不同氮素水平下超高产夏玉米冠层的高光谱特征

Acta Ecologica Sinica

不同氮素水平下超高产夏玉米冠层的高光谱特征

陈国庆1，齐文增1，李振1，王纪华2，董树亭1，张吉旺1，刘鹏1，*

（1．山东农业大学农学院，作物生物学国家重点实验室，山东省作物生物学重点试验室，山东泰安271018；

2．国家农业信息化工程技术研究中心，北京100001）

摘要：为明确超高产夏玉米冠层高光谱特性，对不同生育期、不同氮肥处理下普通玉米与超高产夏玉米冠层高光谱特性进行了比较；对超高产夏玉米冠层高光谱反射率及其衍生的植被指数与干物质积累、叶绿素含量间的相关性进行了分析。结果表明，不同生育期，超高产夏玉米近红外波段的高光谱反射率均大于普通玉米，且在生育后期变化缓慢。开花期与灌浆期之间，出现“红边平台”现象，生育后期红边位置“蓝移”变化量显著小于普通玉米。随着施氮量的增加，超高产夏玉米冠层高光谱反射率及红边位置变化不大，而红边幅值与红边面积呈逐步增大趋势。在相关性分析中，由950、760、810、870nm构成的各类植被指数及红边幅值、红边面积与超高产夏玉米干物质积累量间的相关性最好，红边位置λred可用于估算叶绿素总量、叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素的含量。不同氮肥下，超高产夏玉米冠层高光谱特征与普通玉米相比具有较大差异，研究结果能为超高产夏玉米生理特性的研究提供支持。

关键词：超高产夏玉米；氮素；高光谱

Analysis of hyperspectral on super high-yielding maize under different nitrogen levels

CHEN Guoqing1，QI Wenzeng1，LI Zhen1，WANG Jihua2，DONG Shuting1，ZHANG Jiwang1，LIU Peng1，*

1State Key Laboratory of Crop Biology，Shandong Key Laboratory of Crop Biology，College of Agronomy，Shandong Agricultural University，Tai'an271018，China

2National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture，Beijing100001，China

Abstract：Agricultural hyperspectral remote-sesing approaches have been proposed for the study of crop growth and development．The objective of this study was to clarify the hyperspectral on super high-yielding summer maize and give support to the study on super high-yielding maize growth．The experiment was conducted in the growing season of summer maize in2009at the Corn Research Centre of Huanghuaihai，Shandong Agricultural University．The experiment included two cultivars（DH661and ZD958）and four levels of nitrogen（N）application（0，150，300and450kg/hm2respectively）．The differences of hyperspectral canopy reflectance between super high-yielding maize and general maize，the relativity between hyperspectral canopy reflectance and dry matter accumulation，chlorophyll content were analyzed．The results showed that the reflectance at near-infrared wavebands of super high-yielding summer maize was higher than that of general maize and slower change in the later growth period．It was related to the higher dry matter accumulation and chlorophyll content of high-yielding maize in the later growth period．Hyperspectral canopy reflectance of super high-yielding maize showed an increasing trend with the increases of nitrogen fertilizer．The difference under different level was not significant due to the higher fertilizer-bearing and less sensitivity of chlorophyll content to nitrogen fertilizer．The double-peak phenomena for red edge parameters of super high-yielding was similar to that of general maize and showed a decreasing trend with the change of development period．There was a red edge platform'phenomenon for the position of red edge between

基金项目：公益性行业（农业）科研专项（200803037）；国家科技支撑计划项目（2006BAD02A13-2-2，2007BAD31B04）；国家自然科学基金项目（30871476，30900876）；山东省良种工程项目（鲁农良种字2008-6号）

