近红外光谱技术在草业科学研究中的应用及展望

巨 轮

（甘肃省兰州职业技术学院，甘肃 兰州 730000）

近年来，新的检测技术和方法在中国得到了迅速地创新和发展。它具有反应速度快、样品不容易破碎、操作比较简单、稳定性好、效率较高、污染较小、成本较低等一系列特点。主要用在现代农业、林业、畜牧业和食品工业，目前，这项技术已在草原管理、生态、草坪管理、种子选择等领域得到应用和研究，将成为有效补充传统科研方法的一种新的研究方法，这项技术就是近红外光谱分析技术，这是一项新的技术适用于农业检测方面的应用。并且，此技术可以大大优化传统的检测技术。

在新的国家教育目录中，草业科学从传统的畜牧业中分离出来，形成一门单独的学科，命名为草学。这门学科随后的发展壮大，带来了历史性的变革。草学是从草原资源到农业生产的系统科学，由植物生产层、动物生产层和其他生产层。随着社会经济的发展，草学在新的领域得到了应用，特别是有更多的新方法和新技术可以融入到草学之中。一些新的检测方法，如近红外光谱法就是一个很好的例子，因为一些传统的检测方法需要大量的测试，在检测的时间上也需要大量的花费，与此同时，在检测的费用方面也是比较高的。在某些情况下，取样可以根据情况、条件等达到理想状态。然而，这项新技术能够成功地解决这些问题，促进草原科学研究领域的拓展，为草业科学研究做出一定贡献。

1.NIRS技术在牧草及育种方面的运用

优质的牧草饲料对于现代牧草畜牧业发展是非常重要的，这些牧草的质量很大程度上取决于畜牧产品的质量和生产力。近红外光谱法广泛应用于饲料营养成分、饲料混合成分和饲料营养成分的检测分析。同时，对牧草新品种的选择有积极的影响。接下来，我们将讨论饲料草和饲料种子的营养成分，以及红外光谱在新草品种选择中的应用。

1.1 测定牧草及牧草种子营养成分

牧草的叶片含量是饲料选择、生产和利用的重要指标，适当的人员对饲料、畜牧业和消化都很重要。然而，它仍然是由人工分离叶片和叶片决定的，这需要大量的时间和精力。他们利用近红外光谱方法对当地两个苜蓿品种叶片含量进行了准确的预测，发现不同种类苜蓿的模型不能相互使用。他们利用近红外光谱法建立了41个样品中苜蓿含量的预测模型，他们通过近红外光谱区的光谱法直接测定苜蓿青贮饲料新鲜样品的营养价值，建立实时模型，测量新鲜青贮饲料、生蛋白、中性洗涤纤维和酸性纤维中所含的不同品种、干燥物质。采用不同开花期和不同青贮形态比较氨和乳酸的发酵品质，建立了标准化的醋酸和丁酸指标模型，对饲料营养价值的快速测定具有积极意义，准备牲畜的日常饮食，提高饲料质量。他们利用近红外光谱法追踪干蛋白和生蛋白中新鲜苜蓿和饲料混合物的含量。饲料种子质量是成功生产优质饲料的主要前提，而种子质量是保证大规模种植优质饲料成功的最重要因素。种子品种、种子纯度、种子发芽量、水分平衡和种子活力是影响种子质量选择和品质确定的重要原始指标。探讨了近红外光谱法在种子和饲料质量控制中的应用前景。傅立叶变换得到的红外光谱信号，能够及时有效地监测和控制玉米品种和优质水稻品种种子水分变化和活力，满足建立玉米种子快速质量控制体系的需要。

1.2 选育新的牧草品种

在优质牧草新品种的传统育种方法中，其中包括了相关品种的引进和推广标准育种方法和栽培条件、对于牧草的相关性状质量检测和育种相关研究成果，是传统牧草遗传育种方法在现代实践中的重要创新，而近红外光谱技术应用在优良牧草种子选育研究方面则也初步进行做出了较为有益创新的初步尝试，在其遗传次生代谢产物鉴定预测、病虫害抗性筛选鉴定、非生物环境胁迫的抗性检测等各方面应用都逐步展示体现出了基于其育种技术创新的巨大价值。应用技术领域主要体现在植物园样分析技术、改进育种流程、加速育种的进度和多方面探究育种的相应机理上。在这些方面上，近红外光谱技术都对牧草新品种的选育做出了很大的帮助，并且可以帮助选出更好的品种得以发展。

