稻株氫營養狀態檢測技術Techniques to Detect Nitrogen Content of Rice Plants
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(2) 102. 李裕娟. 8. 張愛華. 申 雍. 章國威. 楊純明. 羅正宗. 稻株氮營養狀態檢測技術. 李裕娟 1 張愛華 2 申雍 3 章國威 4 楊純明 1 羅正宗 5 1. 行政院農業委會農業試驗所農藝組. 2. 行政院農業委會農業試驗所農業化學組. 3. 國立中興大學土壤環境科學系. 4. 國立中興大學植物研究所. 5. 行政院農業委會農業試驗所嘉義分所農藝組 E-mail:[email protected]. 摘. 要. 本研究之目標在開發以遙測技術檢測稻株氮營養狀況的方法。試驗分 別在行政院農業委員會農業試驗所農場和嘉義分所溪口農場進行，以台農 67號(Oryza sativa L.)為試驗品種。1999年一、二期作進行之氮肥缺乏試 驗，處理田不施肥而對照田為正常施肥。試驗結果顯示，不施肥田區葉片 葉綠素和氮素含量在全生育期皆較正常施肥田區為低，且一、二期作稻株 葉綠素和氮素含量成顯著正相關(r1st=0.744,r2nd=0.837)，而營養、生殖生長 性狀皆以不施肥田區較正常施肥田區差。光譜特徵波長分析指出，以735 nm的微分值可拉大其氮肥處理差距，以不施肥田區的微分值較正常施肥田 區低。2000年一期作在嘉義分所的不等氮肥試驗的結果顯示，735 nm的微 分值與水稻幼穗形成期的氮素含量成顯著正相關(r=0.927）。2001年一期作 在嘉義分所進行的不同等級氮肥施用試驗(0、45、90、180 kg N ha-1）的 結果顯示，以735 nm的微分值可拉大不等氮肥的級距比較，惟在90 kg和 180 kg間難以區分。2001年一期作在農試所內所進行的水稻不同等級氮肥 (0、60、120、180 kg N ha-1)試驗，以幼穗形成期的稻株氮素含量和735nm 的微分值有顯著正相關(r=0.737)，而分蘗盛期所分析的稻株氮素含量，則 與735nm的微分值相關性較低。 關鍵詞：水稻(Oryza sativa L.)、反射比值、葉綠素濃度、氮素、生長期。.
(3) 8 稻株氮營養狀態檢測技術 壹、前. 言. 103. 改變等。葉片的反射光譜主要受葉綠素吸 收的影響，呈現在藍光與紅光段較弱而在. 稻米是國人之首要糧食，更因稻之栽. 綠光段較強的分佈，且各光段的反射值隨. 培兼具生活、生產與生態性，近年來雖然. 葉 綠 素 濃 度 增 加 而 下 降 。 Thomas and. 台灣地區經濟與農業環境改變，但稻之栽. Oerther(1972)試以甜椒葉片反射率估測含. 培對台灣地區永續發展之重要性則益趨重. 氮量，發現與傳統的 Kjeldahl 法測值僅. 要。氮素為水稻生產所需元素中最重要. 0.7%差異；Blackmer et al.,(1994)指出玉米. 的，增施氮肥雖然對稻殼生產貢獻很大，. 葉片在不同氮肥施用量的田區，其葉片在. 在一定的氮肥施用量下，稻殼產量隨氮肥. 550nm的反射量與氮肥施用量成反比，因. 施用量增加而增加，且氮肥施用過量或施. 此利用光譜儀在550nm的反射值藉以估算. 用時期不當，殼粒發育會停止，導致死米. 田間玉米植株含氮值之高低。當氮缺乏. 及乳白米的增加(侯，1988)，適度氮肥之. 時，葉片在可見光區的反射會因葉綠素濃. 