雷亞平，韓迎春，王國平，馮璐，楊北方，范正義，支曉宇，王占彪，熊世武，魏曉文，李亞兵

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南安陽455000）

棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)受結(jié)鈴時(shí)間、棉鈴所處空間部位以及棉株生理年齡影響[1]。棉花產(chǎn)量是單位面積成鈴數(shù)、鈴重、衣分的乘積[2]，其中鈴數(shù)對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為90%[3]。所以建立合理的成鈴結(jié)構(gòu)是提高棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)的1個(gè)重要方法。棉花蕾鈴脫落是生產(chǎn)中普遍存在的問題，多數(shù)陸地棉脫落率為60%～70%[4]，因?yàn)槊藁ǖ难a(bǔ)償效應(yīng)，花鈴的脫落不一定會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)[5]，但蕾鈴脫落影響棉鈴的時(shí)空分布。品種、光照、溫度、土壤水分、氮素等因素都對(duì)棉花蕾鈴生長發(fā)育和脫落有重要影響[6-9]，進(jìn)而影響棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，深入分析棉花的蕾鈴分布、脫落規(guī)律，掌握棉花生長發(fā)育特征對(duì)提高棉花單位面積產(chǎn)量和纖維品質(zhì)有十分重要的意義。

棉花株式圖是棉花生殖器官時(shí)空分布特征的描述，如何科學(xué)、快速、直觀地描述棉花株式圖分布特征，對(duì)了解棉花生長發(fā)育特征具有重要的意義。目前棉花科研工作中常用的棉花株式圖都是以符號(hào)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，其分布主要以人工統(tǒng)計(jì)結(jié)果為依據(jù)，按照?qǐng)A錐體株式圖歸類[4，10-11]。有關(guān)株式圖信息化的研究中，國內(nèi)僅見鄭曙峰通過數(shù)字與字母結(jié)合的方式記錄株式圖信息，并利用Foxpro語言編寫了計(jì)算機(jī)程序統(tǒng)計(jì)分析不同生育期棉花株式圖[12]；但其數(shù)據(jù)的錄入、瀏覽等僅能在程序提供的格式中進(jìn)行，使用者不能根據(jù)自己的需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，而且計(jì)算結(jié)果仍僅是手工簡單統(tǒng)計(jì)獲得的信息，不能反映各果節(jié)上生殖器官的生育情況。美國的棉花生產(chǎn)管理系統(tǒng)COTMAN中采用數(shù)字記錄各主莖枝第1果節(jié)蕾、鈴生殖器官的狀況來監(jiān)測棉花生育進(jìn)程，1表示蕾，2表示鈴，用0表示生殖器官脫落，僅依據(jù)第一果節(jié)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)脫落率等株式圖信息[13-14]。

棉花科研工作一般需要在棉花生長發(fā)育階段進(jìn)行多次株式圖調(diào)查，每次株式圖調(diào)查往往要求多點(diǎn)、多株，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)多而且統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)能反映不同品種、株型的生長發(fā)育特性，這就需要數(shù)據(jù)盡可能具體到不同果枝不同果節(jié)上，而目前在數(shù)據(jù)繁多的株式圖統(tǒng)計(jì)上沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，基本采用人工手動(dòng)統(tǒng)計(jì)，費(fèi)時(shí)耗力且容易出錯(cuò)。因此研究棉花株式圖信息化不僅能夠節(jié)省時(shí)間，提高準(zhǔn)確性而且能夠?yàn)榭蒲泄ぷ魈峁└釉敿?xì)的株式圖信息。本研究方法擬利用獨(dú)特的株式圖信息存儲(chǔ)方法，通過VB編程，快速、準(zhǔn)確展示棉花每一果枝不同節(jié)位蕾、花、鈴、絮、脫落等各項(xiàng)指標(biāo)的空間分布特征，為實(shí)現(xiàn)長勢(shì)監(jiān)測和科學(xué)調(diào)控提供依據(jù)。

