王樂(lè)，吳楊煥，李杰，楊平，柴順喜，陳銳，馬富裕

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832003；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第六師農(nóng)科所，新疆五家渠 831300)

棉花株高變化動(dòng)態(tài)分析及模型研究

王樂(lè)1，吳楊煥2，李杰1，楊平1，柴順喜1，陳銳1，馬富裕1

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832003；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第六師農(nóng)科所，新疆五家渠 831300)

棉花；相對(duì)株高；相對(duì)有效積溫；聚類(lèi)分析；歸一化；Richards函數(shù)

0 引 言

【研究意義】棉花作為新疆地區(qū)主要的經(jīng)濟(jì)作物，2015年種植面積達(dá)190×104hm2左右，總產(chǎn)量350×104t左右，分別占全國(guó)的50%、62%。隨著新疆棉花種植產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，全國(guó)已形成“世界棉花形勢(shì)看中國(guó)，中國(guó)棉花市場(chǎng)看新疆”的局面[1]。近年來(lái)，隨著新疆棉區(qū)機(jī)械化、規(guī)?；a(chǎn)的推廣，與之配套的田間管理措施，如灌溉、施肥、化控等都存在盲目性[2,3]，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施帶來(lái)不便，明確新疆地區(qū)棉花株高動(dòng)態(tài)變化與溫度的關(guān)系，可以實(shí)時(shí)掌握棉花生長(zhǎng)發(fā)育狀況，及時(shí)采取相應(yīng)的栽培措施，為棉花精準(zhǔn)、高效、高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)株高的模擬研究中，以有效積溫、相對(duì)有效積溫、生理發(fā)育時(shí)間、每日熱效應(yīng)等為變量，研究了株高與有效積溫、相對(duì)株高與相對(duì)有效積溫、株高和生理發(fā)育時(shí)間等的關(guān)系，分別在冬小麥、紫花苜蓿、馬鈴薯等多種作物上建立了株高動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[4-12]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】相關(guān)研究對(duì)棉花精準(zhǔn)管理具有重要指導(dǎo)意義。但關(guān)于棉花多品種間相對(duì)株高與相對(duì)有效積溫的研究，目前還未見(jiàn)報(bào)道。新疆產(chǎn)棉區(qū)，無(wú)霜期短、日照充足、晝夜溫差較大，有利于棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的形成。棉花屬于典型的喜溫作物，其生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量的形成，受品種、栽培措施及環(huán)境等的綜合影響，而棉花的長(zhǎng)勢(shì)長(zhǎng)相，則是一種直觀的綜合反應(yīng)的結(jié)果。因此，看苗管理是棉花種植栽培的一種重要措施。其中，株高是苗情診斷中最為直接的、最易獲取的指標(biāo)之一[13]。而株高變化受內(nèi)外因素的共同調(diào)控，在外界因素中，影響株高增長(zhǎng)最主要的因子為溫度[14]。通過(guò)分析多品種間株高生長(zhǎng)與有效積溫的關(guān)系，利用歸一化處理的方法及聚類(lèi)分析法量化了品種間相對(duì)有效積溫與相對(duì)株高的關(guān)系，可以有效地預(yù)測(cè)棉花株高動(dòng)態(tài)變化[5,15]?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】通過(guò)品種試驗(yàn)，研究品種間有效積溫與株高動(dòng)態(tài)變化之間的關(guān)系，獲取氣象數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)不同品種棉花株高變化，為棉花的精準(zhǔn)管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試品種為新疆多年主栽棉花品種，共29個(gè)品種，分早熟品種和中早熟品種，包括：新陸早7號(hào)、 新陸早8號(hào)、 新陸早10號(hào)、新陸早13號(hào)、新陸早17號(hào)、新陸早18號(hào)、新陸早19號(hào)、新陸早20號(hào)、新陸早23號(hào)、新陸早25號(hào)、新陸早26號(hào)、新陸早27號(hào)、新陸早30號(hào)、新陸早35號(hào)、新陸早36號(hào)、新陸早37號(hào)、新陸早38號(hào)、新陸早46號(hào)、新陸早47號(hào)、新陸早49號(hào)、新陸早58號(hào)、新陸早62號(hào)、新陸中14號(hào)、新陸中32號(hào)、新陸中36號(hào)、新陸中37號(hào)、新陸中48號(hào)、新陸中60號(hào)和中棉所49號(hào)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年4～10月在石河子大學(xué)試驗(yàn)站(44°20′N(xiāo)，86°3′E)進(jìn)行，小區(qū)面積為7 m×5 m=35 m2，采用1條薄膜下鋪3條滴灌帶灌溉3行棉花，按照76 cm等行距方式種植，種植密度為24×104株/hm2，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)。于2015年4月21日進(jìn)行膜上點(diǎn)播種植，4月27日灌出苗水，棉花全生育期內(nèi)施氮量400 kg/hm2，氮肥運(yùn)籌為基肥施用25%，花鈴施肥65%，盛鈴期施肥10%，P2O5150 kg/hm2和K2O 75 kg/hm2做基肥一次性施入，其他田間管理措施均按大田栽培管理要求。表1

