全 文 ：* 中国科学院知识创新工程项目（KZCX2-SW-317，KZCX3-SW-428）及中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心前沿领
域创新课题资助
** 该文系作者在中国科学院研究生院学习期间完成
***通讯作者
收稿日期：2004-12-27 改回日期：2005-01-31
冬小麦叶片绿度时空变异特征研究*
吴素霞** 毛任钊*** 李红军 侯美亭
（中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050021）
摘 要 应用地统计学方法测定分析海河低平原区农田冬小麦关键生育期叶片绿度时空变异特征结果表明，冬小
麦叶片绿度时间变化趋势为拔节期<孕穗期<抽穗期<灌浆期；各生育时期叶片绿度在180m*720m空间存在变
异性，其相关距离为145.4~320.0m；块金效应占各自总方差的25%~79%，经验半方差可用球状模型模拟。
关键词 冬小麦 绿度 时空变异性 半方差 Kriging插值
Studyonspatio-teLporalvariabilityofgreendegreeinwinterwheatleaf.WUSu-Xia，MAORen-Zhao，LIHong-Jun，
HOUMei-Ting（CenterForAgriculturalResourcesResearch，InstituteofGeneticsandDevelopmentalBiology，Chinese
AcademyofSciences，Shijiazhuang050021，China），CJEA，2005，13（4）：82~85
Abstract Thespatio-temporalvariabilityofgreendegreeinwinterwheatleafofHaiRiverLowerPlainwasstudiedusing
themethodofgeologicalstatistics.Theresultsshowthatthetemporalvariabilitytrendofgreendegreeisheadingstage<
bootingstagecorrelativedistanceisfrom145.4mto320.0m.Thenuggetvariancesarebetween25%and79%ofthetotalvariance，re-
spectively；andtheempiricalsemivariogramsofthegreendegreeinthefourstagesarestimulatedinsphericalmodels.
Keywords Winterwheat，Greendegree，Spatio-temporalvariability，Semivariogram，Kriginginterpolation
（ReceivedDec.27，2004；revisedJan.31，2005）
农田土壤空间异质性及人为水肥管理的差异是造成作物长势时空差异的两大原因，利用遥感技术实时
对其诊断已成为当前研究的热点之一。叶绿素含量与植物光合能力、发育阶段以及N素状况有较好的相关
性，其含量多少可反映作物的生长状况［1］，同时作物产量的形成是通过植物体内叶绿素将光能转变为化学
能-生产有机物质的过程［2］，因此实时监测作物叶片叶绿素相对含量的变化是实现作物长势监测和产量估算
的重要环节。本研究探讨了海河低平原冬小麦叶片绿度时空变异特征，为农田生态系统管理合理应用遥感
技术提供可靠依据。
1 研究区域概况与研究方法
试验在河北省南皮县冯口镇农田（东经116≠44◜28"，北纬38≠15◜12"）进行，该区属海河低平原滨海与内陆
图1 田间样方点分布图
Fig.1 Distributionofsamplingcenters
过渡地带，地势平坦，海拔高度为7~8m，属典型大陆性
季风气候，年均气温12.3࠷，多年平均降雨量568mm，干
燥度1.4，春季干旱、少雨。农田土壤亚类为普通潮土，质
地较粘重。冬小麦主要当家品种为“71-3”、“白玉149”和
“石家庄8号”，各地块播种量、播种日期和底肥基本一致，
冬小麦生长期降水量少，所需水分主要依靠灌溉。
田间样方选取于麦田连片且休闲地宽度<10m的
农田（180m*720m），按30m*30m为1个样方，东西向
连续排列，南北向间隔30m排列，共选取样方100个，其样方分布见图1。植物叶片叶绿素含量与叶片含N
第13卷第4期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol.13 No.4
2005年10月 ChineseJournalofEco-Agriculture Oct.，2005
量密切相关［3］，大田作物缺N时一般表现为叶片叶绿素含量降低，叶色变浅，而供N过多时则反之，植物叶