施用對稻米糙米率、白米率及完整米率有. 度降低而增加，在近紅外光區的反射值因. 正面的貢獻(宋，1980)。一般而言，米粒. 細胞層數減少而降低(Thomas and Oerther,. 外觀差者施氮量與米質間無一定趨勢，米. 1972; Blackmer et al., 1996)。氮肥對玉米. 質外觀佳者，氮肥施用量愈少愈好(陳，. (Walburg et al., 1982)和小麥(Stanhill et al.,. 1987)，氮肥施用過量(一期作140 kg N ha-. 1972)植被反射光譜的變化的影響曾被提. ，二期作90 kg N ha-1 以內)對米質反而有. 出，由於氮肥改變作物的葉面積、乾物. 負面的影響(賴等，1997)。因此水稻植株. 重、株高、葉綠素濃度、地面覆蓋率等. 若能正確而適時的施用氮肥，不但能穩定. (Inoue and Iwasaki, 1991; Price and Bausch,. 產量且對提高稻米品質亦有助益(張，. 1995; 楊與蘇，1997;Yang and Su, 1998a，. 1988)。水稻在營養生長期和幼穗形成期兩. 1998b)因素而改變植被的反射光譜，故可. 個關鍵時期，其稻株植體氮素的供應最為. 利用植被反射光譜的空間變異評估作物氮. 重要，植體氮濃度愈高，分蘗數和葉面積. 營養的空間分布。. 1. 愈多，但若氮肥供給過多，又易造成氨的. 玉米雜交種其葉片葉綠素含量和氮素. 毒害，或因營養器官過度繁茂導致光照不. 含量呈密切的正相關關係，若以葉綠素測. 足，使穀粒填充不飽滿，影響稻米品質。. 計(Minolta SPAD-502 chlorophyll meter)測. 遙測技術在農業經營管理上具有應用. 得的讀值亦與葉綠素含量、氮素含量呈密. 的潛力，惟仍存在某些限制因素。輻射光. 切正相關。大部分作物在逆境時，其葉綠. 譜遙測技術為非破壞性的檢測方法，能及. 素含量和綠度皆會降低，故生產者即可推. 時又大面積的檢(偵)測作物，隨著資訊設. 測植體氮素的缺乏。葉綠素測計係依據作. 備的提升可自動化系統快速處理分析大量. 物葉片在650 nm的穿透率和葉綠素濃度間. 資料。光譜遙測在農業生產上的應用很. 的良好對應關係設計而成，惟對作物氮素. 廣，如各種農業災害所造成農作物的損失. 在田間空間上的分布情形不易顯現. 估計、氣象環境的影響、作物逆境研究、. (Schepers et al., 1992; Blackmer et al.,. 土壤學上區分農田種類及外在環境造成的. 1994)。.
(4) 104. 李裕娟. 張愛華. 申 雍. 水稻是台灣地區栽培面積最廣的作 物，若能採用精準的肥培管理，適時適量. 章國威. 楊純明. 羅正宗. 施用，每次各施入氮肥用量之三分之一， 每試區面積至少50 m2 ，各處理三重複。. 的施用氮肥，除了具有提高稻作產量和施. 全生育期水稻植冠反射光譜之調查，. 肥的經濟效益外，更可以減少氮肥施用過. 於每 1-2 週以可攜式光譜儀(LI-1800 ，. 多的污染，也具有維護生態環境的積極意. LICOR)測定植冠反射光譜，波長測定範圍. 義。. 為350-1100 nm，光譜解析度為2 nm(霧峰 本所)和10 nm(嘉義分所溪口農場)。測定. 貳、材料與方法. 時，測定人員於測點的北側，將遠端接收 器(LI-1800-02 remote cosine receptor，LI-. 在1999年一、二期作，將水稻(Oryza. COR)伸出約1.5 m置於水稻植冠上方約1 m. sativa L.)