全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2014, 50 (3): 358~363358
收稿 2013-07-31　　修定 2014-01-04
资助 山东省现代农业产业技术体系创新创新团队(玉米)项
目、“十二五”国家科技支撑计划(2011BAD10B09-03、
2012BAD04B05-03和2013BAD07B06-03)和山东省泰山学
者岗位(旱作作物与育种学)。
* 通讯作者(E-mail: liushutang212@163.com; Tel: 13791256958)。
水肥耦合下夏玉米不同生育时期的高光谱特性与反演模型研究
王飞, 宋希云, 刘树堂*, 宋祥云
青岛农业大学资源与环境学院, 山东青岛266109
摘要: 本文通过整个光谱范围内一阶导数光谱反射率与叶绿素、可溶性糖和可溶性蛋白的相关系数显著的波段, 建立高光
谱预监测水肥耦合条件下的夏玉米光合特性以及碳氮代谢, 进而为玉米高产提供依据。在玉米拔节期和大喇叭口期选择
596、1 025和924 nm, 吐丝期和乳熟期选择638、1 068和965 nm这几个显著性波段的实测值来建立估测模型。研究结果表
明 , 拔节和大喇叭口期叶片叶绿素SPAD值的估测模型为y=28832.45ρ596+39.34, 可溶性糖含量的估测模型为y=
640.54ρ1025+7.92, 可溶性蛋白含量一阶导数光谱估测模型为y=4092.90ρ924+5.63, 而吐丝期和乳熟期叶片叶绿素SPAD值
的估测模型为y=134151.00ρ638+129.92, 可溶性糖含量的估测模型为y=524.80ρ1068+9.20, 可溶性蛋白含量一阶导数光谱估
测模型为y=7321.61ρ965+36.64。所建立的高光谱预测模型在本试验所属的时空范围内能很好地预测和反演玉米生长
状况。
关键词: 夏玉米; 高光谱特性; 水肥耦合
Hyper-Spectral Characteristic and Modeling of Carbon and Nitrogen
Metabolism from Summer Maize Leaves at Different Growth Stages under the
Couple of Water and Fertilizer
WANG Fei, SONG Xi-Yun, LIU Shu-Tang*, SONG Xiang-Yun
Resource and Environmental College, Qingdao Agriculture University, Qingdao, Shandong 266109, China
Abstract: Based on the couple of water and fertilizer of summer maize, this paper established the hyper-
spectral in order to monitor photosynthetic characteristics and carbon and nitrogen metabolism. Comparing the
correlation wave band of the first derivative reflectance and SPAD, sugar content, proten content, it chose 596,
1 025 and 924 nm in the maize jointing stage and big trumpet period. Yet it chose 638, 1 068 and 965 nm in the
silking stage and milk period. The results showed that, in the mazie jointing stage and big trumpet period,
estimation model were ySPAD=28832.45ρ596+39.34, ysugar=640.54ρ1025+7.92, yproten=092.90ρ924+5.63. In the
silking stage and milk period, estimation model were ySPAD=134151.00ρ638+129.92, ysugar=524.80ρ1068+9.2,
yproten=7321.61ρ965+36.64. So the estimation model could predict growth status of maize in space-time range
belongs to the exercise correctly.
