全 文 ：　 　 倡 中国科学院野外台站基金项目“基于 GreenSeeker 技术的小麦唱玉米氮素实时诊断和精准施肥研究” 、河北省科技推广项目（０５７８０１２５D）
和国家科技支撑计划课题 （２００６BAD１０A１２０３）资助
收稿日期 ：２００６唱０３唱１９ 　 改回日期 ：２００６唱０７唱２４
冬小麦冠层光谱红边特征分析 倡
代 　辉 　胡春胜 　程一松
（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 　 通过对不同 N 素营养水平冬小麦冠层光谱特性的田间试验研究 ，发现红边位移现象 ：在孕穗期前 ，红边随
施 N 量增加向长波方向“红移” ；孕穗期后“红移”现象基本消失 ，继而发生“蓝移” 。 红边参数中红边斜率（dλred）与
叶片 N 累积量 （T N畅D） 、叶绿素含量 （ CHL畅T） 、叶绿素密度 （CHL畅D）的相关关系通过显著性检验 ，红边面积
（ ∑ dλ６８０ ～ ７６０）和叶片全 N 含量（N ％ ）的相关关系通过显著性检验 ，红边位置（λred） 、红边斜率 、红边面积与叶面
积指数有着密切关系 ，均通过极显著性检验 ，一些红边参数可作为小麦农学参数估测的简便方法 。
关键词 　 冬小麦 　 冠层光谱 　 N 素营养 　 红边参数
Red唱edge characteristics of winter wheat canopy spectra ．DAI Hui ，HU Chun唱Sheng ，CHENG Yi唱Song （Center for Agri唱
cultural Resources Research ，Institute of Genetics and Developmental Biology ，Chinese Academy of Sciences ，Shijiazhuang
０５００２１ ， China） ，CJEA ，２００７ ，１５（５） ：８０ ～ ８３
Abstract 　 Winter wheat canopy spectral reflectance was field measured using spect rometer Field Spec at different nitrogen
levels and time periods ．Some red唱edge parameters including wavelength （λred） ，amplitude （dλred） and red唱edge apex area
（ ∑ dλ６８０ ～ ７６０）were analyzed for win ter wheat leaf chlorophyll （CHL ．T） ，leaf nitrogen content（N ％ ） ， leaf area index
（LAI） ，accumulated leaf nitrogen content（ TN ．D） ，etc ．It is found that red唱edge positions move to long wavebands till
booting stage and then fall back to shor t bands after booting ．A significan t correlation is found between dλred and TN ．D ，
CHL ．T ，and CHL ．D ． Similar relation exists between ∑ dλ６８０ ～ ７６０ and N ％ ．Red唱edge parameters show st rong correla唱
tion with LAI ． It is thus concluded that some red唱edge parameters form par t of the best remote sensing descrip tors ．
Key words 　 Winter wheat ，Canopy spectra ， Nitrogen level ，Red唱edge parameter
（Received March １９ ，２００６ ；revised July ２４ ，２００６）
红边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 ６８０ ～ ７５０ nm 区域
呈陡峭的爬升脊 。 研究表明 ，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和近红外平台