表1 株式圖信息數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The digitizing standard of plant mapping information

1 株式圖信息數(shù)字化

1.1 株式圖信息數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)

株式圖信息的記錄方式一般有圖形符號(hào)、字母和數(shù)字3種，其中圖形符號(hào)記錄和統(tǒng)計(jì)最繁瑣。在以往研究的基礎(chǔ)上，為了方便、快捷地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，構(gòu)建了株式圖信息數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)（表1）。棉株上的營養(yǎng)枝用－1定義，果枝編號(hào)以其出現(xiàn)的順序用正整數(shù)1，2，3，…定義。棉株性狀信息中株高以厘米（cm）為單位的測量數(shù)據(jù)記錄，蕾、花、小鈴、大鈴、絮、爛鈴等性狀分別用數(shù)字1～6表示，如果脫落用數(shù)字7表示。

1.2 株式圖信息數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

株式圖調(diào)查結(jié)果數(shù)字化存儲(chǔ)時(shí)采用常用的Excel表格，表格包含年份、日期、處理、重復(fù)、株號(hào)、果枝、性狀7個(gè)字段（表2）。年份和日期字段記錄調(diào)查株式圖信息的時(shí)間；株式圖調(diào)查對(duì)象一般包括多處理多重復(fù)多棉株的不同果枝，處理、重復(fù)、株號(hào)和果枝字段記錄所調(diào)查棉株的對(duì)應(yīng)信息；性狀字段從左到右的每位數(shù)字記錄對(duì)應(yīng)果枝從第1果節(jié)開始向外每個(gè)果節(jié)上各生殖器官的性狀，其中果枝字段值為0的對(duì)應(yīng)性狀字段值表示株高。

表2 數(shù)字化株式圖信息存儲(chǔ)Table 2 The storage table of digitizing plant mapping information

1.3 株式圖信息統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

利用數(shù)字化的株式圖信息不僅可以計(jì)算傳統(tǒng)的株式圖指標(biāo)，而且可以計(jì)算出棉株中每個(gè)節(jié)位的蕾、花、幼鈴、成鈴、絮、脫落等生殖器官性狀出現(xiàn)的概率，以反映整個(gè)棉田群體的熟性及生長發(fā)育進(jìn)程。某果節(jié)生殖器官性狀發(fā)生概率計(jì)算公式式中Pij為第i果枝j果節(jié)生殖器官發(fā)生概率，n為調(diào)查總棉株數(shù)，nijk為第k株棉花i果枝j果節(jié)生殖器官發(fā)生與否，若發(fā)生記為1，若不發(fā)生記為0。

1.4 株式圖結(jié)果的自動(dòng)化與可視化

利用VB（Visual Basic）編程語言編制株式圖信息處理程序，首先將存儲(chǔ)株式圖信息的Excel表格數(shù)據(jù)自動(dòng)讀取，其次程序自動(dòng)列出表中存儲(chǔ)的處理名稱，使用者可根據(jù)需要選擇不同的處理和需要統(tǒng)計(jì)的項(xiàng)目，統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目包括株高和每個(gè)果枝各果節(jié)生殖器官性狀發(fā)生概率，最后程序根據(jù)選擇進(jìn)行處理，并輸出Excel形式和圖形化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。將Excel數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入Surfer軟件，繪制棉花各生殖器官性狀概率分布圖。

1.5 田間數(shù)據(jù)采集與分析

1.5.1 數(shù)據(jù)采集方法。2016年從中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所東場試驗(yàn)田 （河南省安陽市白璧鎮(zhèn)）的品種試驗(yàn)中采集數(shù)據(jù)，參試的10個(gè)品種（系）有短果枝品系（Short fruit branch line）、冀棉 228（Jim ian 228）、冀棉 958（Jim ian 958）、魯棉研 28（Lumianyan 28）、 中 113 （Zhong 113）、 中 3799（Zhong 3799）、 中棉所 60 （CCRI 60）、 中 6913（Zhong 6913）、 中棉所 79 （CCRI 79）、 中 915（Zhong 915）。在每個(gè)品種（系）處理3個(gè)重復(fù)的棉花群體中分別選取能代表群體長勢(shì)的連續(xù)10株棉花，掛牌標(biāo)記，于6月24日（蕾期）、8月3日（花鈴中期）、9月15日 （吐絮期）記錄各棉株株高、蕾、花、小鈴、大鈴、脫落、吐絮鈴、爛鈴的空間分布。

