全 文 ：收稿日期：!""#$%%$%# 接受日期：!""&$"!$%’
基金项目：国家高技术研究发展计划（“#’(”计划）项目（!""’))%")("!）资助。
作者简介：胡昊（%&#!—），男，河南永城市人，博士研究生，主要从事农业信息技术方面的研究工作。*+,-./：010-2#!3%!’4 52,
!通讯作者 67/："%"$#!%"#’8(，*+,-./：9/:-.3 5--;< -5< 5=
不同氮营养冬小麦冠层光谱红边特征分析
胡 昊，白由路!，杨俐苹，卢艳丽，王 磊，王 贺，孔庆波
（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部植物营养学重点开放试验室，北京 %"""#%）
摘要：利用 >.7/?@A75 BC2 >D!E""光谱仪测定了不同氮素处理冬小麦冠层光谱，分析其红边特征变化规律及其与农
学成分的相关关系。结果表明，波长 EE" =,、’#" =,、&#" =,、%%"" =,与 (E"!’#" =,和 8E"!%%"" =,可作为氮素
营养诊断的敏感特征点与波段范围。随着施氮量的提高，拔节期、抽穗期以及灌浆期的红边位置（D*B）、红谷位置
（F2）与光谱反射率一阶微分极大值（>G$H-I）均增大，红边宽度（FJ.?K0）则有减小的趋势。总体上看，施氮与无氮处
理在整个生育期均存在较大差异，施氮处理之间差异较小。冠层反射光谱的红边位置、红谷位置随生育期向长波
方向移动，呈现“红移”现象；从抽穗期开始逐渐减小，呈现“蓝移”现象。冬小麦红边参数中红边位置与农学组分之
间的相关性优于其他参数，除与地上部生物量正相关显著外，与叶面积指数、叶含水率、叶绿素含量、叶可溶性蛋白
含量、叶鲜重、叶含氮量均呈正相关且达到极显著水平。红谷位置则与叶面积指数、叶含水率、叶绿素含量、叶鲜重
以及 @B)G值呈极显著正相关，与可溶性蛋白呈显著正相关。红边宽度与叶面积指数、叶含水率、叶氮含量、叶绿素
含量以及叶鲜重均呈极显著正相关，与可溶性蛋白含量呈显著正相关。反射率一阶导数极大值与叶面积指数、叶
含水率、叶鲜重呈极显著正相关，与叶含氮量极显著负相关。通过红边参数与农学组分稳定良好的数学关系，可以
对农学组分进行预测估算。
关键词：冬小麦；冠层；氮水平；红边参数
中图分类号：@%!8 文献标识码：) 文章编号：%""#$E"EL（!""&）"’$%(%8$"8
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植物营养与肥料学报 !""&，%E（’）：%(%8$%(!(
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红边（F2# 2#72）是指由于植被在红光波段强烈
的吸收与近红外波段强烈反射，使光谱反射率在
GHI!JKI "E区域呈一直线型“边”，它是作物最重
要的光谱特征。通过其特征参数监测和估算作物的
生长情况与农学成分是光谱遥感监测作物长势与估
产的主要途径之一［+LM］。在描述红边特征的参数
中，与植被关系密切的主要有红边位置、红谷位置、
红边宽度等，它们被认为与植被的叶面积指数、覆盖
度、生物量等农学参数以及叶绿素含量、累积施氮
量、含水率等生化成分存在着良好的相关性；多位
学者根据这些红边参数在不同生育期的变化与形状
证明了许多作物存在着“红移”与“蓝移”现象。以上
诸多研究中的红边参数拟合大多采用微分、多项式
拟合法、四点线性内插法、拉格朗日内插法等方法得
到［NLG］；也有少数学者利用倒高斯模型拟合了棉花、
大豆等作物的红边参数［JLH］。尽管有学者针对倒高
斯模型的拟合效果提出了质疑［O］，但以上多位学者
的模拟精度较高，而且此模型用来描述冬小麦红边
的研究报道较少。因此，本研究尝试利用倒高斯模
型模拟分析不同氮处理冬小麦红边特性，探讨红边
参数与农学组分间的关系，旨在研究运用倒高斯模
型拟合红边参数评价冬小麦生长及其营养状况的可
能性，为生产上利用高光谱遥感技术大区域、无破
坏、实时快速监测冬小麦的生长状况及其营养诊断
提供理论依据。
