不同氮处理春玉米叶片光谱反射率与叶片全氮和叶绿素含量的相关研..doc

1、中国农业科学 2005,38(11):2268-2276 Scientia Agricultura Sinica 不同氮处理春玉米叶片光谱反射率与叶片全氮和叶绿素含量的相关研究王 磊，白由路（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 /农业部植物营养与养分循环重点开放实验室，北京 100081）摘要：采用盆栽试验研究了不同氮营养水平下的春玉米叶片叶绿素和全氮含量与叶片光谱反射率的相关性。结果表明，拔节期和喇叭口期是玉米氮素光谱营养诊断的敏感时期；利用绿峰处叶片最大光谱反射率反演玉米叶片氮素含量和叶绿素含量的精度为：喇叭口期拔节期开花吐丝期；不同生育时期诊断玉米叶片氮素含量和叶绿素含量时所采用的光

2、谱波段也不同，拔节期和喇叭口期采用可见光波段的光谱反射率可靠性较高，而开花吐丝期采用近红外波段的光谱反射率可靠性较高；两波段组合光谱变量对叶片叶绿素和全氮含量的判别精度高于单一波段的判别精度。关键词：玉米；氮素；叶绿素；光谱反射率Correlation Between Corn Leaf Spectral Reflectance andLeaf Total Nitrogen and Chlorophyll ContentUnder Different Nitrogen LevelWANG Lei ，BAI You-lu（ Institute of Agricultural Resources

3、and Regional Planning, Chinese Academy ofAgricultural Sciences/ Key Laboratory of PlantNutrition and Nutrient Cycling, Ministry of Agriculture, Beijing 100081 ） Abstract: The correlation between the corn leaf chlorophyll content, total nitrogen content, moisture content and leaf spectral reflectance

4、 was studied in a patted experiment under different N treatments. Results showed that shooting stage and trumpet stage were sensitive stages for diagnosis of nitrogen in corn. The precision of inferring leaf nitrogen and chlorophyll concentration by leaves maximal spectral reflectance at green waveb

5、and was: trumpet stage > shooting stage > anthesis-silking stage. Different wavebands should be chosed for diagnosis of corn leaf nitrogen and chlorophyll concentration in different development stages. It was proved that the reliability of using visible spectral reflectance was preferable than

6、 other wavebands at shooting stage and trumpet, but near infrared spectral reflectance was more reliable at anthesis-silking stage. The combination spectra variables of two wave bands were better than single wave band to estimate the content of leaf total nitrogen and chlorophyll.Key words: Corn (Ze

7、a mays L.)； Nitrogen； Chlorophyll ；Spectral reflectance氮素营养是作物生产中重要的考虑因素之一，合理适时的氮肥管理是作物高产优质的管理措施之一。因而及时了解作物的营养状况，进行合理的施肥在农业生产中占有极其重要的地位。但是传统的植物离体化学分析方法已不能满足作物高效生产管理的需要，尤其是在不同生产经验模式的精准农业生产管理中，它显的更为逊色。随着遥感和高光谱技术的发展，各种传感器应运而生，植物的遥感光谱监测技术在农业生产中得到了长足的发展，尤其在地块边界划定，作物长势监测、鉴别分类 1 和估产方面 2,3 取得了一些成果。 高光谱技术在作物

8、监测上的潜力也很大，它是有收稿日期： 2005-04-11基金项目：上海市科技兴农重点攻关项目（农科攻字 (2001)第 2-8 号）资助作者简介：王 磊（ 1978-），男，河南原阳人，博士研究生，主要从事植物营养光谱诊断研究。 Tel:E-mail: lwang。白由路为通讯作者， Tel:E-mail: ylbai11 期 王 磊等：不同氮处理春玉米叶片光谱反射率与叶片全氮和叶绿素含量的相关研究 2269光谱范围广（ 4002 500 nm）、波段多（ 5121 024 个）、光谱分辨率高（ 3 nm）、数据量大等优点，可以用来监测

9、作物叶片和冠层的生化组分的状况和变化。但它作为成熟的技术应用到作物遥感监测上之前，首先要进行地面模拟和测试，确定传感器测量光谱范围、波段设置（波段数、宽度、位置）和评价遥感数据的应用潜力。本文的目的就在于此。许多学者利用宽波段光谱和高光谱技术对玉米的生物物理和化学参数作了大量研究。 Walburg 等 4 在玉米上研究表明，近红外光谱反射率（ 760900 nm）与红光光谱反射率（ 630690 nm）的比值比单一波段的光谱反射率能更好地区分氮的不同处理。 Ma 等5 研究表明，在玉米开花期前，光谱反射率能很好的预测谷物产量，并且可以指明氮的丰缺程度。 Osborne等6 用光谱诊断玉米氮磷营