2.NIRS技术在草地资源管理方面的应用

传统的天然草地很大，分布也很广泛，主要是利用重在利用轻在管理的管理方法，严重破坏了草坪上的环境。大多数牧场都会随着全球气候的变化和人类的过度使用而在不同程度上退化。牧草退化不仅包括现有优质牧草数量的减少，还包括主要种植区土壤的退化和枯竭。因此，对草原进行监测和后续管理尤为重要。传统的研究方法效率低下，实地工作极为困难。近红外光谱技术的引进和应用将为其提供新的动力，近红外光谱技术在草地资源管理方面的应用就可以很大程度上解决人们对于草坪环境不爱惜所带来的问题，帮助草坪进行合理化的管理，使草坪环境得以被保护。

2.1 测定并分析土壤环境

氮、磷和钾是三种在肥料之中常见的元素，其在土壤中的含量是反映土壤肥力的重要指标。由于牧草种类不同，在牧草管理中应根据土壤质量采取适当的施肥措施。近红外可见光和光谱学分析发现了不同分馏土壤的损伤，可以较好地对砂质土壤、土壤和粘土进行分类，具有较强的应用价值。在牧草管理的系统之中，牧草被牲畜喂养和践踏，导致土壤的相关密度被提升，这就限制了植物根系生长，其中包括对于水分的接收与渗出，使牧草不能够正常地生长。结合近红外反射器，土壤压实机可同时测量土壤中的水分、密度和粘土含量，可快速、方便、实时地检测影响植物生长的不利条件。其他研究人员还利用紫外、可见光和近红外反射光谱，测定了土壤pH值、有机碳的含量、相关的交换阳离子、一些钙和镁离子，并建立了能够获得良好效果的模型。同时，在畜禽粪便堆肥研究中，应用近红外区域的谐波分析方法。此外，3S技术在农业资源评价、防治农业病虫害、提高农产品质量等方面发挥着重要作用。

2.2 检测草坪中的虫害

在牧草管理之中鼠害监测控制是比较重要的组成部分，对与牧草健康可持续发展方面具有重要意义。在相关的研究之中我们可以看出，啮齿动物、昆虫和蝗虫引起虫害的具体时间和种类因草原类型而异。主要监测要素一般归结为“蝗虫”原理和其他影响因素，这些因素通常针对植被生态破坏机制。例如，在研究蝗虫生态学的方法中，蝗虫最适宜的栖息地主要是监测、分析和评估，以及对蝗虫最可能栖息地区的预测进行间接分析。虽然采用高分辨率光谱遥感和近红外技术对蝗虫进行监测和分析，但其定量监测方法仍不利于对农田进行监测和稻鼠害虫控制。由于其在空间物体定位、实时信息采集、信息综合处理和利用等方面具有独特的综合优势，很快将成为开展该领域科技研究的重要工具。

3.NIRS技术在草坪管理方面的运用

近年来，国外有人尝试将这种近红外光谱法应用于高尔夫球场草坪的管理之中。在应用过程中，它具有操作方便、工作效率高、试验结果可靠、镜面覆盖范围广等优点。而国内在草坪的管理方面还尚未涉及近红外光谱技术，所以说涉及的有关近红外光谱技术在草坪管理中的应用基本都是高尔夫球场草坪管理方面的相应研究，我相信在中国的大力发展下，一定也会很快将此项技术尽快应用在相应草坪的管理当中。