色变深。日本MINOLTA公司产的SPAD-502叶绿素仪可在田间快速无损检测植物叶片叶绿素相对含量，
其工作原理是采用2个不同波长光源分别照射植物叶片表面，通过比较穿过叶片透射光的光密度差异而得
出SPAD值，因而叶绿素仪测定的植物叶片叶绿素相对含量为无量纲比值（即叶片绿度），与叶片叶绿素含量
成正相关。本研究选取距离冬小麦叶基部55%处作为测试位点，利用SPAD-502叶绿素仪测定每样方2组
SPAD值，取其平均值作为该样方叶片绿度，冬小麦生育前期测定新的完全展开叶，生育后期测定冬小麦旗
叶，测定日期为2004年4月1日和17日、5月3日和19日，分别对应冬小麦拔节期、孕穗期、抽穗期和灌浆
期，同时测量其叶面积指数、株高和生物量等。
地统计学方法主要包括半方差函数和Kriging插值，所用软件有VARIOWIN2.21和Surfer8等，以冬
小麦叶片绿度作为区域化变量。空间随机变化的区域化变量Z（x）在相邻点间呈现出一定位置依赖性或相
关关系（某种空间结构），半方差函数γ（h）分析是解释这种空间结构的地统计学方法内容之一［4~7］。所谓
半方差函数即2点间插值的方差一半，即：
γ（h）E 12N（h）∑
N（h）
iE1
［Z（xi）-Z（xi+h）］2 （1）
式中，h为样本间距，N（h）是间距为h的样本“配对”数目，Z（xi）、Z（xi+h）分别为变量Z（x）在空间位置
xi和xi+h的实测值。半方差图由一系列离散点构成，可根据其形状用直线或曲线方程拟合，得到半方差
函数理论模型。当半方差函数γ（h）随间距h的增大，从非零值达到一个相对稳定的常数，该常数称为基台
值C0+C，此时的间隔距离为变程a；当间距hE0时，γ（h）EC0，该值称为块金值或块金方差。块金值通
常表示由实验误差和小于取样尺度所引起的变异，若块金值较大则表明在较小尺度上某种过程不容忽视；
基台值通常表示系统内总的变异，块金值与基台值比值表示随机部分所引起的空间异质性占系统总变异的
比例，若该比值高则说明随机部分所引起的空间异质性程度起主要作用［8］。变程表示观测值的相关距
离［5］，若大于该值时则说明它们之间相互独立；若小于该值时则说明它们之间存在一定相关关系。
2 结果与分析
2.1 冬小麦叶片绿度时间与空间变异特征
图2 不同生育时期各样点冬小麦
叶片绿度的变化（2004）
Fig.2 Changesofeveryspot’sgreendegree
ofwinterwheatleafatdiferentstagesin2004
图2表明研究区内同一时间不同样点冬小麦叶片绿度不同，
这可能是由于不同田间管理措施（灌水、施肥）、土壤条件等所致，
且同一样点不同时间绿度亦不同，其总趋势为拔节期<孕穗期<
抽穗期<灌浆期。图3表明随冬小麦生长绿度的不断增加，至灌
图3 冬小麦叶片绿度时间变化曲线（2004）
Fig.3 Thechangecurveofgreendegree
ofwinterwheatleafin2004
浆期达最大值，其中拔
节~孕穗期冬小麦叶
片绿度变化较快，从孕
穗~抽穗期再至灌浆
期变化则较慢。表1
表明各生育时期冬小麦
叶片绿度均为正态分布
类型，且各生育时期变
异 系 数 为3.54%~
9.62%，其中4月1日
冬小麦叶片绿度变异系数、标准差均为最大。实地调查访问农户
资料也证明4月1日不同地块间冬小麦叶色差异较大，但不同品
种间差异较小，其原因可能是由于各农户首次浇水和追肥时间不
一致所致。3月29日有1次大风天气且气温降幅较大，最低气温<0࠷，冬小麦出现冻害。浇水施肥较早的
地块其生命力表现较旺盛，对自然灾害有一定抗性，受冻害程度也较轻，其绿度值较大；而浇水施肥较晚或
尚未灌溉地块则表现相反，水肥供应不足故冬小麦长势较弱，且受不同程度冻害，其绿度值也较小。半方差
函数揭示整个样区属性空间变异，图4表明4个生育期冬小麦叶片绿度半方差均随取样间距的增加而增加，
说明其空间存在变异性；各生育时期半方差图均未通过原点，即存在块金方差（C0），说明30m的取样间距
第4期 吴素霞等：冬小麦叶片绿度时空变异特征研究 83
（此间距是为适应TM数据的验证，并非农田作物长势异质性探测的最小间距）内部仍存在变异。4个生育
时期经验半方差均可用球状模型描述，其相应模型及参数见表2。块金方差与基台比值［即C0／（C+C0）］
可以衡量研究区域冬小麦绿度空间相关性强弱，若该比值<25%，说明其具有强烈的空间相关性；若比值为
25%~75%之间，表明其具有中等空间相关性；>75%则说明其空间相关性很弱。表2表明冬小麦绿度拔节
期、抽穗期和灌浆期3个生育期块金方差／基台值为25%~60%，具有中等空间相关性；孕穗期块金方差／基
台值>75%，说明该生育期人为活动对其影响较大，系统空间相关性较小。
表1 冬小麦叶片绿度统计特征值（2004）
Tab.1 Thestatisticalfeaturevaluesofgreendegreeofwinterwheatleafin2004
日期（月-日）
Date（month-day）
最小值
Min.