10、养时指出，植物体内氮含量的预测应在红光和绿光波段，但具体波段随生育期的不同而改变。吴长山等 7 提出利用玉米群体的反射光谱数据能很好地反映叶片叶绿素密度的信息。程一松等8谱响应，并建立了相关估测模型。但就利用某单一叶片光谱反射率对玉米整个生育期进行监测，找出诊断氮素营养状况的敏感时期并没有做一揭示；而且对叶片全氮和叶绿素含量与整个生育期某单一叶片光谱反射率的相关性未做系统的研究。因此，本文从建立遥感与农学链接模型的需求出发，考察了春玉米在整个生育期叶绿素和氮素的消长和变化规律，分析了在不同光谱波段与光谱反射率的相关关系，以期为建立更加适用的遥感监测模型提供依据。1 材料与方法1.1 试验设计试

11、验于 2004 年 49 月在中国农业科学院进行。采用盆栽试验设计，每盆装土12kg（风干土），供试土壤为潮土，其基本肥力见表 1（采用土壤养分状况。供试品种为农大 108。试验设 5 系统研究法 11 测试）个施肥处理： N1：不施氮； N2：施氮 225 kg ·ha-1；N3：施氮 450 kg ·ha-1； N4：施氮 675 kg ·ha-1；N5：施氮 900 kg ·ha-1，使之表现为严重缺氮、缺氮、适量氮、过量氮、严重过量氮。总氮肥的 60%作基肥、 15%在拔节前期施入、 25%作穗粒肥施入。水分管理按常规进行，设 3 次重复。分别在

12、玉米的拔节期、喇叭口期、开花吐丝期和成熟期进行叶片光谱测定，并剪下对应叶片测定叶绿素和氮素含量。研究了养分胁迫下的夏玉米叶片反射光谱和一阶导数光谱数据与其叶绿素浓度的关系。唐延林等 9 研究指出玉米的 “红边 ”参数（红边位置、红边振幅、红边面积）与叶面积指数、生物量、鲜叶重、叶绿素含量和类胡萝卜素含量存在显著的相关关系。谭昌伟等10探讨了夏玉米叶片全氮、叶绿素及叶面积指数的光表 1 供试土壤基本肥力Table 1 The basic fertility of experimental soilpH OM(g ·kg-1)AA (cmol ·L-1) N (mg·

13、L-1)P (mg ·L-1) K (mg ·L-1) Ca (mg ·L-1) Mg (mg·L-1) S (mg ·L-1)B (mg ·L-1) Cu (mg ·L-1) FeMn Zn(mg·L-1) (mg L·-1)(mg ·L-1)7.9 12.0 0.00 24.8 18.3 43.5 2950.6 279.6 48.7 4.08 3.8 28.4 4.3 2.51.2 光谱测定和数据预处理采用美国 ASD 公司生产的 FieldSpec光谱仪进行测定。选择晴朗无风天气，北京时间

14、为 10:3014:00 太阳高度角变化不大的时间段进行，探头视场角为 25°，波段范围为 350 2 500 nm，光谱分辨率在 700 nm 时为 3 nm，在 1 400 nm 及 2 100 nm 时为 10 nm。拔节期和喇叭口期选择第 6 片叶，开花吐丝期和成熟期选择第12 片叶（穗位叶），测定其 DN 值，探头离叶片的距离视叶片大小而定，保证探头的视野范围落在叶片上，并移动探头连续测定 20 次（各处理测定前后立即测定参考板校正），去除最大值和最小值，经标准板反射率校正后取平均值作为该叶片的光谱反射率。为了减小数据的冗余度，笔者将所得到的光谱数据作预处理。因为3501

