全 文 ：中国生态农业学报 2010年 7月 第 18卷 第 4期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, July 2010, 18(4): 748−752


* 国家科技支撑计划项目(2008BADA4B03)、国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2006AA10A302)资助
** 通讯作者: 白由路(1961~), 男, 研究员, 博士, 研究方向为土壤物理和精准农业。E-mail: ylbai@caas.ac.cn
胡昊(1982~), 男, 博士研究生, 研究方向为植物营养与精准农业。E-mail: huhao82@126.com
收稿日期: 2009-07-10 接受日期: 2009-11-25
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.00748
基于 SPAD-502与 GreenSeeker的冬小麦
氮营养诊断研究*
胡 昊 白由路** 杨俐苹 卢艳丽 王 磊 王 贺 王志勇
(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实验室 北京 100081)
摘 要 用 GreenSeeker和 SPAD-502测定了不同氮素处理的冬小麦冠层 NDVI与叶片 SPAD值, 分析了它们
与叶片全氮、叶绿素含量及产量间的关系。结果表明: 冬小麦抽穗期 SPAD 值和 NDVI 值均与叶绿素含量呈
极显著正相关; 除抽穗期和返青期外, SPAD值与叶氮含量、叶绿素含量的相关系数在其余各生育期均达到显
著或极显著水平; NDVI值与叶氮含量、叶绿素含量在拔节期、乳熟期的相关性同 SPAD值一致; SPAD值可以
进行叶绿素的诊断, NDVI值可以进行氮的诊断。氮营养诊断时期应该选择拔节期。通过回归建立了基于 SPAD
值、NDVI值的产量估测模型, 可以通过 SPAD值、NDVI值对冬小麦产量进行估算。
关键词 冬小麦 氮 营养诊断 SPAD-502 GreenSeeker
中图分类号: S-3; S11+7 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)04-0748-05
Diagnosis of nitrogen nutrition in winter wheat (Triticum aestivum)
via SPAD-502 and GreenSeeker
HU Hao, BAI You-Lu, YANG Li-Ping, LU Yan-Li, WANG Lei, WANG He, WANG Zhi-Yong
(Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences; Key Laboratory for
Plant Nutrition and Nutrient Cycling, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)
Abstract Leaf SPAD and canopy NDVI of winter wheat under different nitrogen treatments were analyzed using GreenSeeker and
SPAD-502 with the aim of building a quick, timely and accurate method for diagnosing nitrogen nutrition. The results show signifi-
cant positive correlations among leaf SPAD, canopy NDVI and chlorophyll content. Correlation coefficients for leaf SPAD and leaf
N and chlorophyll content are significant, except during heading and reviving stages. Correlations for canopy NDVI with leaf N and
chlorophyll content at jointing and milking stages are similar to that for leaf SPAD. While SPAD can be used to evaluate chlorophyll
content, NDVI can be used to assess nitrogen content. The recommended period for diagnosing nitrogen status is jointing stage. Us-
ing SPAD and NDVI, a linear regression model is developed for assessing yield of winter wheat.
Key words Winter wheat, Nitrogen, Nutrition diagnosis, SPAD-502, GreenSeeker
(Received July 10, 2009; accepted Nov. 25, 2009)
植物干物质生产来源于叶绿素所决定的光合过
程, 因此叶绿素含量能指示作物冠层光合能力的强
弱。目前直接测定叶绿素含量的化学方法费时耗力,
很难快速及时了解作物叶绿素的状况, 而光谱无损
测试技术由于可以利用作物光谱信息对生化成分进
行很好地估算而得到迅速发展。NDVI作为目前应用
最为广泛的光谱植被指数, 其良好解释作物生理生
化参数的性能已经得到确认[1−3]。SPAD-502(叶绿素
计)与 GreenSeeker(通过冠层光谱计算得到 NDVI值)
是两种能够进行田间监测管理的光谱设备。SPAD值
与叶绿素含量、叶氮含量极显著正相关, 用 SPAD
值可以对小麦全氮含量进行估测[4−5], 并且叶 SPAD
值可以预测单位土地面积上小麦籽粒生长过程中蛋
白质与淀粉积累的动态[6]。卢艳丽等[7]研究表明, 玉
第 4期 胡 昊等: 基于 SPAD-502与 GreenSeeker的冬小麦氮营养诊断研究 749