台農67號品種稻苗以南北向機插. 處，並側向站立以儘量減少測定人員本身. 於行政院農業委員會農業試驗所農場(臺中. 產生的干擾，儘快反覆測量入射及反射光. 縣霧峰鄉)，土壤質地為壤土。試驗處理田. 譜各三次。由於進行測量時，入射之日射. 區為完全不施肥，對照田區為正常施肥，. 量仍有可能有微小的變動，因此每次量測. 試驗採完全逢機設計(CRD)，4重覆。. 所得之入射或反射光譜強度，均除以同時. 生育期間施用對照田區以硫銨200 kg. 由可見光感測器(LI-190 quantum sensor，. ha 為基肥，第一次追肥以臺肥39號複合. LI-COR)量得之總入射可見光量，再由三. 肥料200 kg ha-1 於插秧後28天實施，第二. 次入射與反射測定之平均值計算植被的反. 次追肥以尿素100 kg ha 在抽穗1-2週前施. 射光譜。所有植被反射光譜的量測工作皆. 用。以8%丁拉殺丹粒劑30 kg ha 在插秧. 於上午十時至下午二時以前完成，以減少. 後施用以防除雜草，另於插秧後28天於施. 反射光譜受太陽入射角變動之影響。. -1. -1. -1. 肥前人工除草一次。有需要防治稻熱病及. 葉片之葉綠素總量(total chlorophyll). 福壽螺時，以三苯醋錫15-20 kg ha 噴施. 於插秧後配合光譜量測定期取樣分析(1999. (李等，2002)。. 年霧峰一、二期作)，以追蹤生育期間之變. -1. 在 2001 年一期作，將水稻(Oryza. 化。葉綠素化學分析方法採自 Arnon. sativa L.)台農67號品種機插於行政院農業. (1949)修正法(Lee and Yang, 1999)，除了生. 委員會農業試驗所農場，試驗田區氮肥處. 育初期之外，每次取樣各品種均自每一重. 理分為0、60、120、180 kg N ha 四種，. 覆小區逢機割取4叢，取4叢平均為小區代. 試驗採完全逢機設計(CRD)，4重覆。. 表值，再以4重覆小區均值進行分析。每. -1. 另於2000年一期作在農業試驗所嘉義. 叢葉片打取圓形樣本分析葉片葉綠素。樣. 分所溪口農場種植台農67號，氮肥處理以. 本先經海砂(約0.1 g)混合添加液態氮(約2. 硫銨分為0、90、180 kg N ha 三種。2001. ml)以杵磨碎，加入 80% 丙酮萃取，再以. 年一期作在農業試驗所嘉義分所溪口農場. 2500 rpm(825 g)離心10 min，取上層溶液. 種植台農67號，氮肥處理以硫銨分為0、. 以光電比色計(Beckman model DU-68)讀取. 45、90、180 kg N ha 四種以造成生育性. 吸收率測值，再以下列公式計算葉綠素總. 狀上的差別，分成基肥、追肥、穗肥三次. 量：. -1. -1.
(5) 8 稻株氮營養狀態檢測技術 Total chlorophyll (mg)= (D652xV)/34.5xW 其中，Dλ為在λ波長(nm)之吸收率 測值，V為上層溶液之容積(ml)，W為葉 片樣本或全株樣本之鮮重(g)。 水稻植體氮素測定，採集每試區幼穗 形成期時之稻株樣品，攜回實驗室以60℃ 烘乾後磨碎，以蒸餾法分析植體內全氮濃 度。. 105. 生長初期，葉片葉綠素含量稍高，隨生長 期之延長，葉綠素含量逐漸下降，葉片氮 素含量與葉綠素相似(一、二期作趨勢相 同)，若將兩者做相關關係，則兩者成直線 正相關(圖3, r1st=0.744,r2nd=0.837)。