15、000 nm光谱分辨率为 3 nm，抽样间隔是 1.4 nm；10002 500 nm 光谱分辨率为 10 nm，抽样间隔是 2 nm，所以将全波段光谱数据每 5 个波段数据作平均，得到波段宽为 10 nm（抽样间隔 2 nm×5）的 215 个光谱波段数据。 1.3 生化组分测定叶绿素含量测定采用分光光度法，取测完光谱的叶片，用脱脂棉擦拭干净，去除主脉和两头部分，剪碎，混匀，称 0.2 g 左右，用 99%丙酮和 95%乙醇 11 混合液定容 50 ml，每个样品 3 个重复。将定容好的容量瓶置于黑暗处，每天摇动1次，约 7 d 后叶片完全变白，分别在663、645 nm 处比色，

16、记录吸光度（ OD）值。计算公式为：2270中国农业科学38卷CA=12.7OD663-2.59OD645 CB=22.9 OD645-4.67OD663 CA+B=20.3 OD645+8.04OD663式中， CA、 CB 分别为叶绿素 a 和 b 的浓度； CA+B 为叶植物叶片在可见光区域有强烈的辐射能量吸收和较低的反射主要是由于叶绿素的存在，在近红外区域有相对高的反射率是由于叶片内部结构多次散射的结果，在红外区域（ 1 300 nm 以后）又有较低的光谱吸收是绿素 a和 b 的总浓度，单位为 mg·L-1 由于水的存在 12 。笔者把可见光波段的叶片光谱反射C×V

17、 率提取出来，以探明不同氮素营养水平下春玉米不同 -1 叶绿素含量（ mg·g） =生育时期在可见光波段叶片光谱反射率的差异。如图式中， C：叶绿素浓度（ mg·L-1 ）； V ：提取液总体积W× 1 0001 所示，在可见光波段，其叶片光谱反射率在整个生（ ml）； W：叶片鲜重（ g）。 育期保持先上升后下降趋势，在 550 nm 左右处形成反用凯氏叶片全氮的测定，先用H2SO4-H2O2 消煮，法测定。射峰，只是在反射强度上有所差别。随着施氮量的增加，其光谱反射率逐渐下降，在拔节期和大喇叭口期尤为明显（图1-A 和图 1-B），这可能与叶片中叶绿素含量的增

18、加有关。而拔节期和大喇叭口期是玉米一生中吸收养分最快、最多的时期，也是玉米追肥的主要时期，这也是玉米生理需肥规律在光谱上的反应。在开花吐丝期，不施氮处理的叶片光谱反射率比其它施2 结果与分析2.1 不同氮营养水平下春玉米叶片在可见光波段光谱反射率的特征差异早在 20 世纪 60、70 年代就有学者证明，典型的11 期 王 磊等：不同氮处理春玉米叶片光谱反射率与叶片全氮和叶绿素含量的相关研究 2271氮处理的光谱反射率都高，而其它4 个处理的叶片光谱的反射强度基本相同（图1-C）。原因可能是由于玉米在开花吐丝期，生殖生长胜于营养生长，体内养分过多的供给生殖生长，叶片内叶绿素含量稳定所致。而不施氮

19、处理的叶片内叶绿素含量较低导致光谱反射率比其它施氮处理的光谱反射率要高。如图 1-D 所示，成熟期不施氮处理的叶片光谱没有明显的反射峰，在反射波形上与其它处理明显不同，可能是由于营养极其匮乏，但反射率显著下降的原因尚不清楚。其它施氮处理又表现为随施氮量增加，反射率下降，而这时在反射梯度上明显缩小。可能是由于植株衰老的缘故。综上所述，玉米在拔节期和喇叭口期叶片在可见关波段的光谱反射率随着施氮量的增加而显著减小。在玉米营养学上，拔节期和喇叭口期是养分利用最大效率期。因此，利用光谱进行玉米氮素营养诊断时，拔节期和喇叭口期是光谱诊断的敏感时期。 2.2 不同氮营养水平下春玉米叶片叶绿素含量与叶片全氮的

20、相关性表 2 不同施氮量玉米叶片叶绿素含量与叶片全氮相关性分析Blackmer 和 McMutrey 等研究表明，氮素在叶片上的光谱反射率的显著差别主要表现在 550600 nm 波段上 13,14 ，而这些显著差别跟叶片中叶绿素含量是紧密相关的。因此，本文表 2 分析了不同施氮量处理下，春玉米在不同生育期叶片叶绿素含量与叶片全氮含量的相关关系。除成熟期以外，拔节期、喇叭口期和开花吐丝期玉米随着施氮量的增加，叶片叶绿素含量和叶片氮含量在同步增长，二者拟合方程为线形方程，拟合度分别为 0.9872、0.9882 和 0.8863；并且在拔节期和喇叭口期二者关系达到极显著水平，相关系数分别为 0.