收稿日期：2010-10-05；修订日期：2010-10-08

*通讯作者Corresponding author．E-mail：liup@sdau．edu．cn6306生态学报30卷

flowering period and filling period．It showed that super high-yielding maize had a longer growth vigorous period than that of general maize．The blue shift of position of red edge was similar to that of general maize，but its change was less than that of general maize．Meanwhile，red edge slope（D red）and red edge area（S red）were higher than that of general maize under different nitrogen levels．Some hyperspectral wavebands were chose to calculate RVI（Ratio Vegetation Index），DVI （Difference Vegetation Index）and NDVI（Normalised Difference Vegetation Index），the correlation between the vegetation index and dry matter accumulation above ground and chlorophyll content was analyzed．The results indicated that the correlation between many vegetation index and dry matter accumulation above ground were significant（r（0．01，30）= 0.513）．Among these vegetation indices，the NDVI with four bands（760nm，810nm，870nm，and950nm respectively）was the best to predict the dry matter accumulation of super high-yielding maize．The correlation between vegetation index with visible wavebands（510nm，560nm，and710nm），near-infrared bands（810nm，870nm，950nm），and chlorophyll content was significant．Meanwhile，the significant correlation between position of red edge and chlorophyll content，chlorophyll a content，chlorophyll b content，carotenoid content was showed．The correlation between red edge slop，red edge area，and dry matter accumulation of super high-yielding was significant．The results also showed that red edge slop and red edge area could be used to predict chlorophyll content and chlorophyll a content of super high-yielding maize．Overall，the hyperspectral canopy reflectance had a large difference between super high-yielding maize and general maize．The hyperspectral canopy reflectance and position of red edge of super high-yielding maize were not sensitive with the increases of nitrogen fertilizer．The results could give support to the study of physiological property of super high-yielding maize．

Key Words：super high-yielding maize；nitrogen；hyperspectral

作物冠层光谱分析对作物生长信息的快速获取，生长诊断及精确管理均具有重要的意义，已经成为作物研究的重要领域。国内外学者已经在小麦［1-2］、水稻［3-5］、棉花［6-7］、油菜［8-9］等作物上进行了深入研究。在玉米光谱分析方面，谭昌伟等［10］对不同条件下夏玉米的冠层反射光谱特性进行了分析。张俊华［11］对不同施肥条件下夏玉米光谱特征与叶绿素含量和LAI的相关性进行了研究。赵巧丽［12］应用冠层反射光谱对玉米LAI 和地上干物重进行了估测研究。Hatfield和Carlson［13］研究了不同群体结构玉米冠层的光谱。Thenkabail 等［14］研究了玉米冠层特征与高光谱植被指数的关系。Daughtry等［15］研究了玉米叶片和冠层光谱反射率与叶绿素含量的关系。Pattey等［16］用高光谱方法来监测玉米长势。以上研究均仅局限于普通玉米品种，但针对超高产夏玉米冠层光谱特征的研究却鲜见报道。

超高产玉米为产量高、抗逆性强、品质好的玉米品种。2005年李登海利用超高产夏玉米品种DH661创造了19452．9kg/hm2的全国高产纪录。王永军［17］研究表明，灌浆特性及良好的冠层结构是其高产的重要原因。2006—2008年全国共有80块高产田单产超过15000kg/hm2，其中品种和增加密度是其产量突破的重要原因。伴随种植密度的增加，高产田冠层结构的变化动态与普通生产田已发生较大变化。研究超高产夏玉米冠层光谱特性对其高产特性的研究具有重要的意义。本文以超高产夏玉米田为平台，研究超高产夏玉米生长发育过程中的冠层光谱特征及其对氮素的响应，以期为超高产夏玉米高产栽培提供理论依据。

1材料与方法

1．1试验设计

试验于2009年在山东农业大学黄淮海区域玉米技术创新中心进行。供试品种为登海661（DH661）（该品种于2005年创造了单产19452．9kg/hm2的夏玉米高产记录，2006年产量为18045kg/hm2，2007年产量为18439kg/hm2）和郑单958（ZD958），6月14日播种，种植密度为75000株/hm2。共设置4个氮素（肥料为尿素）水平，分别为0、150、300、450kg/hm2纯氮，分别记为N0、N10、N20、N30。试验采用裂区设计，重复4次。其中氮素水平为主区，品种为裂区，小区长20m、宽7．5m。除氮素外施用P2O5105．0kg/hm2，K2O315kg/hm2，田

间管理按照高产田的标准进行良好管理。

1．2

测定项目及方法1．2．1冠层高光谱反射率测量

玉米群体冠层光谱测定采用美国Analytical Spectral Device （ASD ）公司生产的FiledSpecPro FR2500型背

挂式野外高光谱辐射仪。ASD 高光谱仪的波段范围为350—2500nm ，

其中350—1000nm 光谱采样间隔为1.4nm ，光谱分辨率为3nm ；1000—2500nm 光谱采样间隔为2nm ，光谱分辨率为10nm 。光谱获取与农学采样

时间同步，

选择晴朗无云或少云的天气当日的为10：00—14：00时间段进行（太阳高度角大于45ʎ），测量时探头垂直向下，距冠层垂直高度1m 。每小区测量3点，每点重复20次，取平均值作为该小区的光谱测量值。