3.1 检测草坪的土壤环境

有许多草坪的特性都直接或者间接的影响着其中的土壤环境，就比如说土壤的营养成分还有其中的含水量，还有草坪的相关色泽情况和生长情况等，包括草坪的辅助管理，包括施肥、修剪和灌溉。目前，球场管理措施一般是根据对草坪性质的主观判断，结合生态条件和季节变化来实施的。在草坪土壤养分成分分析方面，采用近红外光谱法对水分进行扫描，所得到的土壤层的相关光谱数据与传统试验结果的大部分以上都是有关的。灌溉是草坪管理和保护的重要措施之一，特别是在高尔夫球场，灌溉是日常维护的必要措施。近红外光谱法通过实时分析土壤湿度等相关环境参数，可以及时确定合理的灌溉时间和灌溉量。建立了模型，分析了土壤湿度与近红外光谱区光谱的关系。采用近红外光谱法，利用数据预测草坪土壤湿度，对预测结果进行模拟，并与实际R＞0.8土壤湿度数据进行相关系数，采用近红外光谱方法对草坪上植物的多光谱图像进行了分析，所得结果表明，草坪水分含量与草坪的反射率有一定的相关性，可用于预测草坪短期用水需求。

3.2 测定草坪草的元素含量

草坪氮素含量是草坪肥料管理的重要指标，同时通过近红外光谱分析和传统凯尔德法氮化法测定狗牙根草坪草中氨含量的程度。结果表明，两种截然不同的检测方法与实际测量所得的氨含量数据之间存在显著相关性。利用不同的方法进行测试的话，也会出现很明显的线性相关关系，因此，初步可以得出结论，作为一种比较可靠、有效的植物分析方法，考虑草坪上的草本植物种类和草原植物不同的植物土壤，可以更迅速、准确地定量测定氮中的碳含量。采用近红外光谱方法对钾、钙、镁、铁等微量元素进行了预测。虽然预测结果和传统检测结果均为阳性，但是精度不高。此技术对于整体草坪草元素含量的测定还是比较准确的，利用测技术来测定草元素含量可以很好地帮助草坪的管理，更能细致地看到草坪的相关状态，并可以更好地知道该如何去对草坪进行合理化的管理。

3.3 测定草坪的整体质量

草坪外观质量评价是草坪质量评价的重要组成部分，目前国内外主观视觉方法简单，但误差较大；虽然化学分析和测量方法可以量化和提高各种属性的准确性，但它们涉及大量的成本和时间。因此，它在草坪质量评价中的应用非常有限，特别是在高级管理人员运动草场和高尔夫球场的质量评价中。近红外光谱技术不受时间、空间、采样率等因素的影响。可方便地测量和跟踪外部评价的颜色、密度、均匀性、覆盖率等指标。首次采用NIRS方法获得了草坪栽培的光学数据，并利用草坪叶绿素含量的测量数据建立了草坪质量自动评价系统。前对草坪病害的预测判断主要是根据主观经验进行的。在高尔夫球场的草坪上和寒冷季节的草坪上，预测会出现褐变和硬币斑点，相关性高，精度约为90%。通过近红外光波对草坪湿度的反射，预测了枯萎和褐斑。结果表明，枯萎的症状可准确预测到。采用近红外光谱技术进行检测，控制草坪氮气含量和叶病范围，及时跟踪预测良好的效果。采用近红外光谱法评价了羊茅真菌感染的发生率，所得结果在实际应用中得到广泛的认可。

4.总结与分析

红外光谱学是近年来在化学分析方面发展迅速的高科技分析技术。目前，我们还没有更好、更有效的方法、工具和方法，对植被和草原资源进行调查、管理和监测，实时监测地面植被根系生长动态，综合采集地下生物量资源。最重要的技术是对草原植物及其地下生物资源进行快速、大规模、无明显损害的测绘。将草原土壤生态试验与近红外光谱技术相结合的科研成果逐渐得到广泛的发展。其产品对系统地研究或开发土壤生物量测量方法和地下根肥分配机制具有很高的理论和技术可行性，也为草原的科学管理和有效利用提供了可靠的技术支持。第三，由于牧草退化，对啮齿动物、病虫害的区域频率和遗传过程的监测非常有效。在此后的发展中我们也应多发展红外光谱技术，尽可能的在更多的领域进行应用，与此同时，也可以在草业科学研究中做出更多的贡献。帮助草业科学发展，这不仅仅是对于草业科学的帮助，更多的是对草业的保护与研究，对环境的保护，使整体的发展可持续化。