葉片葉 綠素濃度愈高，光合成能力提高，因而葉 片氮素含量亦隨之增加。一般言高葉綠素 含量吸收較多光能，在較高光照環境下愈 能促進光合作用的進行(Hesketh, 1963;. 參、結果與討論 1999年水稻一、二期作以台農67號為 試驗材料，氮肥之施用與否是否造成水稻 植被反射光譜之差異。圖1顯示台農67號 一、二期作處理田區與對照田區在幼穗形 成期之植被反射光譜之差異，在可見光波 段，氮肥的施用與否的差異極小，因此不 易以綠光段反射波長之反射率來辨識，亦 很難以目視法來區別稻株的氮營養狀況。 水稻植被在近紅外光的反射值正常施肥田 區(對照田區)較處理田區高，正常施肥田 區因氮肥供應無缺，稻株葉面積和葉片鮮 重皆較處理田區高(李等，2002)，因而提 高植被對近紅外光的反射。二期作的處理 間差異較一期作大，因二期作稻株在生長 初期溫度較高，生長快速而茂盛，氮肥供 應需求較多，處理田區稻株不若對照田區 茂密，所以近紅外光的反射亦減少。依光 譜特徵波長的分佈情形，將350-1100 nm 波長的反射光譜作一次微分(圖2)，735 nm 的一次微分值可拉大其氮肥處理差距之趨 勢，以不施肥田區的微分值較正常施肥田 區低。 不施肥田區葉片葉綠素和氮素含量在 全生育期皆較正常施肥田區為低，在水稻. Sestak, 1966)。另一方面植體葉綠素含量 (或濃度)較多者，也反應出處於較高氮素 含量(或濃度)狀態，由於氮素含量與光合 作用率之密切相關而再間接支持高葉綠素 含量有助於光合成的例證(Johnkutty and Palaniappan, 1996; Masoni et al., 1996; Ladha et al., 1998; Peng et al., 1995)。在水 稻研究上，葉綠素含量被發現與葉片及莖 稈 之 氮 素 呈 現 正 相 關 (Johnkutty and Palaniappan, 1996; Ladha et al., 1998; Peng et al., 1995)，且與產量關係密切(Johnkutty and Palaniappan, 1996)。 2000年一期作在嘉義溪口農場種植的 台農67號，氮肥處理以硫銨分為0、90、 180 kg N ha-1 三種；2001年一期作在嘉義 溪口農場種植的台農67號，氮肥處理以硫 銨分為0、45、90、180 kg N ha-1 四種以造 成生育性狀上的差別。在幼穗形成期的植 被反射光譜(圖4A)之近紅外光的反射值隨 氮肥含量愈高而提高，顯示不同等級的氮 肥處理在近紅外光波段可區分出，惟等級 差距愈小、施肥量愈高，愈不易區分。因 90 kg N ha-1 的氮肥用量已接近充分供給， 90 和 180 kg N ha -1 植被生長狀況差異亦 小。雖然稻株體內氮缺乏的情形會反應於 藍光段、紅光段與近紅外光段反射值的高 低，但是利用遙測影像分析時，一般缺乏.
(6) 106. 圖 1.. 李裕娟. 張愛華. 申 雍. 台農 67 號 1999 年一、二期作水稻. 章國威. 圖 3.. 幼穗形成期之植被反射光譜曲線。. 楊純明. 羅正宗. 台農 67 號 1999 年一、二期作幼穗 形成期水稻葉片氮素與葉綠素含量 之相關關係。. 圖 2.. 台農 67 號 1999 年一、二期作水稻. 圖 4.. 台農 67 號 2001 年一期作嘉義溪口. 幼穗形成期之植被反射光譜曲線一. 農場種植不同氮肥處理幼穗形成期. 次微分分布圖。. 之植被光譜曲線（A）和一次微分 分布圖（B）。.