) 材料与方法
)*) 试验地概况
试验在中国农业科学院（万庄）国际农业产业园
进行。该园地处东经 ++GPNKQ +ORK+S，北纬 NOPNKQ
K+RJKS，属于温带大陆性季风气候，四季分明，雨热
同季，昼夜温差大，适宜农作物生长。年平均气温
++ROT，无霜期 +HN #，年均降水量 KKURO EE。土壤
为粉沙质潮土，保水保肥性能差，3*值为 HR+I，有机
质含量为 UR+I 7 V W7、全氮 IRI+K+ 7 V W7、速效磷 MIRUI
E7 V W7、速效钾 HIRMI E7 V W7。供试冬小麦品种为保
丰 +IU，播种时间为 MIIJ年 +I月 +O日，收获日期为
G月 +K日。
)*+ 试验设计
试验设 K 个处理：)I（不施氮）、)+（施 ) +IK
W7 V >EM）、)M（施 ) +OK W7 V >EM）、)N（施 ) MHK
W7 V >EM）、)U（施 ) NJK W7 V >EM），N次重复，完全随机
排列。小区面积为 +MRK E X H E。氮肥品种为尿素，
基肥在播种前施入，追肥在拔节期，比例为 J Y N。全
生育期灌水 N次，中耕除草 M次，其他管理同大田。
)*, 光谱测定与样品分析
冠层光谱在返青期（U月 U日）、拔节期（U月 MG
日）、抽穗期（K月 +I日）、灌浆期（K月 MI日）和乳熟
期（G 月 K 日），采用 A62/#Z329 [4. AFMKII 型背挂式
野外高光谱辐射仪（美国 %ZB公司生产）测定。波
段值为 NKI!MKII "E，其中 NKI!+III "E光谱采样
间隔为 +RU "E，光谱分辨率为 N "E；+III!MKII "E
光谱采样间隔为 M "E，光谱分辨率为 +I "E。冠层
光谱测定选择在天气晴朗、无风或微风时进行，时间
为 +I：II!+U：II。测量时传感器探头垂直向下，
光谱仪视场角为 MK度，距冠层顶垂直高度约 +RI E，
以 +I个光谱为 + 采样光谱，每个观测点记录 +I 个
采样光谱，以其平均值作为该观测点的光谱反射值。
测量过程中，及时对每组目标的观测前后进行标准
白板校正。
小麦植株样品采集与光谱同步，叶样品采最新
完全展开叶。在 +IKT下杀青 NI E6"后，在 JKT烘
干 JM >，供分析用。样品用浓 *MZ\UL*M\M 消煮，氮
用凯氏定氮法测定，叶可溶性蛋白采用考马斯亮蓝
比色法，叶绿素含量采用 HI]丙酮提取分光光度计
测定［+IL++］，叶 Z[%B采用美能达 Z[%BLKIM测定，$%&
采用 $%&NIII仪测定，叶含水率用下式计算：
叶含水率（]）^（叶鲜重 L叶干重）V叶鲜重 X
+II
)*- 参数计算与数据处理
红边参数包括红边位置（F_[）、红谷位置（$.）、
红边宽度（$@6#5>）和 NKI!MKII "E波段范围内的光
谱一阶导数极大值（AB?C!D）。为了简化、定量分析
红边特性，采用倒高斯模型模拟小麦红边特性［+M］。
倒高斯模型能够很好地模拟植被地物在 GJI!JHI
"E处的反射率光谱，其定义如下：
H+N+ 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 +K卷
!（!）" !# $（!# $ !!）"#$［
$（!! $!）%
%%&’()*%
］ （&）
!+, " %- . %&’()* （%）
利用 !!（’(!!’)! *+范围内光谱反射率的平
均值）和 !/（()!!(,- *+范围内光谱反射率的平均
值）两个参数，对小麦红边处的反射光谱进行对数变
换，即：
0（!）.｛/ 0*［
!# / !（!）
!# / !!
］｝
&
% （1）
其中：!/ 是红肩处的光谱反射率，!!是叶绿素
吸收谷的光谱反射率，%- 是叶绿素吸收红谷的光谱
位置，!+, 是红边光谱位置，%&’()* 是倒高斯模型
的方差项，也是植被地物光谱红边光谱位置与红谷
光谱位置之差，对应的是红边吸收谷的宽度。0（!）
为小麦红边反射率光谱对数变换后的取值，对 0
（!）和!进行线性拟合，可以得到斜率 1& 和截距
1!，则：
%- . /
1!