米冠层 NDVI 值对叶绿素最敏感的时期是大喇叭口
期, 可以利用GreenSeeker对春玉米的叶绿素或氮素
进行监测; Esfahani等[8]利用 SPAD值指导氮肥的施
用。此外, 李斐[9]建立了基于 NDVI值的产量预测模
型, 并根据所建立的预测模型计算出条件产量下的
氮肥施用量。然而目前利用 SPAD计和 GreenSeeker
进行田间管理监测的研究尚无两种设备结合进行氮
素营养诊断研究的报道, 并且大多研究缺乏系统的
生育期理论基础作支持。因此, 本文采用不同监测
方法系统研究了不同氮营养条件下冬小麦叶 SPAD
值与冠层 NDVI 值的生育期变化, 比较其与叶绿素
含量、叶氮含量以及产量之间的相关关系, 分析其
变化特征进而建立合适的估测模型, 以期为 SPAD
计与 GreenSeeker快速、直接、及时、准确地应用于
田间管理决策提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地位于中国农业科学院(万庄)国际农业产
业园内(39°35′51.75″ N, 116°35′19.51″E), 属于温带
大陆性季风气候。年平均气温 11.9 ℃, 无霜期平均
183 d, 年平均降水量 554.9 mm。土壤类型为潮土,
质地粉沙, pH 为 8.10, 有机质含量为 4.10 g·kg−1,
全氮、速效磷、速效钾含量分别为 0.151 g·kg−1、
0.40 mg·kg−1和 80.20 mg·kg−1。
1.2 材料与试验设计
试验冬小麦品种为“保丰 104”, 播种时间为
2007年 10月 19日, 收获时间为 2008年 6月 15日。
试验为完全随机设计, 设 7 个施氮水平, 分别为施纯
氮 0 kg·hm−2(N0)、50 kg·hm−2(N1)、100 kg·hm−2
(N2)、200 kg·hm−2(N3)、300 kg·hm−2(N4)、400
kg·hm−2(N5)、500 kg·hm－2(N6), 氮肥品种为尿素
(氮含量为 46%)。每个处理小区面积为 100 m2(12.5 m×
8 m), 3次重复, 共 18个小区, 完全随机排列。同时
每 个 小 区 施 过 磷 酸 钙 (P2O5 含 量 为 12%)625
kg·hm−2、硫酸钾(K2O 含量为 50%)150 kg·hm−2,
磷、钾肥全部作基肥在播种前施入, 氮肥分为基肥
与追肥, 追肥在小麦返青后拔节前施用, 基追比为
7︰3。试验地管理同大田。测定时期为返青期、拔
节期、抽穗期、灌浆期和乳熟期。
1.3 光谱测定与样品分析
用美国 Ntech公司 GreenSeeker手持 NDVI测量
仪采集冬小麦冠层 NDVI 数据。测量时, 将光谱探
照头平行于小麦植被冠层, 垂直高度约 0.5 m。每个
小区随机选取 3 个 3~4 m2区域的冬小麦进行测定,
结果直接通过移动计算机进行采集。
采用日本Minolta公司 SPAD-502测定冬小麦叶
SPAD 值, 在小区内随机选取 30 株小麦, 测定第 1
片完全展开叶中部。
小麦植株样品采集与 NDVI、SPAD 测定同步,
叶片叶绿素含量采用 80%丙酮提取分光光度计测
定[10], 叶片氮元素含量测定采用H2SO4-H2O2消煮凯
氏定氮法测定[11]。
1.4 数据分析
采用 SigmaPlot 10.0 软件绘图 , 用 Microsoft
Excel 2003、SPSS 13.0软件进行数据分析。
2 结果与分析
2.1 不同氮水平的小麦 SPAD值与 NDVI值生育期
变化
冬小麦叶片 SPAD 值随生育期呈先增加后降低
趋势(图 1), 拔节期后 SPAD 值迅速增加, 在抽穗期
达到最大值, 灌浆期 SPAD 值缓慢减小, 乳熟期迅
速降低至最小值。不同氮处理冬小麦叶 SPAD 值的
生育期变化趋势一致, 各处理在返青期接近, 返青
后拔节前高氮处理的 SPAD 值降低速度较慢, 低氮
处理降低速度较快。不同氮素处理在抽穗期差异较
大, 灌浆期至乳熟期 SPAD 值降低, 不同氮素处理
的降低速度大小顺序同返青期一致。
冠层 NDVI 值在冬小麦生育期呈先增加后下降