最大值
Max.
均 值
Mean
标准差
Standard
deviation
变异系数／%
Coeficientof
variation
偏斜度
Skewness
峰 度
Kurtosis
分布类型
Distribution
pattern
04-01 34.48 51.38 42.852 4.124 9.62 -0.030 -0.862 正态
04-17 40.35 53.10 48.596 2.537 5.22 -0.537 0.575 正态
05-03 47.60 55.80 51.033 1.804 3.54 0.270 -0.131 正态
05-19 48.90 57.30 52.587 2.035 3.87 0.241 -0.593 正态
图4 不同生育时期冬小麦叶片绿度半方差图（2004）
Fig.4 Semivariogramofgreendegreeofwinterwheatleafatdiferentstagesin2004
表2 冬小麦叶片绿度模拟模型及参数（2004）
Tab.2 Semivariogrammodelsofgreendegreeofwinterwheatleafandcorrespondingparametersin2004
日期（月-日）
Date（month-day）
变程／m
Range
块金方差（C0）
Nuggetvariance
基台（C+C0）
Sil
块金方差／基台
C0／（C+C0）
模拟模型
Model
04-01 281.2 4.36 17.11 0.25 球 状
04-17 145.4 5.09 6.45 0.79 球 状
05-13 272.1 1.92 3.24 0.59 球 状
05-19 320.0 2.47 4.14 0.60 球 状
2.2 Kriging插值
半方差函数是克立格（Kriging）法进行空间数据最优内插的基础，本研究根据所得的半方差函数模型，
应用克立格法进行内插运算绘制出各生育时期冬小麦绿度等值线图（见图5）。图5a~c表明冬小麦叶片绿
度分布差异变化较大，即从拔节~孕穗期再至抽穗期冬小麦叶片绿度变化较大，这是因为从拔节~抽穗期，
84 中 国 生 态 农 业 学 报 第13卷
特别是孕穗期冬小麦从土壤中吸收营养速率较快，即使前期冬小麦长势较差，若冬小麦拔节~抽穗期能保
证有足够水分，其后期长势可得到改善。图5c~d分布情况基本相同，抽穗~灌浆期冬小麦叶片绿度变化较
小，这是因为该时期冬小麦吸收营养极其缓慢。图中等值线多以南北向平行延伸，即在南北向作物长势较
为均匀，这种结果与农户田块南北向排列方式一致，因而表明水肥管理农户田块之间差异大于同一农户田
块内部的差异。
图5 冬小麦叶片绿度等值线图（2004）
Fig.5 Isogramofgreendegreeofwinterwheatleafin2004
3 小 结
海河低平原冬小麦叶片绿度（或冬小麦生长水平）随时间的变化趋势为拔节期<孕穗期<抽穗期<灌
浆期，且4个生育时期冬小麦叶片绿度在180m*720m空间均有明显变异性，拔节期、抽穗期和灌浆期块金
方差／基台值为25%~60%，冬小麦叶片绿度具有中等空间相关性；孕穗期块金方差／基台值>75%，冬小麦
叶片绿度空间相关性弱。各生育时期半方差模拟模型均属于球状模型，其变程介于145.4~320.0m。
参 考 文 献
1 李云梅，倪绍祥，王秀珍.线性回归模型估算水稻叶片叶绿素含量的适宜性分析.遥感学报，2003，7（5）：364~371
2 赵 祥，刘素红，王培娟等.基于高光谱数据的小麦叶绿素含量反演.地理与地理信息科学，2004，20（3）：36~39
3 贾良良，陈新平，张福锁.作物氮营养诊断的无损测试技术.世界农业，2001（6）：36~37
4 毛任钊.海河低平原盐渍区土壤养分空间变异性研究.中国生态农业学报，2001，9（4）：63~66
5 CahnM.D.，HummelJ.W.，etal.Spatialanalysisofsoilfertilityforsite-specificcropmanagement.SoilSci.Soc.Am.J.，1994，58：1240~1248
6 BerndtssonR.，BahriA.，etal.Spatialdependenceofgeochemicalelementsinasemiaridagriculturalfield.Ⅱ.Geostatisticalproperties.SoilSci.
Soc.Am.J.，1993，57：1323~1329
7 VanWesenbeeckI.J.，KachanoskiR.G.Spatialscaledependenceofinsitusolutetransport.SoilSci.Soc.Am.J.，1991，55：3~7
8 ZhangRenduo，GeorgeF.Vance，StephenD.Miler.Micro-spatialvariabilityofsoilnitratefolowingnitrogenfertilizationanddripirrigation.
Water，Air，andSoilPolution，1999，116：605~619
第4期 吴素霞等：冬小麦叶片绿度时空变异特征研究 85