1&
（2）
%&’()* . / &
%1! &
（-）
! 结果分析
!"# 不同氮营养水平冬小麦冠层光谱特征
氮营养对冬小麦冠层反射率有重要的影响。从
冬小麦拔节期的冠层光谱反射曲线（图 &）可直观地
看出，不同氮营养冬小麦冠层光谱反射率曲线趋势
大致相同；但在不同波段因施氮水平的不同反射率
呈现比较明显的差异。在可见光波段（2!!! (!!
*+）不同处理反射率随施氮量的增加而降低，这一
现象在绿光波段（-!!!-’! *+）最为突出，可能是因
图 # 不同氮营养拔节期冬小麦冠层光谱反射率曲线
$%&’# ()*+,- .,/012) +3 4%*1/2 45/)1 )1 15/ 6+%*1%*& .1)&/
7*8/2 8%33/2/*1 *%12+&/* *712%1%+* 9/:/9 12/)1;/*1.
为缺氮的小麦叶片的组织结构比较紧实，细胞水化
度低，从而表现出随着施氮量的增加，反射率下降。
在近红外波段（(!!!&&!! *+）冬小麦叶片反射率的
变化趋势与可见光相反，随着氮肥施用量的增加反
射率提高。考察了不同处理不同波段范围与特征点
的光谱反射率的差异，结果表明，在 1-!!’)! *+、
(-!!&&!! *+、--! *+、’)! *+、,)! *+、&&!! *+，除个
别处理外，不同处理差异均达到极显著水平（表 &）。
因此，某种程度上，这 %个波段范围与 2个特征波段
可作为检测冬小麦氮营养的冠层光谱敏感波段。
!"! 不同氮营养水平冬小麦冠层光谱红边特征
“红边”是植物冠层在可见光波段的主要反射特
征，它的位置与特征受到植物生长状态和理化参量
的影响。红边特征与冬小麦的生长状态密切相关，
其特征参量在生育期内呈现规律性变化。图 % 表
明，小麦进入拔节期后，伴随着植株生长和群体的不
断扩大，小麦营养生长旺盛，红光吸收增强，覆盖度
增加，不同处理的 345与 67均向长波方向移动，称
为“红移”现象，到抽穗期“红移”现象停止；抽穗期
以后，小麦进入生殖生长期，冠层下部叶片逐渐衰老
死亡，覆盖度降低，红光吸收降低，345与 67迅速向
短波方向移动，呈现“蓝移”现象。不同生育期的
689:;<则呈现先降低后升高趋势，即小麦从返青进
入拔节期，689:;<持续降低，直到抽穗期达到最低；
抽穗期后小麦进入生殖生长期，689:;<迅速增大，在
乳熟期达到最大。=>?@A#与之相反，在返青与乳熟
期较低，抽穗期最高。从各个参数的生育期变化看，
345、67与 689:;<的变化幅度较小，以 =>?@A#变化
幅度最大。
不同处理之间，施氮处理与无氮处理差异较明
显，施氮处理之间差异较小，除 B& 与 B%、B1、B2 存
在较小差异外，后三者几乎没有差异。从各处理不
同生育期的差异看，各处理的各红边参数均在返青
期差异较小，345、67 与 689:;< 均在乳熟期差异最
大。
从整体上看，小麦拔节期至灌浆期 345 和 67
变化幅度较小，=>?@A#较大，这是因为该阶段小麦
群体比较稳定并且正处于长势旺盛时期。灌浆期以
后红边参数变化明显，345和 67更快地向短波方向
移动，尤其是 B!处理，主要原因是灌浆以后叶片的
养分及碳水化合物向子粒迁移，叶片开始失绿趋于
衰老，其中 B! 处理由于缺氮叶片会更快地失绿变
黄，从而导致了冠层光谱反射率降低，出现“蓝移”现
象。=>?@A#的生育期变化趋势与 345和 67相似，
,&1&’期 胡昊，等：不同氮营养冬小麦冠层光谱红边特征分析
表 ! 不同氮水平拔节期冬小麦冠层光谱反射率在不同波段的差异性比较
"#$%& ! ’()*#+,-(.- (/ 0,.1&+ 02
3#.(*4 -*&31+# #1 12& 5(,.1,.6 -1#6& 7.8&+ 8,//&+&.1 .,1+(6&. %&9&%- ,. 9#+,(7- 0#9& $#.8-
处理 !"#$%&#’% ()*!+,* ’& -)*!..** ’& ))* ’& +,* ’& /,* ’& ..** ’&