1．2．2取样方法

在小口期、

大口期、开花期、灌浆期、乳熟期期和成熟期取样，取样时间与冠层高光谱反射率测量同步。光谱测定完后，每个小区在光谱测定区域取代表性植株3株，破坏性取样进行生物量测定。植株杀青后80ħ烘

干至恒量，

测定植株地上部干物质量。参照Arnon 方法叶片叶绿素含量［20］，使用双通道紫外-可见分光光度计（UV-2450型，日本岛津）比色。

2

结果与分析2．1超高产夏玉米与普通玉米干物质积累及叶绿素含量的变化

由图1可以看出，随着氮肥的增加，两个夏玉米品种的干物质积累与叶绿素含量均呈现升高的趋势。灌

浆期（9月9日）前，

DH661品种的干物质要小于ZD958，但灌浆期后，DH661的干物质要大于ZD958。而超高产品种DH661的叶绿素含量要大于ZD958，

特别是在生育后期，差异更明显

。图1

不同氮肥条件下夏玉米干物质积累与叶绿素含量Fig．1Dry matter accumulation and chlorophyll content of two maizes at different nitrogen

2．2不同生育期超高产夏玉米与普通玉米高光谱反射率变化

以150kg /hm 2纯N 处理下冠层多光谱反射率为例，分析不同生育期超高产夏玉米冠层反射率的变化（图

730622期陈国庆等：不同氮素水平下超高产夏玉米冠层的高光谱特征

2）。两个玉米品种冠层反射光谱的形状及随发育期推进的变化趋势相同。在400—680nm 范围内，开花期（8月11日）后随着生育期的推进高光谱反射率升高，在成熟期（10月4日）之前，两个品种高光谱反射率差异不

大，

在成熟期，ZD958反射率略高于DH661，可能是由于DH661在成熟期绿叶面积较大，光合能力较强，对红光和蓝光的吸收较强，

其反射率逐渐降低，促使绿色波段形成的反射峰较低。在近红外波段（700—1300nm ）的光谱反射率随生育进程变化较大。2个品种均是开花期（8月11日）冠层反射率达到最大，随后逐渐降低。

由图2可以看出，在每个生育时期，DH661的高光谱反射率均大于ZD958，其差异主要由于超高产夏玉米与普

通玉米冠层结构的不同

。

图2

不同生育期超高产夏玉米冠层高光谱反射率Fig．2Hyperspectra reflectance of super high yield maize at different growth stage

2．3不同施氮水平下超高产夏玉米与普通玉米冠层高光谱反射率的变化

以开花期为例，分析超高产夏玉米在不同施氮水平下冠层高光谱反射率的特征（图3）。总体上看，

2个玉米品种冠层高光谱反射率的变化趋势是相同的，

随着施氮量的增加，各个波段冠层反射率均呈现升高的趋势。但DH661的冠层高光谱反射率要高于ZD958。以可见光区域550nm 及近红外区域800nm 反射率为例，DH661冠层高光谱反射率与ZD958相比分别高7．5%和6．2%。同时，在近红外区域，普通玉米品种ZD958在不同施氮水平下的光谱反射率间的差异要明显大于DH661

。

图3不同氮水平下玉米开花期的冠层高光谱反射率Fig．3Hyperspectral reflectance of canopy for maize under different nitrogen levels at flowering stage

2．4不同生育期超高产夏玉米与普通玉米红边参数

以150kg /hm 2纯N 处理下冠层多光谱反射率为例，分析不同生育期红边参数的变化（图4）。“红边”是

指680—760nm 的红光区外叶绿素吸收减少部位到近红外高反射肩之间，健康植物的光谱响应陡然增加的这

8306生态学报30卷

一窄条带区，是植物所独有的光谱特征，蕴涵着大量的植被信息。描述“红边”的最重要参数有红边位置（λred ，红边范围内一阶导数光谱最大值所对应的波长）、红边幅值（D red ，又称红边斜率，红边范围内一阶导

数光谱的最大值）、

红边面积（S red ，680—760nm 之间的一阶导数光谱所包围的面积）。由图4可知，超高产夏玉米品种DH661与普通玉米品种ZD958冠层光谱的红边均具有

“双峰”现象，这与前人的研究一致［18］。随着生育期的推移

，“双峰”现象逐渐减弱。DH661冠层光谱的红边随着生育期的推进变化较小，而ZD958冠层光谱的红边变化较大，特别是在成熟期（10月4日）700nm 处光谱反射率陡然升高，明显高于DH661，可能与成