1.2.2 模型檢驗(yàn)

試驗(yàn)于2014年4～10月在石河子大學(xué)試驗(yàn)站，供試材料為新陸早1號(hào)、新陸早6號(hào)、新陸早33號(hào)、新陸早45號(hào)、新陸早48號(hào)、魯棉研24號(hào)。種植密度、種植模式及田間管理方式同于2015年。

表1 棉花灌水施肥方案
Table 1 The scheme of irrigation and fertilization in cotton

灌水次數(shù)Irrigationtimes灌水量Irrigationquantity(m3/hm2)N(kg/hm2)P2O5(kg/hm2)K2O(kg/hm2)1600100150752156150032341500431230005312300063514500739060008780600097803000103901500111170001278000合計(jì)450040015075

1.2.3 測(cè)試項(xiàng)目

1.2.3.1 株高測(cè)量及相對(duì)株高計(jì)算

從棉花三葉期開(kāi)始，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的5株棉花，掛牌標(biāo)記，每隔7 d測(cè)量一次株高(子葉節(jié)至主莖生長(zhǎng)點(diǎn)的距離)，至棉花打頂后株高不變時(shí)，停止測(cè)量。相對(duì)株高(RH)的計(jì)算用(1)式來(lái)表示。

(1)

其中，Hi為每次測(cè)量株高，Hmax為株高測(cè)量最大值。

1.2.3.2 相對(duì)有效積溫(RGDD)計(jì)算

相對(duì)有效積溫(Relative Growing degree day, RGDD)是指棉花生產(chǎn)到達(dá)某一生育階段所需的有效積溫與棉花出苗至打頂時(shí)期內(nèi)總有效積溫(取1 031.15℃)的比值。其中有效積溫(Growing degree day，GDD)是指平均溫度大于12℃的溫度的總和。計(jì)算方式如下：

(2)

式中，Tav為棉花播種后第id的平均溫度，計(jì)算方法：

(3)

式中，Tb為發(fā)育下限溫度，這里取12℃。Tm為發(fā)育上限溫度，Tmax為日最高溫度，Tmin日最低溫度。棉花生長(zhǎng)階段發(fā)育限性溫度為表2所示[16]：

表2 棉花各發(fā)育時(shí)期的三基點(diǎn)溫度
Table 2 Critical temperatures at different growth periods of cotton

生育期DevelopmentstagesTb(℃)To(℃)Tm(℃)播種-出苗Sowingtoemergence142640出苗-現(xiàn)蕾Emergencetosquaring172635現(xiàn)蕾-開(kāi)花Squaringtoanthesis192835開(kāi)花-吐絮Anthesistoopening132635

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、聚類(lèi)分析和LSD多重比較，用Origin 8.5和CurveExpert 1.4進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和擬合，繪制模擬模型圖、1∶1直線(xiàn)圖等。

模型檢驗(yàn)通常采用根均方差(Root mean squared error，RMSE)法，對(duì)模型模擬值與觀測(cè)值進(jìn)行比較,分析擬合度高低，公式如下：

(4)

式中：Oi為真實(shí)值，Si為模擬值，i為樣本號(hào)，n為樣本容量。在模型檢驗(yàn)過(guò)程中，RMSE值越小，表明模擬值與觀測(cè)值間的偏差越小，模型的預(yù)測(cè)精度則越高。也可通過(guò)1∶1直線(xiàn)及其回歸方程決定系數(shù)(R2)直觀展示模擬值與實(shí)測(cè)值的精確度。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花株高動(dòng)態(tài)變化特征

研究表明，不同品種間棉花的生長(zhǎng)發(fā)育存在差異，但在棉花生育期內(nèi)，隨著有效積溫的累積，各棉花品種株高動(dòng)態(tài)都符合相似的變化規(guī)律，即前期緩慢增長(zhǎng)、中期快速增長(zhǎng)、后期趨于平緩的Richards方程。在播種后72 d(有效積溫GDD為1 031.15℃)時(shí)，為控制棉花長(zhǎng)勢(shì)，進(jìn)行人工打頂后，棉花株高基本保持不變。圖1