图 1 不同氮营养冬小麦 SPAD值与 NDVI值的生育期变化
Fig. 1 SPAD reading and NDVI value at various growth stages of winter wheat in different nitrogen treatments
750 中国生态农业学报 2010 第 18卷


趋势(图 1), 从返青期开始, 冬小麦叶片叶绿素含量
增加 , 对红光的吸收增大 , 反射率下降 , 但近红外
的反射率变化程度较小 , 使得 NDVI 值急剧上升 ,
到抽穗期达到最大, 灌浆期对红光吸收降低、反射
增加, 导致 NDVI值下降, 灌浆期降低幅度较小, 乳
熟期降低幅度较大。
整体上, 高氮处理的冬小麦冠层 NDVI 值大于
低氮处理。乳熟期高氮处理 NDVI 值降低较慢, 可
能是因为高氮处理的小麦贪青晚熟影响小麦冠层结
构。不同氮素处理冬小麦冠层 NDVI 值在抽穗期差
异最大, 并且多数处理之间差异达显著水平(表 1)。
2.2 不同氮水平冬小麦叶片叶绿素含量与叶氮含
量的生育期变化
冬小麦叶片叶绿素含量在整个生育期呈先增大
后减小趋势(图 2)。相同生育期内, 高氮处理的冬小
麦叶片叶绿素含量普遍高于低氮处理, 但施氮量增
加到一定程度后, 叶绿素含量不再升高。不同氮处
理叶绿素含量在返青期差异最小, 抽穗期最大。不
施氮处理叶片叶绿素含量在整个生育期均最低。在
乳熟期冬小麦生殖生长占优势, 叶片等营养器官逐
渐衰老, 加上高温对叶绿体的破坏作用, 叶绿素含
量逐渐降低。不同氮素处理的叶片叶绿素含量均在
抽穗期达到最高值。高氮处理在后期下降速度高于
低氮处理。总体上看(表 1), 叶绿素含量随施氮量增
加而升高, 但当施氮量增加到一定量后, 继续增施
氮肥叶绿素含量反而降低。
从返青期到乳熟期, 由于作物生长的稀释效应,
冬小麦叶片氮含量呈降低趋势, 同一生育期叶氮含
量随施氮量的增加存在升高的趋势(图 2), 返青期与
乳熟期各施氮处理含氮量差异最小, 返青期之后差
异逐渐增大, 但抽穗期后差异又减小, 除 N1 处理
外, 拔节期、抽穗期、灌浆期的其他氮处理均与不
施氮处理差异显著。总体上看(表 1), 叶片含氮量并
非随着施氮量的增加直线升高, 当施氮量增加到一
定量后, 继续增施氮肥叶氮含量反而降低。
2.3 冬小麦 SPAD 值、NDVI 值与叶氮含量、叶绿
素含量的相关性
在返青期, SPAD值与叶氮含量、叶绿素含量的
相关性达显著水平, NDVI值与叶氮含量、叶绿素含
量的相关性不明显(图 3)。在拔节期, 冬小麦 SPAD
值、NDVI值与叶氮含量、叶绿素含量的相关性均为
极显著正相关, 其中 SPAD 值与叶绿素含量的相关
系数最高, SPAD值与叶氮含量次之, NDVI值与叶氮
含量、叶绿素含量较小。在抽穗期, NDVI值、SPAD
值与叶绿素含量相关系数最高, 均达到极显著水平;
SPAD 值与叶氮含量达显著水平, NDVI 值与叶氮含