熟期ZD958叶片衰亡严重，

叶绿素及冠层结构发生变化有关

。图4

不同生育期玉米冠层光谱的红边Fig．4The red edge of canopy spectra for maize at different stage

图5

不同生育期玉米冠层光谱红边参数的变化Fig．5The change of parameters of red edge of canopy spectra with growth for maize

由图5可知，2个品种开花前红边位置的变化是一致的，呈“红移”现象。开花后，

ZD958红边位置迅速呈“蓝移”现象，且变化较大。DH661品种从8月11日（开花期）到8月21日（灌浆期）红边位置保持不变，呈“红边平台”现象，表明超高产夏玉米品种的生长旺盛期要长于普通玉米品种。灌浆期后红边位置开始呈现“蓝移”现象，但变化较缓。由红边幅值及红边面积可以看出，随着生育期的推移，两个品种均呈现降低趋势，成熟期最低，且DH661的红边幅值及红边面积均高于ZD958。

2．5不同N 肥处理下超高产夏玉米与普通玉米红边参数

由图6可知，

在不同的氮肥处理下，两个玉米品种冠层的红边变化规律相同，没有出现“双峰”减弱或增强的现象。

930622期陈国庆等：不同氮素水平下超高产夏玉米冠层的高光谱特征

图6

不同氮肥水平玉米冠层光谱的红边Fig．6The red edge of canopy spectra for maize under different nitrogen levels

由图7可以看出，随着施氮量的增加，两个品种的红边位置（λred ）基本保持不变。随着施氮量的增加，DH661的红边幅值（Dred ）与红边面积（S red ）均呈现稳步升高的趋势。对于ZD958，虽然不同氮肥处理有有所

变化，

但总体上看，其红边幅值（D red ）与红边面积（S red ）随着施氮量的增加，呈现升高的趋势。同时，在每个氮肥处理下，

DH661的红边幅值（D red ）与红边面积（S red ）均明显高于ZD958

。图7

不同氮肥水平玉米冠层光谱红边参数的变化Fig．7The change of parameters of red edge of canopy spectra for maize under different nitrogen level

2．6超高产夏玉米冠层反射特征与干物质积累及叶绿素含量的相关性

参考多光谱波段，

从高光谱波段中选择部分波段，进一步对其组合构成的比值植被指数、归一化植被指数及差值植被指数与地上部干物质积累量的相关性进行分析（图8）。结果表明，不同植被指数与地上部干物质

积累量均达到了较好的相关性，

绝大多数植被指数的相关性均达到了显著水平（r （0．01，30）=0．513）。总体上看，

与归一化植被指数（NDVI ）的相关性最好，其次是差值植被指数（DVI ）。从图8中可以看出，由950、760、810、870nm 构成的各类植被指数与超高产夏玉米地上部干物质积累量的相关性达到了极显著水平。由

叶绿素含量与各植被指数的相关性（图9），

可见光波段（510，560，710）与近红外波段（810，870，950）构建的各类植被指数与叶绿素含量的相关性较高。其中以RVI （510，

560）、RVI （510，710）、RVI （760，810）、RVI （760，870）、DVI （610，680）、DVI （760，950）、NDVI （510，710）、NDVI （760，810）表现较好，相关系数达到了0．8以上。

2．7超高产夏玉米红边参数与干物质积累、叶绿素含量的相关性

进一步对各红边参数与干物质积累量、叶绿素含量间的相关性进行分析（表1）。结果表明，红边位置

0406生态学报30卷

图8DH661地上部干物质积累量与比值植被指数（A ）、差值植被指数（B ）及归一化植被指数（C ）的相关系数

Fig．8

Correlation coefficients of above-ground dry matter accumulation to RVI （A ），DVI （B ）and NDVI （C ）of

DH661

图9DH661叶绿素含量与比值植被指数（A ）、差值植被指数（B ）及归一化植被指数（C ）的相关系数Fig．9

Correlation coefficients of chlorophyll content to RVI （A ），DVI （B ）and NDVI （C ）of DH661

（λred ）与叶绿素总量、叶绿素a 、叶绿素b 及类胡萝卜素之间均有很好的相关性，达到了显著水平。而红边幅值（D red ）、

红边面积（S red ）与干物质积累之间有很好的相关性，达到了极显著水平。另外，红边幅值（D red ）、红边面积（S red ）与DH661的叶绿素总量及叶绿素a 之间达到了显著相关，而与ZD958之间的相关性不显著。因此，可用红边参数D red 、S red 来估算超高产夏玉米干物质积累量，用红边位置λred 估算叶绿素总量、叶绿素a 、叶绿素b 及类胡萝卜素的含量。3