21、9936（P=0.0007）和0.9941（ P =0.0005）；在开花吐丝期二者相关性达显著水平，相关系数为0.9414（P =0.0173）。但在成熟期，随着施氮量的增加，叶片含氮量是增加的，而叶绿素含量是先增加后下降的趋势，二者并非线性相关。其原因尚不清楚。由此可见，叶片全氮含量与叶绿素含量在喇叭口期达到最大相关，而后相关性明显较弱，其相关性呈单峰曲线变化。Table 2 Correlation analysis between leaves chlorophyll content and total nitrogen content under different treaments

22、拔节期 Shooting stage Chl (a+b) (mgg-1 FW)·N cortent (%, DW)喇叭口期 Trumpet stage Chl (a+b) (mgg-1 FW)·N (%, DW) 0.74开花吐丝期 Anthesis-silking stage Chl (a+b) (mg g-1 FW)·0.53 N content (%, DW) 0.58成熟期 Dough stageChl (a+b)(mg·g-1 FW) 0.71N content(%, DW) 0.97N1 1.57 1.05 1.12N2 1.83 1.21

23、1.74 1.09 0.62 1.14 1.58 0.99 N3 2.40 1.62 1.62 1.65 2.67 1.68 3.13 1.47 N4 2.52 1.72 3.04 1.78 2.94 1.75 2.60 1.64 N5方程 Equation 拟合度 (R) Determine coefficient 相关系数 (R) Correlation coefficient P0.00070.0005 0.0173 -*, * 分别表示相关达 P<0.05和 P<0.01显著水平。下同*, * Significance at P<0.05 and P<0.01

24、levels, respectively. The same as below 0.9936*0.9941* 0.9414*-23.28 0.98722.492.93 1.82 3.32 1.91 2.65 1.84 y=0.5771x+0.1025y=0.3843x+0.638 非线性 Nonlineary=0.8379x-0.3220.9882 0.8863 -2.3 不同氮营养水平下春玉米叶片叶绿素含量与绿光叶片光谱反射率最大值的相关分析分析了春玉米在不同施氮水平下，在可见光 560 nm 左右处叶片光谱反射率最大时与叶绿素含量的相关性。结果显示（表 3），不同施氮量下，玉米在整个生育期

25、绿峰处的光谱反射率与叶绿素含量呈负线性相关关系，随着生育期的推迟相关性先增强，在喇叭口期相关性达到最强，而后在开花吐丝期和成熟期迅速下降。在拔节期和大喇叭口期分别达到了显著和极显著水平，相关系数分别为 -0.9169 和-0.9774。而在开花吐丝期二者相关程度没达到显著水平，但也表现出一定的线性关系；在成熟期该波段处的叶片反射率与叶片叶绿素含量不呈线性关系，可能是由于叶片内细胞死亡，叶片表面颜色不均一导致的。不同的施氮量处2272中国农业科学38卷理下，使得玉米叶片内叶绿素含量有所差别，外观上叶片颜色的深浅不一，从而在绿光波段光谱反射率也不同。拔节期和喇叭口期是玉米施肥的关键时期，在这两个时

26、期叶绿素含量和光谱反射率表现出显著和极显著的相关关系。表 3 不同施氮量玉米叶片叶绿素含量与叶片光谱反射率相关性分析Table 3 Correlation analysis between leaves chlorophyll content and leaf spectralreflectance under different N treatments拔节期 Shooting stage反射率 Reflectance (%)N1 N2N3 N5 方程 Equation 拟合度 (R) Determine coefficient 相关系数 (R) Correlation coefficien

27、t P0.0284 0.00410.2605-0.9169* -0.9774* -0.9774*-2Chl (a+b)喇叭口期 Trumpet stage反射率 Reflectance (%)Chl (a+b)开花吐丝期 Anthesis-silking stage 反射率 Reflectance (%)1.7412.10.62 Chl (a+b)成熟期 Dough stage反射率 Reflectance (%)Chl (a+b)20.5 1.57 27.7 1.12 17.41.8319.615.6 2.40 14.6 2.58 13.30.84143.2813.7 0.85532.931