圖1 有效積溫與株高的關(guān)系
Fig.1 The relationship between GDD and plant height

為進(jìn)一步精確的說(shuō)明各品種棉花株高的變化特征，將各品種棉花株高最大值和有效積溫最大值分別作為1，進(jìn)行歸一化處理(圖2)，得到所有棉花品種的相對(duì)株高(RH)與相對(duì)有效積溫(RGDD)，并對(duì)相對(duì)株高進(jìn)行了聚類(lèi)分析(圖3)，將29個(gè)品種的相對(duì)株高分為3大類(lèi)，第Ⅰ類(lèi)含新陸早38號(hào)、新陸中32號(hào)、新陸早18號(hào)、新陸早26號(hào)、新陸早27號(hào)、新陸中48號(hào)、新陸中60號(hào)、新陸早23號(hào)、新陸中14號(hào)、新陸早35號(hào)、新陸早47號(hào)、新陸中36號(hào)、中棉所49號(hào)、新陸中37號(hào)，共14個(gè)品種，此類(lèi)棉花在三葉期(有效積溫值為283.94℃、棉花相對(duì)株高值小于0.14)至十一葉期(有效積溫值為710.8℃、棉花相對(duì)株高值小于0.7)，株高生長(zhǎng)速率較慢；第Ⅱ類(lèi)含新陸早58號(hào)、新陸早49號(hào)、新陸早10號(hào)、新陸早62號(hào)、新陸早20號(hào)、新陸早37號(hào)、新陸早13號(hào)、新陸早25號(hào)、新陸早30號(hào)、新陸早36號(hào)、新陸早17號(hào)、新陸早19號(hào)、新陸早7號(hào)，13個(gè)品種，此類(lèi)棉花在三葉期(棉花相對(duì)株高值在0.14～0.18)至十一葉期(棉花相對(duì)株高值在0.7～0.8)，株高生長(zhǎng)速率較快；第Ⅲ類(lèi)新陸早8號(hào)、新陸早46號(hào)，2個(gè)品種，此類(lèi)棉花在三葉期(棉花相對(duì)株高值大于0.18)至十一葉期(棉花相對(duì)株高值大于0.8)，株高生長(zhǎng)速率最快。利用處理后的數(shù)據(jù)，棉花相對(duì)株高的數(shù)值在0～1，消除不同品種間自然株高的遺傳差異性，有助于建立適用于所有品種的株高動(dòng)態(tài)模擬模型。圖2，圖3

圖2 棉花群體相對(duì)株高隨出苗后相對(duì)有效積溫的變化
Fig.2 Changes of relative plant height with relative GDD after emergence

圖3 品種聚類(lèi)
Fig.3 Cluster figure of the tested varieties

2.2 棉花株高模型建立

將2015年三類(lèi)棉花品種的株高、有效積溫處理數(shù)據(jù)利用Curve Expert1.4軟件進(jìn)行擬合曲線(xiàn)，建立基于棉花相對(duì)株高(RH)與相對(duì)有效積溫(RGDD)的統(tǒng)計(jì)模型，每類(lèi)棉花品種得到了模擬效果較好的5個(gè)模型。利用求極限值分析篩選的方法，即：當(dāng)x→∞時(shí)，y→1；研究表明，第Ⅰ類(lèi)14個(gè)棉花品種的模擬模型2、4、5；第Ⅱ類(lèi)13個(gè)棉花品種的模擬模型1、3、4、5和第Ⅲ類(lèi)2個(gè)棉花品種模擬模型1、2、3、4的 11個(gè)模擬模型中相對(duì)株高的模擬值均不符合棉花打頂后株高生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)；在第一類(lèi)模擬模型1、3中，當(dāng)x=0時(shí)，模型1的相對(duì)株高模擬值較模型3符合棉花出苗時(shí)相對(duì)株高值。因此，三類(lèi)均選Richards模型作為棉花相對(duì)株高的動(dòng)態(tài)模擬模型。其通式為：y=a/(1+exp(b-cx))1/d，式中，x為相對(duì)有效積溫RGDD，y為相對(duì)株高RH；參數(shù)a為最大相對(duì)株高值，b為相對(duì)株高初始值，c為相對(duì)株高增長(zhǎng)率參數(shù)，d為形狀參數(shù)。當(dāng)x=0時(shí)，y=a/(expb)1/d，即棉花出苗時(shí)相對(duì)株高；當(dāng)x=1時(shí)，y=a/(1+exp(b-c))1/d，a/(1+exp(b-c))1/d即為棉花打頂后棉花相對(duì)株高值，且方程只有一個(gè)峰值。說(shuō)明Richards模型能夠?qū)γ藁ㄖ旮呱L(zhǎng)進(jìn)行較合理的解釋?zhuān)ㄟ^(guò)該模擬方程可以計(jì)算出棉花打頂之前生長(zhǎng)階段的相對(duì)株高值。表3