讨论

超高产夏玉米紧凑的株型、耐密性，底层叶片对光的弱敏感性以及生育后期的高保绿性［17］

都决定了其冠

层高光谱特性与普通玉米冠层高光谱特性的差异。王永军

［17］

研究表明，超高产夏玉米冠层结构紧凑，生育后

期叶面积衰亡小，叶片保绿性强。从本文研究结果看，在不同生育期，特别是在生育后期，超高产夏玉米冠层高光谱反射率均高于普通玉米品种，

因此良好的冠层结构及生育后期较高的叶绿素含量是其冠层光谱特性与普通玉米差异的重要原因。而在不同的密度及不同的种植模式（大小行距、等行距）下，超高产夏玉米冠层高光谱反射率是否还遵循这一规律，

仍需进一步的研究。1

40622期陈国庆等：不同氮素水平下超高产夏玉米冠层的高光谱特征

Table1Correlation coefficients of the parameter of red edge to dry matter accumulation（DM），chlorophyll content（n=30）

DM

Dry matter DH661ZD958叶绿素a+b含量

Chlorophyll（a+b）

content

DH661ZD958

叶绿素a含量

Chlorophyll a

content

DH661ZD958

叶绿素b含量

Chlorophyll b

content

DH661ZD958

类胡萝卜素含量

Carotenoid

content

DH661ZD958

红边位置

Position of red

edge（λred）

0．05－0．310．69＊＊0．75＊＊0．58*0．72＊＊0．73＊＊0．76＊＊－0．69＊＊－0．79＊＊

红边幅值

Red edge slope

（D red）

－0．88＊＊－0．83＊＊－0．47*0．20－0．51*0．22－0．42*0．16－0．12－0．60＊＊

红边面积

Red edge area

（S red）

－0．88＊＊－0．84＊＊－0．49*0．14－0．52*0．17－0．44*0．10－0．08－0．52

在不同的N肥处理下，超高产夏玉米冠层的高光谱反射率均高于普通玉米。随着施氮量的增加，超高产夏玉米冠层在近红外区域的高光谱反射率呈增大的趋势，这与前人的研究结果相同［19］。但随着施氮量的增加，超高产夏玉米品种冠层的高光谱反射率在可见光区域及近红外区域并没有发生较大的变化。郭曼［19］研究表明在可见光区域（400—760nm）玉米叶片光谱反射率与叶片含氮量具有相关性。而随着施氮量的增加，超高产夏玉米叶片的含氮量并没有显著增加，表明超高产夏玉米与普通玉米相比对施氮反应不敏感。因此在不同施氮量下玉米冠层光谱特性方面，超高产夏玉米与普通玉米的差异，可能与超高产夏玉米较强的耐肥性有关。

红边处在红光区域和近红外区域的过渡地带，包含信息量非常丰富，许多研究者对此区域光谱进行了分析计算［7，18，20］。本研究表明，开花后，超高产夏玉米品种的红边位置与普通玉米品种存在明显的差异。超高产夏玉米红边“蓝移”变化较缓慢，且在开花期与灌浆期之间存在“红边平台”现象，而唐延林［21］研究表明普通玉米不存在这一现象。其原因可能是由于超高产夏玉米的生长旺盛期要明显长于普通玉米，其主要表现为叶片平均饱和光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度均高于普通玉米［17］。超高产夏玉米红边幅值及红边面积随着施氮量的增加呈上升趋势，表明红边幅值及红边面积可监测超高产夏玉米含氮量的变化。

由各波段组合的植被指数、红边参数与干物质积累、叶绿素含量间的相关性结果可知，950、760、810、870nm构成的各类植被指数与干物质积累的相关性最好，可用于超高产夏玉米地上部干物质积累的估算。而红边位置（λred）可用于估算超高产夏玉米叶绿素总量、叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素的含量。

4结论

超高产夏玉米的冠层高光谱特性与普通玉米相比存在较大差异，特别是在生育后期差异更明显。同时，超高产夏玉米冠层高光谱反射率与红边位置随着施氮量的增加表现为弱敏感性。研究结果对超高产夏玉米生理特性的研究提供了支持。但本研究只是在一个生态区完成，在不同的生长条件或种植模式下，超高产夏玉米冠层高光谱的特性是否遵循这一规律仍需进一步研究。

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40622期陈国庆等：不同氮素水平下超高产夏玉米冠层的高光谱特征