Key words: summer maize (Zea mays); hyper-spectral characteristic; couple of water and fertilizer
现代光谱模型(赵杰文等2006)是电子、分
析、计算机等多种技术的综合利用体, 在特定的
符合比尔定律的波段范围内, 对特定的原子群(如
叶绿素、可溶性蛋白等)呈现相应的特征吸收波
长, 经多元校正后, 可以建立数学模型用以估测
(疏小舟等2000)。精准农业中最常用的光谱波段
是可见光和红外光波段, 可见光范围内的峰和谷
是由于叶绿素等光合色素强烈吸收红光而相对反
射绿光造成的(刘占宇等2006)。前人的研究多数
是对某一植物体叶绿素、叶面积指数、氮素含量
或者不同水体等与反射率的研究(吴长山等2000),
得出作物在养分胁迫下的光谱特征。但对于玉米
不同生育期叶片的叶绿素含量和与碳氮代谢密切
相关的叶片可溶性糖和可溶性蛋白含量还很少见
到报道。
为探明山东省暖温带半湿润季风气候区夏玉
米高产栽培的高光谱特性及反演模型, 更好地预
测玉米营养生长期(拔节期和大喇叭口期)和生殖
王飞等: 水肥耦合下夏玉米不同生育时期的高光谱特性与反演模型研究 359
生长期(吐丝期和乳熟期)玉米叶片中叶绿素值、
可溶性糖和可溶性蛋白含量, 本文研究构建了夏
玉米不同生育时期的高光谱估测模型。
材料与方法
1 试验设计
试验在青岛农业大学实验站防雨电动棚内进
行, 该地区位于东经120.7°, 北纬36.9°, 供试土壤为
非石灰性潮土, pH 6.77、有机质含量16.45 g·kg-1、
全氮1.14 g·kg-1、碱解氮44.84 g·kg-1、速效磷29.47
g·kg-1和速效钾82.00 g·kg-1。试验设3因素4水平,
共14个处理(表1), 3次重复, 随机排列。小区面积4
m2, 深 1.5 m, 四周用水泥层隔离, 每小区又用玻璃
钢板平均隔成2个小区, 以防不同处理之间水、肥
的水平方向渗透影响。施磷肥(P2O5) 105 kg·hm
-2,
施钾肥(K2O) 60、120、180和240 kg·hm
-2, 作基肥
一次施入。施氮肥150、210、270和330 kg·hm-2。
氮肥三分之一做基肥, 三分之一为玉米拔节期追
肥 , 三分之一为玉米孕穗期追肥。施水900、1
800、2 700和3 600 kg·hm-2, 在拔节期(7月5日)、抽
雄期(7月20日)和乳熟期(8月2日)分3次定量浇灌。
玉米(Zea mays L.)品种是‘郑丹958’, 播种时浇足同
量的底水, 保证出苗齐全。出苗后, 每小区定植28
株(4行, 每行7株), 田间管理各小区完全相同。
表1 试验设计
Table 1 Experimental design
处理 施水量/m3·hm-1 施氮量/m3·hm-1 施钾量/m3·hm-1
W0N0K0 900 150 60
W0N2K2 900 270 180
W1N2K2 1 800 270 180
W2N2K2 2 700 270 180
W3N2K2 3 600 270 180
W2N0K2 2 700 150 180
W2N1K2 2 700 210 180
W2N3K2 2 700 330 180
W2N2K0 2 700 270 60
W2N2K1 2 700 270 120
W2N2K3 2 700 270 240
W1N1K2 1 800 210 180
W1N2K1 1 800 270 120
W2N1K1 2 700 210 120
2 测定方法
用KONICA MINOLTA SPAD-502便携式叶绿
素仪, 测定各生育期最上部完全展开叶(抽穗期以
后选取穗位叶)中段的SPAD值, 读数6次, 取平均值
作为该株玉米相对叶绿素含量。
用美国ASD便携式野外光谱仪(ASD FieldSpec
HandHeld), 光谱仪波段范围为325~1 075 nm, 光谱
分辨率3.5 nm, 光谱采样间隔1.6 nm, 视场角25°。
选择天气晴好、风力较小的日子 , 于北京时间
11:00~13:00进行光谱测定。大喇叭口期测定时间
为7月13日, 吐丝期测定时间为7月26日。每次进
行光谱测定前, 都要利用漫反射参考板进行仪器
的优化, 测定各生育期最上部完全展开叶(抽穗期
以后选取穗位叶)中段, 将待测叶片展水平并使传
感器探头垂直置于叶片10 cm之上, 保证叶片充满
整个视场角, 每个待测叶片重复采集20次, 把20组
数据的平均值作为该株最终光谱反射率。
3 数据分析