表 1 不同氮营养冬小麦抽穗期 SPAD值、NDVI值、叶片叶绿素含量、叶氮含量变化
Tab. 1 SPAD, NDVI, and contents of leaf chlorophyll and leaf nitrogen in winter wheat in different
nitrogen-application treatments at heading stage
处理
Treatment
SPAD值
SPAD reading
NDVI值
NDVI value
叶绿素含量
Chlorophyll content (mg·g−1)
叶氮含量
Leaf nitrogen content (g·kg−1)
N0 45.4±1.01a 0.54±0.008a 2.99±0.133a 13.6±0.956a
N1 48.4±0.98a 0.65±0.021b 3.94±0.135b 16.0±0.648b
N2 55.0±1.06b 0.68±0.018c 3.94±0.182b 23.4±0.455c
N3 58.6±1.40c 0.75±0.021d 4.21±0.084c 24.3±1.812c
N4 58.9±1.23c 0.76±0.008d 5.21±0.063d 29.5±0.469de
N5 60.4±1.73c 0.79±0.018e 4.89±0.104e 31.4±0.497f
N6 59.1±2.40c 0.83±0.029f 4.41±0.169c 31.2±1.956fe
表中数据为平均值±标准差。同栏不同字母表示处理间差异显著(P<0.05, LSD法)。Data in the table show mean ± SD. Values followed by
different letters within one column are significantly different at P< 0.05 according to LSD test.


图 2 不同氮营养冬小麦叶氮含量与叶绿素含量的生育期变化
Fig. 2 Leaf nitrogen and chlorophyll content at various growth stages of winter wheat in different nitrogen treatments
第 4期 胡 昊等: 基于 SPAD-502与 GreenSeeker的冬小麦氮营养诊断研究 751



图 3 冬小麦不同生育期 SPAD、NDVI与叶氮含量(N)、叶绿素含量(CH)及产量(Yield)的相关性
Fig. 3 Correlation coefficient of SPAD, NDVI and leaf chlorophyll content (CH), leaf nitrogen content (N) and yield
of winter wheat at various growth stages

量相关性不显著。灌浆期和乳熟期 NDVI值、SPAD
值与叶绿素含量、叶氮含量之间存在极显著正相关。
2.4 冬小麦 SPAD值、NDVI值与产量的相关性
在返青期、拔节期、灌浆期与乳熟期, 冬小麦
NDVI值、SPAD值与产量的相关性较差(图 3), 均未
达到显著水平。抽穗期 SPAD值、NDVI值与产量的
相关性呈正相关且均达到极显著水平。回归拟合了
冬小麦产量与 SPAD值、NDVI值的数学关系, 建立
了基于冬小麦抽穗期叶 SPAD 值与冠层 NDVI 值的
产量估测模型(表 2), 模型精度较高。因此通过抽穗
期叶 SPAD 值或冠层 NDVI 值可以对冬小麦产量进
行估算。
3 结论和讨论
作物光谱特征信息与生长发育过程密切相关。
本研究 SPAD值、NDVI值与叶绿素含量、叶氮含量
的生育期变化趋势及相关性分析与冬小麦的生长发
育特征相吻合。返青期不同氮处理之间几乎不存在
施肥效应, SPAD 值、NDVI 值与叶绿素含量、叶氮
含量之间相关性较差。灌浆期小麦植株基本停止生
长, 养分逐渐向籽粒部分转移, 叶绿素含量逐渐降
低; 乳熟期生殖生长基本完成, 叶绿素快速下降。尽
管乳熟期不同氮素处理差异相对较大, 且 SPAD值、
NDVI 值与叶氮含量、叶绿素含量的相关系数较高,
但多是由于高氮残留致使植株贪青迟熟所致。拔节
期植株迅速生长, 养分大量吸收, 生理活动比较剧
烈, 由施肥导致的光谱差异逐渐显现, 这种差异在
拔节后期达到最大, 因此拔节期 SPAD值、NDVI值
与叶绿素含量、叶氮含量的相关系数最大。抽穗期
的叶绿素与氮素营养状况可能会受抽穗的影响, 导
致 SPAD值、NDVI值与叶绿素含量、叶氮含量的相
关性较差。
通过 SPAD值或NDVI值对作物氮估算, 可满足
作物氮素的需求, 同时也能降低氮素对环境污染的
风险。李志宏等[12]用 SPAD 值对夏玉米追肥推荐营
养状况预测精度可达到 60%。不过, 针对 SPAD 值
对氮营养进行估测, 也有研究表明用 SPAD值、叶面
积、叶干重参与的多元回归模型可以解释 96%的全
氮含量 , 而用 SPAD 值则只能解释 23%[8]。此外,
SPAD 值与叶片叶绿素含量线性相关程度较高, 可
以用 SPAD 值估算叶绿素含量 , 但也有研究表明 ,
叶片一旦破损超过 6%的叶面积, 线性方程不再适合
其二者的估算[13]。因此采用这两种设备进行作物监
测与农学参数估算时, 需要考虑作物品种与环境因
素的影响[14−15], 这种考虑与 GÁBORČÍK 的研究结
果一致[5]。
应用 SPAD 值、NDVI 值对作物进行管理监测,
不仅要看监测养分的变化, 还要看其与养分的相关
性, 尽管抽穗期冬小麦生长状态稳定, 各处理差异
比较明显, 但叶氮、叶绿素含量与 SPAD值、NDVI

