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氮素是作物生长必须的营养元素之一。如何快速、实时、无损的获取和诊断小麦长势状况,进而精确运筹氮肥是当今智慧农业研究的热点。本研究以不同年份、生态点、小麦品种、氮梯度等田间试验,采用高光谱遥感技术、生理生化指标测试技术等,系统分析了不同栽培因子条件下小麦冠层光谱特征与植株生长参数间的关系,构建了小麦叶片氮积累量（Leaf nitrogen accumulation,LNA）、植株氮积累量（Aerial nitrogen accumulation）的定量监测模型;分析了小麦不同器官生物量及氮含量的动态变化特征,构建了基于干物质增长的小麦不同器官临界氮浓度稀释模型（Critical nitrogen concentration,Nc）、氮营养指数模型（Nitrogen nutrition index,NNI）和氮素亏缺模型（Accumulative nitrogen deficit,Nand）;确立了基于光谱指数法和氮素营养指数法的小麦追氮调控模型。预期结果为小麦精确氮肥管理提供了理论依据。本文在综合分析小麦冠层垂直角度观测的光谱特征基础上,研究了小麦叶片氮积累量与光谱参数间的定量关系。结果表明:在常规参数中DIDA和SDr/SDb与LNA的关系最密切,拟合决定系数R2分别为0.816和0.807,均方根误差RMSE分别为1.707和1.767。基于红边吸收特性和红边面积算法所构建的新型光谱参数（移动红边吸收面积,sREA）,方程拟合效果得到明显改善,R2为0.831,RMSE为1.556,可以更好地表达叶片氮素营养状态及变化。经不同年份独立数据的检验结果表明,以sREA模型预测叶片氮积累量的精度最高,其中R2、RMSE和平均相对误差RE分别为0.814,1.905和16.2%。新型植被指数sREA可以对小麦叶片氮积累量进行有效监测。系统分析了不同观测角度下植株氮积累量与多个植被指数的定量关系,提取对植株氮积累量反映敏感的观测角度,从而确立植株氮积累量定量监测模型。结果表明,植被指数在后向观测角度的表现整体优于前向观测角度。无论后向或前向观测角度,植株氮积累量与17个常规植被指数间R2均随着观测角度的降低而增加,在后向-10°达到最大值。在常规参数中,DIDA和DDn与植株氮素积累量的关系最密切。利用红边特征及面积算法构建的新型植被指数（修定型右峰面积指数,mRPA）可以更好的估测植株氮积累量,其显著降低了不同试验因子的影响效应,在-20°至10°观测角度范围内可以建立统一监测模型。利用独立数据检验,mRPA监测小麦植株氮积累量的精度最高,模型的适应性和可靠性较好。将mRPA监测模型与斯坦福方程耦合,构建出了基于光谱指数法的小麦追氮调控模型,该结果为遥感技术在作物氮肥精确管理上的应用提供了技术支持。在明确小麦不同器官（叶片、茎秆、植株）干物质质量和氮浓度随不同灌水、施氮水平及生育进程的变化规律基础上,依据Justes创建的临界氮浓度稀释模型方法,分别构建了小麦不同器官的临界氮浓度稀释模型（Nc）、氮营养指数模型（NNI）和氮素亏缺模型（Nand）。结果表明:小麦各器官的临界氮浓度与生物量之间均符合幂函数关系(N=aDW-b),当生物量相同时,各器官均表现为灌水处理的临界氮浓度值高于不灌水处理。各器官Nc模型的拟合精度（R2）均表现为灌水处理高于不灌水处理。氮营养指数随着施氮量增加而增大,能够很好地判别植株氮素丰缺状况。NNI与氮亏缺值（Nand）呈显著的线性负相关关系,其中,植株的R2最高（0.775）,其次为叶片（0.747）,茎秆最低（0.675）。将氮素亏缺模型与肥料贡献率和氮肥利用率相结合,构建出了基于氮营养指数法的小麦追氮调控模型,能够精确量化小麦生长过程中的氮肥实时供应量,有利于小麦节氮增效。科学氮肥管理的目的在于最大限度的提高作物产量和降低环境风险。在分析不同氮素水平条件下小麦植株氮积累量与土层硝态氮含量随生育进程变化模式基础上,结合小麦植株根系与土壤硝态氮在0-100 cm空间变化,系统分析了小麦植株需氮和土壤供氮之间的关系。结果表明,植株氮积累量和土壤硝态氮均随着施氮量的增加而增加。土壤硝态氮随着土层深度增加而减少,且随着生育期推进逐渐向下移动。根重密度随着施氮量的增加呈单峰趋势,当施氮量为90 kg hm-2,根重密度达到最大值。根系主要分布在0-60 cm土层（占80%以上）;20-60 cm根重占根系总重的30%。植株氮积累量的净增量与土壤硝态氮的净增量之间存在极显著的相关性,营养敏感期拔节-开花期最佳的相关性出现在20-60 cm（R2=0.402-0.431）,成熟期在20-80 cm（R2=0.474）。本试验中综合考虑小麦产量、硝态氮残留量以及氮素利用率,提出黄淮南片高产小麦灌溉条件下推荐施氮量为180-270 kg hm-2。