本文先从光谱仪全部325~1 075 nm波段范围
内, 去除受外界噪声影响大的边缘波段0~350 nm
和1 040~1 075 nm, 剩余349~1 039 nm波段, 后对原
始数据以20 nm为间隔进行算术平均运算, 将其结
果作为光谱反射率, 一阶微分(ρ′)计算公式: ρ′(λi)=
[ρ(λi+1)-ρ(λi-1)]/Δλ进行计算。
本文将56个玉米样本(14个处理, 4个生育时
期)随机分为2组, 一组40个样本用来建立光谱模
型, 另一组16个样本用于模型的检验。
植物生理学报360
实验结果
1 夏玉米碳氮代谢的高光谱估测模型的建立
1.1 叶绿素含量与叶片一阶导数光谱反射率的相
关性
分析不同生育时期叶绿素含量(SPAD值)与叶
片一阶导数光谱反射率的相关性(图1)表明, 玉米
在拔节期的光谱特征在553~628 nm出现一个强吸
收峰, 这是因为叶绿素在蓝紫光波段被强烈吸收,
导致了该区域反射率低; 在706~733 nm出现一个
反射峰, 这主要是受到细胞散射作用的影响(图
1-A)。在大喇叭口期的光谱特性为555~605 nm处
达极显著负相关, 出现吸收峰, 与拔节期相同, 说
明550 nm波长附近是叶绿素的绿色强反射峰区,
在636~670和705~730 nm两个波段范围内由于对
叶绿素及黄色物质吸收能力的减弱而出现了2个
反射峰(图1-B)。吐丝期和乳熟期的光谱特性相似
(图1-C和D), 638~665和725~755 nm为叶绿素强反
射区域。在680~760 nm范围内, 光谱反射率随波
长增加而快速升高; 从760 nm开始, 光谱反射率缓
慢增加直到924 nm处, 形成一个相对高的反射平
台; 在960~980 nm处出现光谱反射率低谷, 反射率
在0.3~0.6之间。这是由于生育后期不同水肥耦合
导致了水分胁迫、营养亏缺, 使叶片结构和生物
量等发生变化, 引起了近红外区反射率的变化。
1.2 可溶性糖含量与叶片一阶导数光谱反射率的相
关性
分析不同生育时期叶片可溶性糖含量与一阶
导数光谱反射率的相关性(图2)表明, 玉米所有生
育时期的500~750 nm范围均是可见光的活跃地带,
波动最为显著(图2-A)。拔节期波动范围小, 在
430~470 nm蓝光波段和680~720 nm红边位置出现
了弱吸收峰, 760 nm以外的近红外区波动范围较
大, 部分波段达极显著水平(图2-A)。大喇叭口期
的光谱特性与拔节期差异显著, 430~470 nm蓝光
波段和680~720 nm红边位置出现了强反射峰, 部
分波段甚至达到了极显著差异(图2-B), 因此可以
作为判别两个生育时期的光谱特征。吐丝期和乳
熟期的光谱特征相似(图2-C和D), 叶片可溶性糖含
量与一阶导数光谱反射率相关性显著的波段明显
多于拔节期, 在676~756 nm处出现强吸收峰, 是这
两个时期最显著的光谱特征。
1.3 可溶性蛋白含量与叶片一阶导数光谱反射率
的相关性
分析不同生育时期叶片可溶性蛋白含量与一
图1 叶绿素与不同生育期玉米叶片光谱反射率一阶导数的相关分析
Fig.1 Correlation analysis of chlorophyll and first derivative spectral reflectance of maize leaf at different growth stages
图中横坐标代表波长(nm), 纵坐标代表相关系数; 虚线为0.01显著水平, 细线为0.05显著水平。下图同此。
王飞等: 水肥耦合下夏玉米不同生育时期的高光谱特性与反演模型研究 361
阶导数光谱反射率的相关性(图3)表明, 拔节期可
溶性蛋白与一阶光谱导数反射率相关性没有明显
规律可循, 在近红外区759~962 nm [C-H键伸展, 3
次谐波(蛋白质)]范围内多个波段达到显著与极显
著水平, 在819 nm处相关系数达–0.811 (图3-A)。
大喇叭口期、吐丝期和乳熟期三个时期出现“两峰
一谷”的光谱特征, 其达到显著相关性的波段有为
500~550 nm的绿光波长范围内出现弱反射峰 ;
560~580 nm波长范围内呈显著或极显著负相关,
出现强吸收峰; 690~770 nm出现弱反射峰; 962~
966 nm范围内波动剧烈, 特别是719 nm, 此波段大
喇叭口期、吐丝期和乳熟期叶片可溶性蛋白含量
与一阶导数光谱反射率相关系数分别为0.917、
0.761和0.964, 差异极显著(图3-B、C和D)。
图2 可溶性糖与不同生育期玉米叶片光谱反射率一阶导数的相关分析