位置等［１］ ，它们被认为可能与植被的叶面积指数及叶绿素含量有关［２ ，３ ，６ ，７］ 。 王秀珍等［４］通过对不同 N 素营
养水平水稻冠层光谱特性试验研究 ，发现红边位移现象 ，并得出红边参数（红边 、红边斜率 、红边斜率与最小
振幅的比值 、红边峰值面积）与上层叶片的叶绿素含量 、LAI 、累积施 N 量有着密切关系 ，而与叶片中的叶绿
素 b 、类胡萝卜素 、蛋白氮和非蛋白氮之间的相关性不明显的结论 。 赵春江［５］通过对冬小麦不同生育时期红
边参数变化规律的研究 ，证明小麦的红边位置呈现“红移”和“蓝移”现象 ，且叶片全 N 含量 、叶面积指数与红
边斜率（也称红边振幅）在全生育期均呈现正相关趋势 ，叶绿素 a ＋ b 总量与红边振幅之间存在着正负相关
性 。 本文研究了不同 N 素水平冬小麦冠层在整个生长期内的红边位移和形状 ，探讨了红边参数与叶片生化
成分含量和叶面积指数的关系 ，旨在研究用红边参数评价太行山前平原农业高产区冬小麦 N 素营养状况的
可能性 。
1 　 研究区域概况与研究方法
试验在中国科学院栾城农业生态系统试验站进行 ，该站位于东经 １１４°４１′ ，北纬 ３７°５３′ ，海拔 ５０畅１m 。 该
地区为华北太行山前平原城郊型灌溉农业高产区 ，属暖温带半湿润半干旱气候 ，种植制度为冬小麦唱夏玉米
１ 年 ２ 熟 。 于 ２００３ 年 １０ 月 １０ 日播种冬小麦 ，次年 ６ 月 １２ 日收割 ，生长期 ２４６d 。 N 素养分水平设严重缺 N
第 １５卷第 ５ 期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol ．１５ 　 No ．５
２ ０ ０ ７ 年 ９ 月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture Sept ．，　 ２００７
（N１ ，未施 N） 、缺 N（N２ ，施 ２００kg／hm２ 纯 N） 、适中（N３ ，施 ４００kg／hm２ 纯 N） 、过多（N４ ，施 ６００kg／hm２ 纯 N）
４ 个等级 。 N 肥在冬小麦和夏玉米生长期内平均施用 ，其中冬小麦播种和拔节期分别施底肥和追肥 ，用量相
等 。 本试验对不同 N 素养分胁迫下冬小麦不同生育期（起身 、拔节 、孕穗 、抽穗 、灌浆和成熟期）分别观测其
光谱反射率 ，观测时间间隔为 ７ ～ １０d ，共观测 ８ 次（其中拔节期间观测 ２ 次） 。 用美国分析光谱仪器公司
（Analy tical Spectral Devices ， ASD 公司）生产的 ASD FieldSpec HandHeld 野外光谱仪 （该仪器可在 ０畅３ ～
１畅０８μm波长范围内进行连续测量 ，光谱分辨率 ３畅５nm） ，选择晴朗无风的天气 ，每养分处理随机选择 ６ 个
点 ，在 １１ ：００ ～ １４ ：００ 之间进行反射光谱特征观测 。 同时采样并在实验室测定叶片叶绿素含量（８０ ％ 丙酮提
取液 ，分光光度计测定含量 ，mg／g鲜叶）和叶片全 N（凯氏定 N 仪） 。
2 　 结果与分析
图 1 　 不同 N 素营养水平的冬小麦冠层光谱比较
Fig ．１ 　 Comparison of winter wheat canopy reflectance of
different nit rogen levels
2畅1 　 不同 N素水平的冬小麦冠层光谱特征
研究发现 ，植物反射光谱曲线的显著特征是在
４９０ ～ ６００nm波段具有中等反射率值 ，５５０nm 附近是叶
绿素的强反射峰 ；在 ６００ ～ ７００nm波段 ，因叶绿素对这
部分光的强烈吸收 ，多数植物在 ６８０nm或 ６７０nm 处的
反射率最低 ；在 ７００ ～ ７５０nm 波段 ，曲线陡而接近于直
线 ，其斜率与叶绿素含量有关 ；波长在 ７６０ ～ ９３０nm 之
间 ，反射率曲线约在 ７６０nm左右开始缓慢上升 ，形成一
个“高平台” ，光谱反射曲线平缓 ，具有很高反射率数
值 ，一般为 ０畅３ 以上 ，这主要是由于植物叶子内部组织
结构（细胞结构）多次反射散射的结果 。
图 2 　 不同生育期 、不同 N 素处理冬小麦冠层反射光谱的红边位置
Fig ．２ 　 Posit ion o f red edge of canopy spectral reference o f w in te r
wheat in dif ferent ni t rog en levels and developmental stag es
图 １ 是冬小麦在孕穗期不同 N 素水平的冠层光谱曲