1.5.2 數(shù)據(jù)分析。按1.3～1.4方法進(jìn)行株式圖信息處理和數(shù)字化株式圖繪制。此外，利用Excel數(shù)據(jù)制作中3799、短果枝品系、中6913花鈴中期1～4果節(jié)生殖器官脫落概率分布圖和吐絮期所有品種（系）1～4果節(jié)成鈴概率分布圖，通過舉例展示形成的數(shù)字化信息的多種利用途徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 蕾期棉蕾的空間分布

選擇6月24日10個(gè)品種（系）數(shù)字化的棉花株式圖信息，分別統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表中30株棉花每個(gè)果枝各個(gè)果節(jié)的現(xiàn)蕾數(shù)量，進(jìn)一步計(jì)算出現(xiàn)蕾概率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，形成蕾期各品種現(xiàn)蕾概率分布圖（圖1）。分布圖顯示出，從冠層底部果枝到上部果枝，從內(nèi)圍果節(jié)到外圍果節(jié)，現(xiàn)蕾概率總體呈下降趨勢(shì)，這與棉花現(xiàn)蕾開花順序相符，但品種（系）間現(xiàn)蕾概率有差異。

2.2 花鈴期生殖器官及脫落的空間分布

圖1 蕾期不同品種棉株上現(xiàn)蕾概率的空間分布Fig.1 The distribution of square probability of different cotton varieties(strains)in the squaring stage

選擇8月3日10個(gè)品種（系）數(shù)字化的棉花株式圖信息，分別統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表中30株棉花每個(gè)果枝對(duì)應(yīng)性狀欄各個(gè)果節(jié)的生殖器官數(shù)量和脫落數(shù)量，進(jìn)一步計(jì)算出生殖器官發(fā)生概率與脫落概率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，形成花鈴期各品種（系）生殖器官發(fā)生概率與脫落概率分布圖（圖2、圖3）。從分布圖可看出：各品種（系）棉株上生殖器官空間分布呈現(xiàn)“下空型”特點(diǎn)，中下部果枝生殖器官出現(xiàn)概率小，脫落概率大，外圍脫落概率大于內(nèi)圍；品種（系）間生殖器官發(fā)生概率與脫落概率差異較大。

進(jìn)一步分析品種間不同果節(jié)生殖器官脫落概率變化差異。選取花鈴期中期中3799、中6913和短果枝品系3個(gè)品種（系）并制作其花鈴期脫落率的分布圖（圖4）。3個(gè)品種（系）均表現(xiàn)為中下部第1果節(jié)脫落概率最低，除第一果節(jié)外的其他果節(jié)從第7果枝以上脫落概率出現(xiàn)下降趨勢(shì)，小于下部果枝，這與生殖器官分布呈現(xiàn)“下空”特點(diǎn)相符。中3799各果節(jié)脫落概率明顯高于中6913和短果枝品系，中6913中下部第1、第2果節(jié)脫落概率低于中3799和短果枝品系。

圖2 花鈴中期棉株上所有生殖器官發(fā)生概率的空間分布Fig.2 The distribution of reproduction organs occurrence probability of different cotton varieties(strains)in the middle of flowering stage

2.3 吐絮期棉鈴的空間分布

選擇9月15日10個(gè)品種（系）數(shù)字化的棉花株式圖信息，分別統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表中30株棉花每個(gè)果枝各個(gè)果節(jié)的成鈴數(shù)量，進(jìn)一步計(jì)算出成鈴概率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，形成吐絮期棉株成鈴概率的空間分布圖（圖5）。吐絮期各果枝上果節(jié)成鈴概率由里到外遞減，近主莖果節(jié)成鈴概率高于遠(yuǎn)主莖果節(jié)，而各果枝上的成鈴概率在品種間存在較大差異。