表 2 冬小麦叶氮含量、叶绿素含量与产量的 SPAD、NDVI估算模型
Tab. 2 Predicted model of leaf nitrogen content, leaf chlorophyll content and yield based on SPAD and NDVI
因变量
Dependent variable
生育期
Growth stage
自变量
Independent variable
模型
Predicted model
R2
NDVI y =－96.771x2+148.63x–24.624 0.728 6 叶氮含量
Leaf nitrogen content (g·kg−1) SPAD y=6.017e0.032 6x 0.694 3
NDVI y =－9.067x2+13.607x－1.701 1 0.699 2 叶绿素含量
Leaf chlorophyll content (mg·g−1)
拔节期
Jointing stage


SPAD y=0.633e0.033x 0.713 8
NDVI1) y = 25 668x－8 624.3 0.931 3 产量
Yield (kg·hm−2)
抽穗期
Heading stage SPAD2) y = 354.9x－8 864.2 0.904 0
1) NDVI<0.742 8; 2) SPAD<52.6.
752 中国生态农业学报 2010 第 18卷


值的相关性不及拔节期, 因此用这两种设备进行营
养诊断时, 应最好选择在拔节期。该结论也再次证
明实际小麦生产中拔节、抽穗前进行营养诊断、合
理追肥的重要性 , 不过考虑到肥料效应的滞后性 ,
大田操作中一般选择在拔节期前夕进行追肥。
本研究表明, SPAD值、NDVI值与产量的关系
是一定条件下的线性关系, 并且估算模型均达到了
极显著水平。这与郭建华等[16]对玉米的研究结论基
本一致 , 后者研究结论为“线性加平台”, 至于“平
台”或“一定条件”产生的原因, 可能与 SPAD 值、
GreenSeeker仪器设备自身的测量极限有关。
本研究为单季试验且未进行多品种的校验, 基
于 SPAD 值、NDVI 值的营养诊断可能会受作物自
身、生长环境以及作物品种的影响。有研究表明不
同小麦品种的叶 SPAD 值存在差异[17], 不过各叶位
与生育期 SPAD 值变化的总体趋势存在一致性[18]。
针对氮素诊断指标 SPAD 值形式的选择 , 屈卫群
等[19]认为“顶 1定型叶与顶 4定型叶 SPAD值的差值”
是具有普适性的棉花氮素诊断指标。因此 , 利用
SPAD 值对冬小麦进行氮与叶绿素诊断时, 要考虑
不同品种及叶位以便确定合适的诊断阈值。
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