用近红外光谱技术给草坪——土壤系统做“体检”

近红外光是指波长在 780 ~ 2526 nm 范围内的电磁波,是人们认识最早的非可见光区域。现代近红外光谱(NIRS)是90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术,是光谱测量技术与化学计量学学科的有机结合,被誉为分析的巨人。量测信号的数字化和分析过程的绿色化又使该技术具有典型的时代特征。不同物质在近红外区域都有丰富的吸收光谱,每种成分都有特定的吸收特征,这是NIRS定量分析物质组成成分的基础。近红外技术就是依据化学成分对近红外区光谱的吸收特性的不同而对组织中的化合物进行的定量测定。利用NIRS分析物质的组成成分具有以下几个优点:(1)通常只需要烘干和研磨成粉,样品制备简单,无需使用任何化学试剂及对样品进行各种长期的物理性预处理,简便、成本低;(2)扫描分析一个样品通常在3min 内完成,分析速度快,分析效率高;(3)测量范围广,可以测定各种类型的样品,除了可检测一般液体、固体样品外,还可以用NIRS 检测粉末样品、纤维样品、糊状样品、乳类和肉类样品。(4)测定中对物质不会有结构性的破坏,可对样品进行多次分析。

分析过程示意图

现代近红外光谱技术的应用除传统的农副产品的分析外已扩展到众多的其他领域,主要有石油化工和基本有机化工、高分子化工、制药与临床医学、生物化工、环境科学、纺织工业和食品工业等领域。下面主要详细介绍下近红外光谱技术在草坪-土壤管理中的应用。

近红外光谱技术也是近年来在草坪管理中兴起的一种新的分析方法 , 可以快速、便捷、无损伤地同时检测草坪 -土壤系统中多种要素。使用该技术可以及时获取草坪草生长及环境状态数据,有效提高草坪管理决策管理水平。目前存在的问题是,利用近红外光谱技术建模需要的有关球场的各种基础化学分析数据还有待于积累。

控制和分析

1、NIRS在施肥管理中的应用

草坪-土壤系统中的营养水平直接影响到草坪的很多坪用性状, 从而间接地影响施肥、修剪、灌溉等辅助管理措施。现在施肥的通常做法是草坪主管基于对草坪颜色、长势的主观判断结合环境条件、季节变化来制定的。因为常规的分析方法耗时太长, 等分析结果出来时草坪-土壤中营养状态已经发生改变, 所得数据不再适用。应用NIRS 技术能弥补以上不足, 可迅速、有效地检测出草坪和土壤中营养水平是否存在潜在的过量或不足从而确定适宜的施肥时间和施肥量。

(1)草坪草营养含量的测定

采用 NIRS 技术和凯氏定氮两种方法测定百慕大草坪草的氮含量, 发现两种方法测得的氮含量存在显著相关性;在1993 年采用同样两种方法测定匍匐翦股颖和多年生黑麦草在整个生长季节内草屑的含氮量也呈现明显的线性相关。同时, 采用 NIRS 技术确定的施肥时间与基于季节性施肥或感官质量判断确定的施肥时间相比,可在减少施肥量的基础上保持相同的草坪质量。以上这些研究结果表明 NIRS 技术是一种相对可靠的分析方法,可帮助草坪管理者快速准确地掌握草坪草的氮含量。植物样品中的无机离子以一定形式与具有近红外吸收的有机基团结合, 因而也可以借助 NIRS 技术测定其含量。对K,Ca,M g,Fe,Zn,Mn和Cu矿质元素采用 NIRS 技术预测结果与采用传统的试验方法所得结果呈正相关, 但使用NIRS 确定这些矿质营养元素含量的精确度并不够高。