0* *1*+,- 2 *1((3 4 *1.*(. 2 *1*/.* 2 *1(5.+ 6 *1(3)+ 4
0. *1*(+- 7 *1(353 6 *1*-.. 7 *1*3.. 7 *1(55) 6 *1(3-3 6
05 *1*((* 8 *1(),3 8 *1*+)( 8 *1*(), 8 *1((+) 8 *1(+/5 8
0( *1*(5* 8 *1(+, 7 *1*)(5 6 *1*(3* 8 *1(3+3 7 *1(,.* 7
03 *1*5+/ 6 *1(-3- 2 *1*3/* 4 *1*5+3 6 *1()-, 2 *1(/+3 2
注（09%#）：同列数据后不同大写字母表示差异达到 *1*.显著水平 :$;<#= >9;;9?#@ AB @C>>#"#’% D$EC%$; ;#%%#"= &#$’ =CF’C>CD$’% $% *1*. G#H#; I
图 : 不同氮水平冬小麦红边参数 ;<=、>(、>0,812、?@AB#C的生育期变化
?,6D: ;<=，>(，>0,812，?@AB#C (/ 0,.1&+ 02
7.8&+ 8,//&+&.1 .,1+(6&. %&9&%- ,. 9#+,(7- 6+(012 -1#6&-
但不同生育期之间的变化更明显。不同生育期的
G?C@%J呈现两端高中间低的 K型，即返青期与乳熟
期较大孕穗期较小。
:EF 不同氮营养冬小麦冠层光谱红边特征与农学
参数的相关性
冬小麦红边参数中 L4M与农学组分之间的相
关性优于其他参数，除与地上部生物量外，与叶面积
指数、叶含水率、叶绿素含量、叶可溶性蛋白含量、叶
鲜重、叶含氮量均呈极显著正相关（表 5）。G9则与
叶面积指数、叶含水率、叶绿素含量、叶鲜重以及叶
NM26呈极显著正相关，与可溶性蛋白呈显著正相
关，与地上部生物量以及叶氮含量相关性不明显。
红边宽度与叶面积指数、叶含水率、叶氮含量、叶绿
素含量以及叶鲜重均呈极显著正相关，与可溶性蛋
白含量呈显著正相关，与地上部生物量以及 NM26
值相关性较差。O6PQ$R 与叶面积指数、叶含水率、
叶鲜重呈极显著正相关，与叶含氮量极显著负相关。
通过红边参数与农学组分稳定良好的数学关系，可
以对农学组分进行预测估算。
:EG 利用冠层光谱红边特征对部分农学参数拟合
为了利用红边参数更精确地估算农学组分，选
取相关性达到极显著水平的红边参数作为自变量，
农学组分作为因变量，利用回归的方法对两者的关
系进行估算，考察了直线、抛物线、多项式、指数、幂
函数等多种函数，发现叶鲜重（GOS）、叶含水率
（GS8）、叶面积指数（G2T）与 L4M、G9的函数关系分
别以抛物线、直线拟合形式最好。GS8、GOS 与
G?C@%J、O6PQ$R的关系均为抛物线形式最优（图 (、图
*5(. 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 .)卷
!）。另外，尽管红边参数与地上部生物量、叶可溶性
蛋白（"#）、叶片氮含量（"$）、叶绿素（%&’）、叶 (#)*
值存在着良好的相关性，但是其二者回归得到的方
程较差，与部分研究不一致［’+］，具体原因还需要进
一步研究。不过从拟合的情况来看，可以说叶含水
率、叶鲜重、叶面积指数与红边参数的关系是稳定
的，可以通过这些参数进行反演，指导生产。
表 ! 冬小麦红边参数和农学参数及生化成分的相关系数
"#$%& ! ’())&%#*+(, -(&..+-+&,*/ (. 0+,*&) 01&#* )&2 &23& 4#)#5&*&)/ #,2 +*/ #3)(,(5+- -(54(,&,*/
参数
#,-,./0/-
叶面积指数
")1
地上部生物量
234.,55
叶含水率
"6%
叶含氮量
"$
叶可溶性蛋白
"#
叶绿素含量
%&’
叶鲜重
"76 (#)*
89# :;<<: :;?:?!! :;<’:!! :;>@?!! :;?+!!