(7) 8 稻株氮營養狀態檢測技術. 107. 入射日射強度的資料，因此不能直接以單. (表1)，因氮肥處理效應使得紅光段和近紅. 波段反射值的高低進行鑑別，常以波段比. 外光段的反射值差距增大，進而影響紅光. 值法予以克服(Lillesand and Kiefer, 1994)。. 段與近紅外光段地帶的斜率變化加劇。此. 計算兩波段的反射值的比值，再獲得不同. 外一次微分亦具有去除土壤背景干擾之作. 氮肥處理間的百分比，探討處理間的差異. 用(Steven et al., 1990)，因此適合作為鑑別. 是否因波段不同而有不同的效果。表1是. 稻株氮營養狀況之特徵值。. 2000年嘉義一期作在不同生育時期的紅光. 2001年一期作在霧峰本所的試驗結果. 段(R, 610-680 nm)、近紅外光段(IR, 790-. 顯示(圖5)，在幼穗形成期的近紅外光波段. 890 nm)和NDVI(標準差植被指數)，在0. 隨氮肥施用量之增加而提高，其現象如同. kg N ha-1 和90、180 kg N ha-1 兩者可以區分. 嘉義溪口農場，在三個不同的試驗田區四. 其差異，而近紅外光段/紅光段(IR/R,. 種氮肥處理的趨勢亦類似。計算紅光段和. SRVI)在90、180 kg N ha 之間則較易辨. 近紅外光段及兩者(SRVI)百分比(表2)，標. 別。若將2001年嘉義一期作台農67號不同. 準差植被指數(NDVI)百分比，再將植被反. 氮肥處理的水稻植被反射光進行微分(圖. 射光譜曲線作一次微分，計算不同氮肥施. 4B)，在波長735 nm的一次微分值有明顯. 用量於 735 nm 微分值的百分比， G/R 及. 差異，亦可拉大90與180 kg N ha 之差距. NDVI的百分比在四個氮肥施用量之差異. 圖 5.. 圖 6.. -1. -1. 台農 67 號 2001 年一期作四種氮肥. 台農67號幼穗形成期植被反射光譜. 處理在三個田區的水稻幼穗形成期. 在735 nm的微分值與植株氮素含量. 之植被反射光譜曲線. 之相關關係（A:2000 年嘉義一期 作，B:2001年霧峰一期作）.
(8) 108. 表1.. 李裕娟. 張愛華. 申 雍. 章國威. 楊純明. 羅正宗. 台農67號2001年一期作嘉義溪口農場種植不同氮肥處理在不同生長期之SRVI、 NDVI及735 nm一次微分值及其百分比。. 表2.. 台農67號2001年一期作農業試驗所霧峰本所農場種植不同氮肥處理在幼穗形成期之 SRVI、NDVI及735 nm一次微分值及其百分比。.
(9) 8 稻株氮營養狀態檢測技術 很小，而SRVI 和735 nm微分值的百分比 則較易區分出不同氮肥等級，惟不同等級 之氮肥並不能很精準的顯示出等級差異， 如0和60 kg N ha-1 、60和120 kg N ha-1 之區 分。 為了進一步瞭解稻株體內氮濃度與光 譜微分值之關係，將2000年一期作在嘉義 溪口農場種植的台農67號三種氮肥處理， 在幼穗形成期測得的稻株體內氮濃度與 735 nm微分值，兩者相關關係成線性正相 關(圖6A)，決定係數R2 為0.862(相關係數r 為0.927)達顯著水準；另2001年一期作在 霧峰本所農場的台農67號四種氮肥處理的 稻株氮濃度與735 nm之微分值，兩者做相 關關係再與2000年嘉義一期作數據合併繪 圖(圖6B)，決定係數R2 為0.679達顯著正相 關，兩個種植地點的資料可合併做相關， 顯示不同區域的試驗效果類似，即由水稻 植被反射光譜在735 nm的微分值之高低， 來判釋稻株體內氮濃度，作為氮肥施用量 的依據。本人建議，在達到實用之前，尚 需累積不同地點、不同期作的植被光譜和 稻株氮濃度的資料，才能進一步建立判斷 稻株體內氮營養狀況的完整模式，應用於 精準農耕系統中之有效施肥措施。. 肆、引用文獻 1. 宋勳。 1980 。施肥法影響水稻碾米品 質之研究。台中區農業改良場研究彙報 新3：220-223。 2. 李裕娟、楊純明、張愛華。 2002 。施 用氮肥對水稻植株氮素、葉綠素及植被 反射光譜之影響。中華農業研究 51(1):1-14。 3. 侯福分。 1988 。肥料對稻米品質之影 響。稻米品質研討會專集。 242-248. 109. 頁。台中區改良場編印。 4. 陳一心。 1987 。增施有機肥提高稻米 品質之研究。40-62頁。75農建-2.2-糧78計畫報告書。 5. 張正賢。 1988 。稻作學精要。國立編 譯館。 6. 賴明信、陳正昌、郭益全、陳治官、李 長沛、曾東海、林英俊。 1997 。現行 水稻推品種生產力與氮肥用量之關係 II. 氮肥用量對水稻品質性狀之影響. 中 華農業研究 46(1):1-14。 7. 楊純明、蘇慕容。 1997 。水稻族群植 冠反射光譜之分析。中華農業氣象 (2):87-95。 8. Arnon, D.I. 1949 Copper enzymes in isolated chloroplasts. Polyphenoloxidases in Beta vulgaris. Plant Physiol. 24:1-15. 9. Blackmer, T. M., J. S. Schepers and G. E. Varvel. 1994. Light reflectance compared with other nitrogen stress measurements in corn leaves. Agron. J. 86:934-938. 10.Blackmer, T. M., J. S. Schepers, G. E. Varvel and E. A. Walter-Shea. 1996. Nitrogen deficiency detection using reflected shortwave radiation from irrigated corn canopies. Agron. J. 88:1-5. 11.Bullock, D. G. and D. S. Anderson. 1998. Evaluation of the Minolta SPAD-502 chlorophyll meter for nitrogen management in corn. J. Plant Nutri. 21:741-755. 12.Hesketh, J.D. 1963. Limitations to photosynthesis response of photosynthesis to light. Crop Sci. 19:54-58. 13.Inoue, Y., S. Morinaga and M. Shibayama. 1993. Non-destructive estimation of water status of intact crop leaves based on spectral reflectance.