(2)土壤营养成分分析

传统的土壤成分含量检测以化学方法为主, 存在检测速度慢, 实时性差, 有污染等缺点。NIRS 用于土壤检测可以对土壤水分、养分、质地等进行实时和大批量分析, 获取球场土壤信息量大, 覆盖面宽, 而且不会对草坪造成人为破坏;其次是时效性强, 分析速度快, 可实现实时分析。另外操作简单、 成本低、 多组分可同时测定通过一次全光谱扫描,即可获得样品中各种化学成分的光谱信息。因此, NIRS 技术在草坪土壤检测方面潜力是巨大的。NIRS 法在评价土壤品质方面有很大的潜力。用 NIRS 测定土壤中全氮和碱解氮技术已经比较成熟, 对其他成分测定的效果还有待于进一步的实验证明。

2.NIRS在草坪灌溉管理中的应用

灌溉是草坪每天养护中必不可少的一项管理措施, 特别是干旱地区果岭的管理。合理灌溉的基础是及时获取草坪草和土壤中的水分含量和对天气变化的了解。NIRS分析方法是一种快速、简便及无破坏性的测量土壤水分的方法, 有很多研究者利用此方法分析土壤参数, 可以实时提供草坪-土壤中的水分信息, 确定适宜的灌溉量和灌溉时间。采用基于 NIRS 技术的多光谱图象进行系统分析, 获得草坪草含水量与草坪反光特性之间的相关性,然后通过测量草坪在可见光和红外线区域内的不同光波下的反光特性, 来预测草坪短期的水分胁迫。利用N IRS 测定土壤水分的其他研究也证明 NIRS与实验室化学分析法之间相关性高、误差小, 可以直接用于土壤水分的实时预测, 是测量土壤水分的一个可靠的分析方法, 可帮助草坪管理者实时有效地把握灌溉时间和灌溉量。

应用

3.NIRS在草坪外观质量评价中的应用

草坪质量评定应用得最广泛的是草坪外观质量评价。目前为止国内外草坪学者对草坪外观质量评价通常采用目测法, 普遍使用的评分系统是美国草坪草评价体系(NTEP)的九分制。目测法简单易行, 但误差较大, 需要有经验丰富的人员参与评价, 这样的草坪外观质量评价给人概念模糊而不确定, 在以后的草坪管理中缺乏可靠的客观依据;而化学分析测量法虽然可将各种性状指标定量化, 从而增加评价结果的准确性, 但常规的化学分析方法一般从取样到结果分析出来所要耗费的时间很长,检测成本又高,同时可能要破坏球场结构及景观,因而在草坪质量评价中应用受限。而运用 NIRS 技术可以从多方面对草坪的颜色、密度、均一性和盖度等外观评价指标进行测定,从而对草坪外观质量进行一个量化指标评价。截止到目前,NIRS在草坪颜色测定方面的应用还不是很广泛 ,但由于光谱技术简单、客观,相信不久的将来一定会在草坪外观质量评价方面得到很好应用 。

4.NIRS在草坪有害生物防治中的应用

及时准确地预测和判定草坪病虫害的发生是有害生物防治的先决条件 , 因而在草坪管理中是非常重要的。目前球场的总监或草坪主管多在病症出现之后采用主观经验判断,这样的被动防治的后果是大量施用杀菌剂或杀虫剂,效果不确定而且污染环境,造成球会草坪养护资金的巨大浪费。采用 NIRS可以及时有效地判定有害生物发生的情况,有针对性地采取防治措施,减少了日常盲目的喷药所带来的环境负效应。如:可以利用 NIRS 技术研究草坪冠层反射与冷季型草坪褐斑病和币斑病之间的关系,可以利用 NIRS 技术通过对匍匐翦股颖草坪草屑含氮量和其币斑病的发病程度的初步相关分析发现, 随着草坪草屑含氮量的升高,币斑病的发病程度减轻。还可以用 NIRS 技术评估高羊茅真菌感染水平等等。可见NIRS 技术在有害生物防治方面有着其他预测防治方法无可比拟的时效性,相信不久的将来在草坪土壤的管理中将发挥更大的作用。

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