所有品種棉花相對(duì)株高與相對(duì)有效積溫的擬合曲線(xiàn)，對(duì)應(yīng)的模擬方程為：

通過(guò)該方程，利用株高測(cè)量日期內(nèi)的最大有效積溫值和最大株高值可較好地?cái)M合出任意相對(duì)有效積溫對(duì)應(yīng)的相對(duì)株高，及時(shí)掌握棉花株高的動(dòng)態(tài)變化。圖4

圖4 基于Richards函數(shù)的棉花相對(duì)株高與相對(duì)有效積溫動(dòng)態(tài)變化
Fig.4 Dynamic curve ofRHand RGDD in cotton based on Richards Function model

2.3 棉花相對(duì)株高動(dòng)態(tài)模型關(guān)鍵參數(shù)

根據(jù)三類(lèi)棉花品種相對(duì)株高與相對(duì)有效積溫的結(jié)果分析，將2015年各棉花品種相對(duì)株高與相對(duì)有效積溫分別建立模擬方程。研究表明，其相關(guān)系數(shù)r都在0.99以上，各模型中參數(shù)a值均趨于1，說(shuō)明相對(duì)化株高動(dòng)態(tài)模擬模型能夠?qū)γ藁ㄖ旮甙l(fā)展有較好的預(yù)測(cè)性；將各模擬方程參數(shù)b、c、d值進(jìn)行比較，研究表明，品種間b、c、d值變幅較大，充分反映不同品種棉花相對(duì)株高增長(zhǎng)速率不同，形狀參數(shù)d值是由棉花品種的遺傳特性決定。由此可見(jiàn)，不同品種棉花主要是通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)b、c、d值實(shí)現(xiàn)對(duì)棉花相對(duì)株高動(dòng)態(tài)模擬方程的調(diào)控。表4

2.4 棉花相對(duì)株高動(dòng)態(tài)模擬模型檢驗(yàn)

用2014年獨(dú)立試驗(yàn)得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)建立的模擬模型進(jìn)行檢驗(yàn)。將任意時(shí)刻的相對(duì)有效積溫代入三類(lèi)相對(duì)株高動(dòng)態(tài)模型通式(5)，就可以求出與之對(duì)應(yīng)的三個(gè)相對(duì)株高值(HR)，再進(jìn)一步將該生育期的株高測(cè)量最大值(HM)分別與HR相比就可獲得三個(gè)模擬株高最大值(Hs)，選擇和測(cè)量最大值最為接近的株高模擬值，與不同時(shí)期的HR相乘即可獲得相應(yīng)時(shí)期的株高模擬值。采用此方法，計(jì)算出2014年試驗(yàn)中不同相對(duì)有效積溫的株高動(dòng)態(tài)模擬值，然后與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較。模擬的決定相關(guān)系數(shù)R2為0.999 6，標(biāo)準(zhǔn)誤RMSE為1.699 8 cm，說(shuō)明模擬的準(zhǔn)確性和精確度較高，棉花相對(duì)株高動(dòng)態(tài)模擬模型能較準(zhǔn)確地反映棉花群體動(dòng)態(tài)變化。圖5

表4 不同品種的相對(duì)株高最佳模型參數(shù)
Table 4 Parameters of optimal model of relative plant height under different varieties