28、7.3 0.53 13.9 0.7116.51.5812.2 2.67 15.6 3.13 12.0 0.39103.3212.8 -2.65N4 14.7 2.52 11.6 3.04 12.3 2.94 13.2 2.60y=5.7349-0.2116xy=4.4546-0.1243xy=6.8022-0.3622x非线性 Nonlinear2.4 不同氮营养水平下春玉米叶片全氮含量与绿光叶片光谱反射率最大值的相关分析上文分析表明，在不同氮营养水平下，拔节期和喇叭口期叶片全氮含量与叶绿素含量表现出极显著的相关关系；叶绿素含量和绿峰处叶片光谱反射率的也表现出显著或极显著的相关关系。因此，笔者

29、继续分析了叶片全氮含量与绿峰处叶片最大光谱反射率的关系（表4）。结果表明，在喇叭口期叶片光谱反射率与叶片氮含量二者达极显著（ P =0.0063）的线性负相关关系，拟合度为0.9404，相关系数为-0.9697；在拔节期和开花吐丝期光谱反射率与氮含量二者并没有达到显著的相关关系，但二者也表现出较高的相关性，相关系数分别为-0.8693（P=0.0556）和 -0.8519（ P= 0.0669）。在成熟期，可能是由于测定的误差，剔除掉N1 处理的数据，分析其他氮处理情况下光谱反射率与氮含量的相关性，结果显示出较高的相关性。由此看出，喇叭口期绿峰处光谱反射率能很好的反映叶片全氮含量。拔节期和开花

30、吐丝期绿峰处叶片光谱反射率在一定程度上也能反映叶片全氮含量。2.5 不同氮营养水平下春玉米叶片叶绿素含量和全氮含量与叶片光谱反射率的相关分析为了进一步探讨叶片叶绿素含量Chl(a+b)和全氮含量 T(N)等农学参数在可见光和近红外波段（ 350 1 100 nm）叶片光谱反射率上的反映，进行可见光和近红外光谱区域（ 3501 100 nm）叶片光谱反射率与叶片叶绿素含量、全氮含量的相关分析，相关系数分别表示为R（Chl）和 R（N）。如图 2 中 A 、B、 C、 D 所示，在玉米不同生育时期， Chl（a+b）和 T （N）与叶片光谱反射率在整个波段上的相关关系呈现出不同的相关曲线，总的看来

31、， Chl（a+b）与叶片光谱反射率的相关曲线和 T（N）与叶片光谱反射率的相关曲线的趋势极为相似，相关性完全一致，相关程度也几乎一致，只是在某些波段上有些差别。在拔节期， T（N）、 Chl（a+b）在紫光波段二者与叶片光谱反射率呈正相关关系，在 408 nm 波段处相关系数分别为 0.73 和 0.76；在 450740 nm 波段， T （N）、 Chl（ a+b）与叶片光谱反射率呈负的相关关系，但相关程度前者稍微弱于后者，相关性在 720 nm 左右达到最高，相关系数分别为 -0.88 和-0.92；但在750940 nm 波段，二者与叶片光谱反射率又表现出正的相关关系，但相关性不强，

32、相关系数在 0.60 以下；在 967 nm 波段之后，二者与叶片光谱反射率相关性继续减弱，但是呈负的相关关系。因此，拔节期，氮和叶绿素含量的指示波段。450 740 nm 波段可作为叶片11 期 王 磊等：不同氮处理春玉米叶片光谱反射率与叶片全氮和叶绿素含量的相关研究 2273 表 4 不同施氮量玉米叶片全氮含量与叶片光谱反射率相关性分析 Table 4 Correlation analysis between leaves total nitrogen content and leaf spectral reflectance under different N treatments拔节期

33、 Shooting stage R (%)N content喇叭口期 Trumpet stage R (%)N content开花吐丝期 Anthesis-silking stage R (%)N content成熟期 Dough stage R (%)N contentN1 20.5 1.05 27.7 0.74 17.3 0.58 - N2 17.4 1.21 19.6 1.09 12.1 1.14 16.6 0.99 N3 15.6 1.62 14.6 1.65 12.2 1.68 15.6 1.47 N4 14.7 1.72 11.6 1.78 12.3 1.75 13.2 1.64

34、N5方程 Equation 拟合度 (R2) Determine coefficient 相关系数 (R) Correlation coefficient P 0.05560.00630.06690.0751-0.8693 -0.9697* -0.8519 -0.924913.32.4913.7 0.94041.8212.0 0.72431.9112.81.84y=4.3586-0.1696x 0.7600y=2.6709-0.0716xy=4.0716-0.2012xy=4.1662-0.1842x-2274中国农业科学38卷与拔节期不同的是，喇叭口期T(N) 和 Chl（ a+b）与叶片光