"4 :;<+: :;+’>"B3C0D E :;!!?!! E :;:+= E :;@:!!! :;>’+!! :;+’?! :;!’!!! E :;A!?!! :;:::+
7*FG,H :;!=>!! E :;’!+ :;?= E :;’A? :;?+注（$40/）：")1—"/,I ,-/, 3JC/H，"6%— "/,I B,0/- K4J0/J0，"$—"/,I J30-4L/J K4J0/J0，"#— "/,I 54MNOM/ P-40/3J，%& M —%DM4-4PDQMM，"76—"/,I
I-/5D B/3LD0；!! -:;:’ R :;+图 6 冬小麦红边位置、红谷位置与叶面积指数、叶含水率、叶鲜重的关系
7+386 9&%#*+(,/ $&*0&&, 0+,*&) 01&#* 9:;，<( #,2 <=>，%&#. 0#*&) -(,*&,*，%&#. .)&/1 0&+31*
图 ? 冬小麦红边宽度、反射率一阶导数极大值与叶含水率、叶鲜重的关系
7+38? 9&%#*+(,/ $&*0&&, 0+,*&) 01&#* <0+2*1，7@AB#C #,2 %&#. 0#*&) -(,*&,*，%&#. .)&/1 0&+31*
’=+’>期 胡昊，等：不同氮营养冬小麦冠层光谱红边特征分析
! 讨论
红边特征是作物最重要的光谱特征。本研究表
明，红边参数的生育期变化幅度较小，从不同生育期
的各处理差异看，各处理的各红边参数均在返青期
差异较小，红边位置、红谷位置与红边宽度均在乳熟
期差异最大，是否由于氮营养的奢侈吸收导致小麦
贪青迟熟还需要进一步研究。
此外，尽管红边特征参数与农学组分的关系已
有很多研究，但从植株个体与冠层群体的角度考虑
较少，本研究不仅考虑了叶鲜重、叶含水率、地上部
生物量、叶 !"#$值、叶可溶性蛋白含量等个体的农
学参数与生化成分，也考虑了叶面积指数等冠层群
体参数，从二者结合的角度研究了红边参数与农学
参数的相关性，并用多种数学函数回归拟合，比较了
各数学方程的优劣，从理论上奠定了利用红边参数
考察作物长势与状态的光谱基础。
本研究尝试用倒高斯模型研究了冬小麦的红边
特征，结果同其他学者的研究具有良好的一致性。
但由于作物光谱学是近年来新发展的学科，对光谱
数据的处理方法多为传统统计方法，近几年有人尝
试采用自向量机、神经网络［%&’%(］等方法，但总体看
来研究方法与手段仍然不够。因此，如何更好地采
用更多更好的方法处理光谱数据也是摆在我们面前
的一个崭新的课题。
冠层光谱是综合信息的体现，可能存在不可预测
的干扰，很难从生理机制上解释建模和应用机理，但
是尝试通过作物冠层光谱指导大田生产的研究是必
须而且是必要的。尽管目前!"#$’()*、+,--.!--/-,
能够从某种程度上应用于生产实践［%0’%1］，但是这两
种仪器均为作物长势监测的仪器，而且只能指示作
物长势的相对差异，因此利用作物的红边特征参考
某种标准开发出具有实用价值的仪器应用于大田生
产也是很有必要的。
" 结论
冬小麦与其他多数作物的冠层光谱特性存在共
性，可见光波段反射率较低，近红外波段存在一个较
高的平台。可见光波段反射率随着施氮量的增加而
降低，近红外则有相反的趋势。(() .2、01) .2、31)
.2、%%)) .2与 4()!01) .2和 5()!%%)) .2可作
为氮素营养诊断的敏感特征点与波段，通过倒高斯
模型拟合得到红边位置、红谷位置以及光谱反射率
一阶微分极大值，随着施氮量的提高，拔节期、孕穗
期以及灌浆期的均变大，红边宽度则随着施氮量的
增加有减小的趋势。此外，随着生育期的进展，冠层
反射光谱呈现“红移”与“蓝移”现象。
用高光谱遥感数据提取红边参数，分析红边位
移现象，结合基于冠层植被特征建立的氮素估测模
型，可以快速、非破坏性地诊断冬小麦群体冠层的氮
素营养状况。
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