品種名稱(chēng)Varieties參數(shù) Parameterabcd相關(guān)系數(shù)r標(biāo)準(zhǔn)差SD新陸早38號(hào)0.998922.145628.92507.62040.99900.0197新陸中32號(hào)0.997131.476140.577411.03160.99860.0236新陸早18號(hào)1.001630.981740.544410.451500.99880.0222新陸早26號(hào)0.999116.393421.67315.37240.99870.0227新陸早27號(hào)0.993526.344634.59468.77130.99940.0154新陸中48號(hào)0.999638.566049.633813.33450.99970.0111新陸中60號(hào)0.996743.169254.532915.68210.99850.0235新陸早23號(hào)0.997419.764725.98316.18420.99920.0184新陸中14號(hào)0.999725.669233.29648.37330.99960.0127新陸早35號(hào)0.993140.598551.572913.26380.99950.0145新陸早47號(hào)0.999321.317327.23466.95640.99960.0132新陸中36號(hào)0.9988146.2267187.432946.04150.99980.0092中棉所49號(hào)0.995036.922346.869011.27180.99960.0138新陸中37號(hào)1.03219.406012.24592.93520.99940.0153新陸早58號(hào)0.989133.018541.251513.35060.99830.0240新陸早49號(hào)0.993853.176766.473421.87060.99800.0259新陸早10號(hào)0.999843.667955.781317.99250.99900.0185新陸早62號(hào)0.998853.095167.529721.64110.99670.0342新陸早20號(hào)1.00848.303111.84152.70680.99830.02480新陸早37號(hào)1.011810.360414.50563.37770.99850.0239新陸早13號(hào)1.000625.790933.18539.79800.99840.0238新陸早25號(hào)1.001319.975126.04867.60280.99830.0246新陸早30號(hào)1.016510.228713.91303.48850.99750.0304新陸早36號(hào)1.005383.34466.25484.32950.9990.030新陸早17號(hào)0.9929828.53381068.1568303.82960.99850.02354新陸早19號(hào)1.001128.400737.73249.77080.99910.0186新陸早7號(hào)1.04285.60748.45011.91120.99830.0234新陸早8號(hào)1.01308.880913.19843.43440.99850.0215新陸早46號(hào)1.01858.349012.33883.13080.99660.0331

圖5 株高觀測(cè)值與模擬值的比較
Fig.5 Comparison between plant height simulated value and plant height observed value In cotton

3 討 論

從不同棉花品種與相對(duì)有效積溫的調(diào)控兩個(gè)方面研究了不同品種間相對(duì)株高的動(dòng)態(tài)變化，采用聚類(lèi)分析法對(duì)試驗(yàn)栽培品種進(jìn)行了分類(lèi)并建立了相關(guān)的模擬模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，棉花不同品種間相對(duì)株高隨相對(duì)有效積溫的增加變化趨勢(shì)一致，適合Richards函數(shù)變化規(guī)律，建立的三個(gè)棉花相對(duì)株高動(dòng)態(tài)模擬模型能夠較好的模擬不同棉花品種株高的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。在模型建立過(guò)程中，通過(guò)對(duì)棉花群體的株高及生育期有效積溫進(jìn)行歸一化處理[5]，并采用聚類(lèi)分析的方法將29個(gè)棉花品種的相對(duì)株高值分為三大類(lèi)[15]，以此減小了品種間相對(duì)株高的變化差異。同時(shí)，該模型參數(shù)少、計(jì)算簡(jiǎn)便，建立與應(yīng)用過(guò)程中，只需獲取棉花株高測(cè)量日期內(nèi)的株高值及對(duì)應(yīng)的有效積溫值，便可較為準(zhǔn)確地模擬株高的動(dòng)態(tài)變化。

株高是棉花看苗診斷的重要觀測(cè)指標(biāo)[9]。棉花高產(chǎn)栽培，對(duì)理想株型有著一定的要求，而理想株型是通過(guò)調(diào)控棉花株高生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的，合適的株高變化能使棉花節(jié)間分布均勻，達(dá)到理想株型要求，并且可以有效地控制棉花生長(zhǎng)過(guò)快，棉花營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)朝著協(xié)調(diào)合理的方向發(fā)展。株高動(dòng)態(tài)變化規(guī)律對(duì)于確定采取對(duì)癥的調(diào)控措施、形成棉花高產(chǎn)群體結(jié)構(gòu)具有重要意義。

研究?jī)H是在水肥充足條件下，建立了棉花相對(duì)株高與相對(duì)有效積溫的關(guān)系模型并進(jìn)行了初步檢驗(yàn)，取得了較好的預(yù)測(cè)效果。但棉花株高生長(zhǎng)除受棉花熟性因素和水肥、密度、播期等栽培因素外，還受光照、溫度等生態(tài)因子的影響，這些綜合因素驅(qū)動(dòng)的棉花株高動(dòng)態(tài)模擬模型還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

將29個(gè)棉花品種的株高和有效積溫用相對(duì)株高與相對(duì)有效積溫表示，并將其分為三類(lèi)建立相對(duì)株高動(dòng)態(tài)模擬模型，第Ⅰ類(lèi)y=0.997/(1+exp(26.08-33.62x))1/8.66(r=0.997 6)；第Ⅱ類(lèi)：y=0.997/(1+exp(26.09-28.65x))1/8.41(r=0.996 7)；第Ⅲ類(lèi)：y=1.02/(1+exp(8.55-12.68x))1/3.25(r=0.997 3)。該模型可較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)不同類(lèi)棉花品種相對(duì)株高的動(dòng)態(tài)變化，為通過(guò)看苗診斷棉花生長(zhǎng)發(fā)育狀況提供了參考。

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