35、谱反射率在3501100 nm 均表现负的相关关系。 T（N）、 Chl（a+b）与叶片光谱反射率的相关性在 350 730 nm 波段较强，相关系数分别在 -0.91 和-0.92 以上，最高达 -0.97 和-0.98；其它波段相关性相对较弱。开花吐丝期 T（ N）和 Chl（ a+b）与叶片光谱反射率在 3501 100 nm 波段的相关性与前两个时期明显不同。在 510 720 nm 波段， T（N）、 Chl（ a+b）与叶片光谱反射率呈现负相关关系，但 T(N) 与叶片光谱反射率的相关性比 Chl（a+b）与叶片光谱反射率的相关性强。而在其他波段均表现为极强的正相关关系，相关系数最

36、高达到 0.98 和 1.00。成熟期这三个农学参数与光谱反射率的关系与开花吐丝期基本相似， T（N）、Chl（a+b）与叶片光谱反射率的相关程度与开花吐丝期相比总体上减弱，相关系数最高为 0.87 和 0.88。同样，在 520730 nm 波段，二者与叶片光谱反射率为负相关关系，但相关性较开花吐丝期有所增强。 T（N）与叶片光谱反射率在 610 nm 处相关系数达 -0.99， Chl（ a+b）与叶片光谱反射率在 660 nm 处相关系数达 - 0.93。综上所述，春玉米叶片氮素和叶绿素的光谱诊断波段在拔节期、喇叭口期、开花吐丝期和成熟期分别为450 740、350730、7601 10

37、0 和 7601 100 nm。这说明可见光波段适合于玉米生育前期的叶片氮素和叶绿素的光谱诊断，而后期的光谱诊断应选用近红外波段较为适宜。 2.6 光谱指数的建立经过上述相关分析，考虑到可见光波段在实际应用中的方便，本文选择可见光范围内相关性较强的两个波段，将这两个波段的光谱反射率相加和取对数后相加，然后分别与叶片叶绿素含量和全氮含量建立函数关系（表 5）。结果表明，生育前期，在相同波段下叶片叶绿素含量和全氮含量与光谱反射率达到极显著相关，而后期则表现为与光谱反射率达到较显著相关。总的来讲，叶片叶绿素含量和全氮含量与光谱反射率或其衍生变量存在幂函数或指数函数关系，并且方程拟合度在 0.870.

38、98 之间，表明存在较高的拟和关系。值得一提的是，两个波段的光谱反射率取对数加和后，其与叶片叶绿素含量和全氮含量建立的方程拟合度比取对数前得到不同程度的增强。表明光谱反射率经过对数处理后提高了对叶绿素和全氮含量的判别精度。这样可以在玉米的不同生育时期，在获取这些光谱变量后对其叶绿素和氮素营养状况进行估测。表 5 不同生育时期叶片叶绿素含量和全氮含量与光谱变量的函数关系Table 5 Functions of the spectra variables and leaf chlorophyll content and total nitrogen content生育时期 Development

39、stage光谱变量 Spectra variabbes叶绿素 /全氮Chlorophyll/Total nitrogen 叶绿素 Chlorophyll全氮 Total nitrogen 叶绿素 Chlorophyll 全氮 Total nitrogen 叶绿素 Chlorophyll 全氮 Total nitrogen 叶绿素 Chlorophyll 全氮 Total nitrogen 叶绿素 Chlorophyll 叶绿素 Chlorophyll 全氮 Total nitrogen 全氮 Total nitrogen 叶绿素 Chlorophyll 叶绿素 Chlorophyll 全氮 T

40、otal nitrogen 全氮 Total nitrogen方程 Equation y=4638.2x-2.2884y=9025.6x-6.0172y=759.65x-6.8471y=1170.6x-0.0293xy=8.9635e-0.0269xy=4.9812e-1.6515xy=186.46e-1.5064xy=79.049e0.802xy=0.0009e7.7569xy=6E-05e-2.3363y=2006.7x-5.979y=113.59x-0.3382xy=871.16e-7.1053xy=1E+06e-1.5486y=196.77x-1.819xy=71.916e-2.014