线 ，冠层反射率在可见光波段和近红外的反射高台处差异
比较明显 ，可以区分开不同水平的 N 肥处理 ，说明不同 N
素营养水平对小麦冠层光谱有一定的影响 ；在近红外区以
N３ 水平最高 ，N１ 水平较低 ，在可见光区以 N１ 水平最高 ，
N４ 水平最低 。
2畅2 　 红边位移
植被光谱的红边参数主要有红边位置 λred ：红光范围
（６８０ ～ ７６０nm ）内一阶导数光谱最大值所对应的波长
（nm） ；红边斜率 dλred ：红光范围 （６８０ ～ ７６０nm）内一阶导
数光谱的最大峰值 ；红边峰值面积 （简称红边面积 ）
∑ dλ６８０ ～ ７６０ ：６８０ ～ ７６０nm之间的一阶导数光谱包围的面积（无量纲和单位） 。 本文一阶导数采用差分计
算 ，dλ ＝ （ Ri － １ － Ri ＋ １ ）／（ λi － １ － λi ＋ １） 。
图 3 　 不同生育期 、不同 N素处理冬小麦冠层反
射光谱的红边斜率
Fig ．３ 　 Amplitude of red edge of canopy spectral reference o f winter
wheat in dif ferent nit rogen levels and developmental st ages
由图 ２可知 ，冬小麦冠层反射光谱的红边位于 ７２０ ～
７４０nm之间 ，N１ 、N２ 、N４ ３ 个处理随施 N 量增加 ，整个生育
期的红边位置均向长波方向移动 ，N３ 处理处于 N２ 、N４ 处
理之间 ，基本上与 N４ 重合 ，区分不太明显 。 从整个生育期
看 ，小麦进入起身期后 ，伴随着植株旺盛生长和群体的不断
扩大 ，红边位置逐渐向长波方向移动 ，呈现出明显的“红移”
现象 ，到孕穗期群体稳定后“红移”也停止 。 从抽穗期开始 ，
红边位置向短波方向移动 ，呈现“蓝移”现象 。 不同生育期 、
不同 N 素处理冬小麦冠层反射光谱的红边斜率见图 ３ 。
2畅3 　 红边参数与叶片生化成分之间的关系
由表 １ 可知 ，红边参数中红边斜率与叶片生化成分
之间的相关性好于红边位置和红边面积 。 生物化学参数
第 ５期 代 　辉等 ：冬小麦冠层光谱红边特征分析 ８１　
　 　 　 　 　 　表 1 　 红边参数与叶片生化成分的相关系数
Tab ．１ 　 Correlation coefficien ts between the red edge parameters
and biochemical component contents
项目
I tem
叶片全 N 含量
N ％
叶片 N 累积量
T N畅D
叶绿素含量
CHL畅 T
叶绿素密度
CHL畅D
红边位置 λred － ０畅０８２ ０畅６３７ 倡倡 ０畅２５７ ０畅６４９ 倡倡
红边斜率 dλred ０畅３１７ ０畅７４６ 倡倡 ０畅６８３ 倡倡 ０畅７９１ 倡倡
红边面积
∑ dλ６８０ ～ ７６０ ０畅５１１ 倡倡 ０畅６２０ 倡倡 ０畅１９２ ０畅５５１ 倡倡
　 　 倡倡 表示 ０畅０１ 极显著水平 。
中 TN畅D 和 CHL畅D 与红边参数 （λred 、dλred 和
∑ dλ６８０ ～ ７６０） 之 间 的 相 关 关 系 大 于 N ％ 、
CHL畅T 。 叶片全 N 含量与红边面积的相关关系
达到极显著性检验水平 ，与红边位置和红边斜率
的相关关系未达到显著性检验水平 。 红边参数与
叶片 N 累积量之间也存在极显著相关性 ，叶片 N
累积量为单位土地面积上的叶片 N 素总量 ，红边
参数中红边斜率与叶片 N 累积量相关性最显著 ，
为 ０畅７４６ 。 以上分析说明 ，用红边面积和红边斜率
分别描述叶片全 N 含量和叶片 N 累积量最佳 。
红边参数中仅红边斜率与叶绿素含量的相关关系达到显著性检验水平 ，红边参数与叶绿素密度的相关
关系均达到极显著性检验水平 ，其中红边斜率相关系数最高 。 用红边斜率描述叶绿素含量和叶绿素密度
最佳 。
2畅4 　 红边参数与叶片生化成分之间的拟合分析
本研究选择相关系数较大的红边斜率估测叶片 N 累积量 、叶绿素密度和叶绿素含量 ，红边面积估测叶
片全 N 含量 ，分析了红边斜率与叶片 N 累积量 、叶绿素密度和叶绿素含量间的散点图 ，以及红边面积与叶片
全 N 含量的散点图（图 ４） ，并建立拟合模型 。
图 4 　 红边参数与叶片生化成分间的关系曲线
Fig ．４ 　 Correlations between the red edge parameters and biochemical component con tents