Fig.2 Correlation analysis of soluble sugar and first derivative spectral reflectance of maize leaf at different growth stages
图3 可溶性蛋白与不同生育期玉米叶片光谱反射率一阶导数的相关分析
Fig.3 Correlation analysis of soluble protein and first derivative spectral reflectance of maize leaf at different growth stages
植物生理学报362
表3 玉米叶片碳氮代谢指标的一阶导数光谱估测模型
Table 3 The estimation regession models with the first derivative spectral reflectance of
indicators of carbon and nitrogen metabolism in maize leaves
模型 回归方程 相关系数 F检验 临界值
模型I 叶绿素值y=28832.45ρ596+39.34 0.571 15.993 0.002
可溶性糖含量y=–640.54ρ1025+7.92 0.455 10.020 0.008
可溶性蛋白含量y=–4092.90ρ924+5.63 0.574 16.142 0.002
模型II 叶绿素值y=134151.00ρ638+129.92 0.529 13.498 0.003
可溶性糖含量y=524.80ρ1068+9.20 0.489 11.497 0.005
可溶性蛋白含量y=–7321.61ρ965+36.64 0.322 5.699 0.034
　　模型I为拔节期和大喇叭口期叶片叶绿素SPAD值、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量一阶导数光谱估测模型。模型II为吐丝期和乳熟
期叶片叶绿素SPAD值、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量一阶导数光谱估测模型。
1.4 玉米叶片碳氮代谢的高光谱估测模型的建立
将全部56个玉米样本随机分为2组, 一组40个
样本用来建立光谱模型, 另一组16个样本用于模
型的检验(表2)。通过全波段分析, 提取特征变量
后玉米拔节期和大喇叭口期选择596、1 025和924
nm波段反射率分别与叶片叶绿素值、可溶性糖和
可溶性蛋白含量进行回归分析, 建立回归方程模
型I (表3), 相关系数分别为0.571、0.455和0.574。
吐丝期和乳熟期选择638、1 068和965 nm的反射
率分别与叶片叶绿素值、可溶性糖和可溶性蛋白
含量进行回归分析, 建立回归方程模型II (表3), 相
关系数分别为0.529、0.489和0.322, 通过F检验。
2 碳氮代谢的高光谱估测模型的检验
随机取16个玉米样本分析, 分别用玉米拔节
期、大喇叭口期(596、1 025和924 nm)和吐丝期、
乳熟期(638、1 068和965nm)叶片一阶导数光谱反
射率检验两个阶段模型估测精度(图4)。拔节期和
大喇叭口期估测模型估测的叶片叶绿素含量、可
溶性糖和可溶性蛋白含量与实测值之间拟合决定
系数分别为0.4756、0.4251和0.6093, 均通过F检
验, 检验值分别为10.95、8.008和18.511。吐丝期
和乳熟期实测值与估测值之间的拟合决定系数分
别为0.5706、0.3988和0.4906, 均通过F检验, 检验
值分别为14.717、7.592和11.002。预测显著相关
的波段的一阶导数光谱反射率分别进行回归分析,
分别建立水肥耦合条件下 , 玉米叶片叶绿素含
量、可溶性糖和可溶性蛋白含量估测模型。叶绿
素值和可溶性蛋白含量的预测值与实测值之间的
拟合精度要好于可溶性糖含量。
讨　　论
植物在可见光波段的反射率主要受叶绿素的
影响, 叶绿素含量和叶片光谱特性之间存在强相
关性。绿色植物的一般高光谱特征是400~700 nm,
可见光范围内有明显的550 nm绿峰、680 nm红光
低谷(王庆成等2009)。本文研究发现, 全生育时期
表2 玉米叶片碳氮代谢指标的实测值
Table 2 The measured values of indicators of carbon and nitrogen metabolism in maize leaves
样本
叶绿素含量(SPAD值) 可溶性糖含量/mg·g-1 可溶性蛋白含量/mg·g-1