41、8拟合度Determine coefficient R2=0.9414R2=0.8951 R2=0.9477 R2=0.9044 R2=0.9835 R2=0.9642 R2=0.9764 R2=0.9513 R2=0.9525 R2=0.9731 R2=0.9123 R2=0.9156 R2=0.8873 R2=0.871 R2=0.966 R2=0.9697拔节期 R537+R717 Shooting stagelgR537+lgR717 喇叭口期 R557+R717 Trumpet stagelgR557+lgR717 开花吐丝期 R417+R677 Anthesis silking s

42、tage lgR417+lgR677 R582+R702 lgR582+lgR702 成熟期 R657+R687 Dough stage lgR657+lgR687R607+R697 lgR607+lgR6973 讨论本文研究了春玉米整个生育期叶片叶绿素含量和叶片全氮含量的变化，并利用高光谱技术对其叶片的光谱反射率进行了监测，而且将这两个农学参数和光谱参数作了对应分析。前人研究表明，植物叶片中的叶绿素的含量和植株体内的氮素含量密切相关（尤其当植株缺氮时） 15 19，本文研究结果与其基本一致，11 期 王 磊等：不同氮处理春玉米叶片光谱反射率与叶片全氮和叶绿素含量的相关研究 2275值得指出的

43、是在玉米整个生育期叶绿素和叶片氮含量的相关性呈单峰曲线变化，但在成熟期二者几乎无相关性，可能是此时期叶片衰老，叶绿体解体的缘故。因此用叶绿素含量估算植株含氮量时应注意植物的生育时期。本研究指出，春玉米叶片氮素和叶绿素的光谱诊断波段在拔节期、喇叭口期、开花吐丝期和成熟期分别为450 740、350730、 7601 100 和 7601 100 nm。这说明可见光波段适合于玉米生育前期的叶片氮素和叶绿素的光谱诊断；而后期的光谱诊断应选用近红外波段较为适宜。在玉米生育后期，尤其在开花吐丝期，近红外波段叶片光谱反射率与叶片叶绿素和含氮量的相关性极强，而其中内在机理有待于进一步研究。无论是单一波段还是

44、两个波段组合的光谱变量，它们与叶绿素和全氮的拟和方程的拟合度在喇叭口期是最大的，这说明喇叭口期是春玉米叶绿素状况和氮素营养的光谱响应最为敏感的时期。结果发现，两波段组合的光谱变量（尤其在对数处理后）与叶绿素和全氮的拟和方程的拟合度比单一波段与之建立的方程的拟合度要大的多。说明多波段组合光谱变量更适合叶绿素和全氮含量的判别。这与 Daughtry20 和 Walburg4 等研究的结果是一致的。原因可能是单一波段光谱反射率容易被背景反射或者叶面积指数的变异所混淆干扰，因此，应寻找对叶绿素和氮素敏感并且能使影响叶片或冠层反射的背景因素最小化的光谱指数来监测叶片叶绿素和氮素状况。需要指出的是，目前叶

45、片光谱大都采用积分球的方法测定，比较精确而本试验是采用探头直接对准叶片测定的，这样会因背景不一致而易产生误差；另外，光谱测定过程中受太阳辐射、气溶胶、水蒸汽等环境因素的影响，因此本文结果需要进一步验证和修正。量能够指示作物的氮素营养状况，并且在光谱维上有敏感波段。那么作物体内其它营养元素的状况，是否也与作物的代谢产物相对对应，并且能在光谱维上找到与之对应的敏感波段？是否可以利用这些敏感波段来监测和诊断作物的营养状况。这有待于进一步研究。References1白由路，金继运，杨俐苹，张宁，王 磊 . 低空遥感技术及其在精准农业中的应用.土壤肥料， 2004, (1): 3-6.Bai Y L,

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52、上也是玉米氮素营养的敏感时期；同时也是利用可见光波段的叶片光谱反射率评价叶片氮和叶绿素状况较为可靠的时期。显然这是玉米生理需肥规律在光谱上的反映。研究表明在拔节期和大喇叭口期叶片叶绿素和全氮含量呈极显著的正相关关系，利用绿峰处叶片最大光谱反射率反演叶绿素含量和全氮含量的精度均为：喇叭口期>拔节期 >开花吐丝期。由此表明，叶绿素含2276中国农业科学38卷农业生物学报 , 2003，22(3): 189-194.Tang Y L, Wang X Z, Wang R C. Study on the hyperspectral and their red edge characteris

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