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(11) 8 稻株氮營養狀態檢測技術. 8. Techniques to Detect Nitrogen Content of Rice Plants. Yuh-Jyuan Lee1 , Ay-Hwa Chang2, Yuan Shen4, Kuo-Wei Chang4, Chwen-MingYang1 and Jeng-Chung Lo5 1. Department of Agronomy, Taiwan Agricultural Research Institute, Wufeng, Taichung Hsien 413, Taiwan, ROC 2. Department of Agricultural Chemistry, Taiwan Agricultural Research Institute, Wufeng, Taichung Hsien 413, Taiwan, ROC. 3. Department of Soil & Environmental Sciences, National Chung Hsing University, Taichung 402, Taiwan, ROC 4. Department of Botany, National Chung Hsing University, Taichung 402, Taiwan, ROC 5. Chiayi Agricultural Station, Taiwan Agricultural Research Institute, Chiayi 600, Taiwan, ROC E-mail:[email protected]. ABSTRACT This study was intended to develop remote sensing technique and to identify spectral characteristics associated with nitrogen content of rice plants and to establish their quantitative relationships. Field experiments were conducted in the experimental farms in Taiwan Agricultural Research Institute and Chia-Yi Agricultural Research Branch Station, TARI., using Tainung 67 (Oryza sativa L.) cultiva. Nitrogen deficiency experiment conducted in the 1st and the 2nd crops of 1999 at TARI indicated that chlorophyll concentration and nitrogen content of non-nitrogen applied plants were lower than those applied with adequate nitrogen fertilizer. The vegetative and reproductive growth at nonnitrogen field was less than those at normal nitrogen field. Canopy reflectance spectral difference among nitrogen treatments could be easily identified by spectral differential techniques. Nitrogen field experiments conducted at experimental farm at Chia-Yi in the 1 st crop of 2000 indicated that the relationship between the nitrogen content plants in the of panicle formation stage and first derivative value at 735nm was positive linearly correlated (r=0.937). Nitrogen field experiments, 0,45,90, and 180 kg ha-1 , conducted at experimental. 111.
(12) 112. 李裕娟. 張愛華. 申 雍. 章國威. 楊純明. 羅正宗. farm at Chia-Yi in the 1st crop 2001 indicated that differences among treatments could be amplified by first derivative differential of canopy spectral at 735nm, but the differences between 90 and 180 kg ha-1 treatments were small. Nitrogen experiments were also conducted at farm of Taiwan Agricultural Research Institute, in the 1st crops of 2001 with 0,60,120,180 kg ha-1 nitrogen treatment. The relationship between the nitrogen content plants in the of panicle formation stage and first derivative value at 735nm was positive linearly correlated (r=0.737). However, the correlation was not as good as at the maximum tillering number stage. Key words: Rice (Oryza sativa L.), Reflectance, Chlorophyll concentration, Nitrogen content, Growth stage..
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