拔节期 大喇叭口期 吐丝期 乳熟期 拔节期 大喇叭口期 吐丝期 乳熟期 拔节期 大喇叭口期 吐丝期 乳熟期
1 42.52 48.31 50.25 44.70 11.29 13.40 19.99 15.59 14.62 31.25 31.85 24.10
2 40.65 41.61 38.95 33.40 6.73 8.77 15.12 8.07 11.36 23.80 19.68 12.53
3 41.75 46.05 45.65 39.20 7.84 13.14 19.82 11.43 10.72 29.23 25.20 23.17
4 44.55 46.85 46.80 43.20 11.14 13.00 22.94 13.91 15.44 28.85 33.48 25.28
5 41.15 45.31 46.15 37.15 6.96 12.30 16.23 7.56 17.40 27.88 24.70 12.51
6 42.45 46.74 45.25 44.06 8.45 13.67 26.22 8.55 18.02 24.11 29.15 20.84
7 42.35 46.65 48.10 42.50 7.91 12.91 27.39 9.21 12.55 28.29 31.50 23.82
8 39.45 39.83 38.55 36.85 5.38 10.37 17.45 9.12 11.03 25.37 28.93 20.82
9 40.23 40.42 41.03 36.80 7.14 11.10 17.81 7.61 12.17 23.45 27.53 23.52
10 41.85 45.84 45.35 41.30 7.35 10.43 20.91 11.03 15.26 26.40 27.05 22.82
王飞等: 水肥耦合下夏玉米不同生育时期的高光谱特性与反演模型研究 363
550 nm波长附近都是玉米叶片叶绿素的绿色强反
射峰区, 两者研究结果相一致。
玉米所有生育时期叶片的可溶性糖含量在
500~750 nm范围内波长波动最为显著。拔节期与
大喇叭口期光谱特征差异显著。在430~470 nm蓝
光波段和680~720 nm红边位置, 拔节期出现了弱
吸收峰, 而大喇叭口期却出现强反射峰, 两者有明
显的差异。
本文将玉米叶片中的可溶性蛋白作为研究水
肥耦合条件下玉米氮代谢的指标构建光谱模型,
与杨方等(2010)利用近红外光谱技术构建玉米净
蛋白质和碳水化合物体系(CNCPS)组分分析的近
红外预测模型的研究思路相同。
本实验通过整个光谱范围内一阶导数光谱反
射率与可溶性蛋白含量的相关系数显著的波段,
建立了玉米不同生育时期高光谱估测模型, 监测
玉米光合特性及碳氮代谢。本试验中由于所用光
谱仪波段范围(325~1 075 nm)较小, 对中红外以后
波段范围信息无法得到, 玉米叶片水分没能建立
估测模型, 对水肥耦合的高光谱估测还待进一步
验证和完善。
参考文献
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草地植被盖度的高光谱遥感估算模型. 应用生态学报, 17:
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松苗木光合和叶绿素荧光的影响. 应用生态学报, 20 (12):
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的玉米籽粒CNCPS组分分析及预测研究. 光谱学与光谱分析,
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赵杰文, 张海东, 刘木华(2006). 简化苹果糖度预测模型的近红外光
谱预处理方法. 光学学报, 26 (1): 1136~1139
图4 玉米叶片碳氮代谢指标一阶导数光谱估测回归模型显著性检验
Fig.4 Significant test of estimation regession models with the first derivative spectra
for reflectance indicators of carbon and nitrogen metabolism in maize leaves
A、C和E: 拔节期和大喇叭口期叶片叶绿素SPAD值、可溶性糖和可溶性蛋白含量一阶导数光谱检验模型; B、D和F: 吐丝期和乳熟
期叶片叶绿素SPAD值、可溶性糖和可溶性蛋白含量一阶导数光谱检验模型。