值都与苜蓿叶片的
SPAD值、地上生物量以及植株全氮量有着极显著
的线性负相关关系,而蓝光值则与各营养指标均没
有达到显著相关.在本试验条件下,绿光值与各营
养指标的相关系数中,SPAD值与绿光值的相关性
显著高于其他各营养指标的相关系数,是能较好的
反映氮素添加处理的苜蓿现蕾期营养状况的指标.
９７５
草　地　学　报 第２１卷
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(责任编辑　刘云霞)
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