前人对不同品种 、不同肥水条件下冬小麦光谱红边参数进行研究 ，结果表明叶绿素 a ＋ b 总量（TChl）与
红边斜率间 ，在起身期至拔节期为负相关 ，在抽穗期至乳熟期为正相关［５］ 。 对水稻的研究表明 ，红边参数包
括红边位置 、红边斜率和红边面积与上层叶片叶绿素 a的含量之间有很好的相关性 ，与不同层位叶片叶绿素
b 、类胡萝卜的含量相关性不明显 ，与叶片全 N 含量无关［４］ 。
因此红边参数与作物叶片生化成分含量的相关性研究 ，与不同生长时期和冠层不同层次的选择存在一
定关系 ，本研究结果中红边位置与叶片全 N 含量和叶绿素含量 ，以及红边面积与叶绿素含量的相关性未通
过显著性检验 ，可能是上述原因所致 。
2畅5 　 红边参数与叶面积指数的关系
通过红边参数与叶面积指数之间的相关分析 ，得出 λred 、dλred 和 ∑ dλ６８０ ～ ７６０ 与叶面积指数之间存在
８２　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷
图 5 　 红边位置与叶面积指数 LAI 的关系曲线
Fig ．５ 　 The correlation between position of red edge
and leaf area index
极显著相关性 ，相关系数分别为 ０畅７５４ 、０畅７３６ 、０畅７３４ ，说明红边
参数也能用来描述叶面积指数且红边位置与叶面积指数的相
关系数最高 ，分析红边位置与叶面积指数的散点图 ，如图 ５ 所
示 ，并建立拟合模型 。
据此 ，可以在小麦全生育期用红边斜率推算叶片 N 累
积量 、叶绿素密度和叶绿素含量 ，用红边面积推算叶片全 N
含量 ，用红边位置推算叶面积指数 。
在地面平台建立的方法或模型 ，既可直接应用于田间植
被冠层信息的快速获取 ，也可作为飞行或卫星数据应用的
基础 。 本研究在田间水平下建立的红边参数与若干农学参
数之间的关系 ，可以作为遥感数据解析的重要参考 ，并应用
于田间肥 、水管理和品质监测预报 。
3 　 小 　 结
通过不同 N 素水平下冬小麦的田间光谱观测与室内实验分析可知 ，冠层反射光谱的红边位置和红边斜
率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 。 冬小麦冠层光谱
红边参数中红边斜率与叶片 N 累积量 、叶绿素密度和叶绿素含量的相关性较好 ，红边面积与叶片全 N 含量
相关关系较好 ；红边参数与叶面积指数之间的相关关系均达到显著性检验水平 ，相关系数为 ０畅７ 以上 ，可用
于推算叶面积指数 。 本文分析中并未得出红边位置与叶绿素含量密切相关的结论 ，这与前人研究结果有所
不同 ，其原因有待进一步研究分析 。
参 　 考 　 文 　 献
１ 　 谭 　 倩 ，赵永超 ，童庆禧 ，等 ．植物光谱维特征提取模型 ．遥感信息 ，２００１ （１） ：１４ ～ １８
２ 　 刘伟东 ，项月琴 ，郑兰芬 ．高光谱数据与水稻指数及叶绿素密度的相关分析 ．遥感学报 ，２０００ ，４（４） ：２７９ ～ ２８３
３ 　 吴长山 ，项月琴 ，郑兰芬 ．利用高光谱数据对作物群体叶绿素密度估算的研究 ．遥感学报 ，２０００ ，４（３） ：２２８ ～ ２３２
４ 　 王秀珍 ，王人潮 ，李云梅 ，等 ．不同氮素营养水平的水稻冠层光谱红边参数及其应用研究 ．浙江大学学报 ，２００１ ，２７（３） ：３０１ ～ ３０６
５ 　 赵春江 ，黄文江 ，王纪华 ，等 ．不同品种 、肥水条件下冬小麦光谱红边参数研究 ．中国农业科学 ，２００２ ，３５（８） ：９８０ ～ ９８７
６ 　 Filella I ．，Penuelas ．J ． T he red edge posit ion and shape as indicato rs o f plant chlorophyll content ， biomass and hydric status ． In t ．J ． Remote
Sensing ， １９９４ ，１５（７） ：１４５９ ～ １４７０
７ 　 Curran P ．J ．，Dungan J ．L ．，Gholz H ．L ． Explo ring the relat io nship bet ween reflectance red edge and chlo rophyll content in slash pine ． T ree
Physiology ， １９９０ ，７ ：３３ ～ ３８
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