圖3 花鈴中期棉株上所有生殖器官脫落概率的空間分布Fig.3 The distribution of reproduction organs shedding probability of different cotton varieties(strains)in the middle of flowering stage

進(jìn)一步通過10個(gè)品種（系）各果枝1～4果節(jié)成鈴概率分布分析具體差異點(diǎn)。各品種（系）均表現(xiàn)為第1果節(jié)成鈴概率最高，第4果節(jié)成鈴概率最低，其中中6913第1、第2果節(jié)成鈴概率明顯高于其他品種（系）且在各果枝間波動(dòng)較?。恢?799成鈴概率總體偏低，除第2果枝第1果節(jié)外，其余各果節(jié)成鈴概率均低于0.3（圖6）。

圖4 3個(gè)品種（系）花鈴中期1～4果節(jié)生殖器官脫落概率Fig.4 The reproduction organs shedding probability in 1st～4th node of three varieties(strains)cotton in the middle of flowering stage

3 討論

本研究提出1種棉花株式圖信息數(shù)字化方法，通過規(guī)定數(shù)字代表相關(guān)的棉花生長發(fā)育信息創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)化的株式圖信息存儲(chǔ)，以代表群體株式圖性狀的某果節(jié)生殖器官性狀發(fā)生概率為主要指標(biāo)，利用VB軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化株式圖信息數(shù)據(jù)進(jìn)行編程處理實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析及作圖，最后通過Surfer制作各生殖器官發(fā)生概率分布圖。

為驗(yàn)證此株式圖信息數(shù)字化方法的效果，利用該方法分析了10個(gè)品種（系）的不同生育時(shí)期主要生殖器官發(fā)生概率的分布特征，結(jié)果表明：蕾期各品種現(xiàn)蕾概率分布圖特點(diǎn)與棉花現(xiàn)蕾開花順序相符?；ㄢ徶衅诿藁ㄉ称鞴侔l(fā)生概率空間分布呈現(xiàn)“下空型”特點(diǎn)，吐絮期成鈴概率仍表現(xiàn)出“下空型”異常分布。本研究中花鈴中期棉花生殖器官發(fā)生概率為“下空型”，不同與正常年景的“中下部大于上部”[15-17]，主要原因是2016年7月份降雨較多，棉株發(fā)生旺長，過早封行，而棉蕾和幼鈴對(duì)漬水脅迫反應(yīng)敏感易脫落[8,18]，致使中下部果枝蕾鈴嚴(yán)重脫落。

可見，利用此株式圖信息數(shù)字化方法能夠準(zhǔn)確、直觀地描述蕾、鈴生長發(fā)育及脫落的時(shí)空分布特點(diǎn)，而且可詳細(xì)計(jì)算出各果枝不同果節(jié)上的概率變動(dòng)并生成趨勢(shì)圖。此方法的另一特性是利用Excel表存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使用者可以直接利用開發(fā)的VB程序打開并自動(dòng)分析處理，也可根據(jù)需要自行進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，簡便快捷。本方法的不足之處是利用Surfer形成分布圖時(shí)，需要在Excel中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行行列變換。

圖5 吐絮期棉株成鈴概率的空間分布Fig.5 The distribution of boll emerging probability of different cotton varieties(strains)in the opening boll stage

4 結(jié)論

采用本研究建立的方法能夠快速繪制多個(gè)品種不同生育期各生殖器官發(fā)生概率的時(shí)空分布圖和各果枝不同果節(jié)概率分布圖，可通過數(shù)字化信息直觀反映棉花的熟性及生長發(fā)育進(jìn)程，從而為科研工作和生產(chǎn)管理提供技術(shù)支持。

圖6 吐絮期10個(gè)品種（系）1～4果節(jié)成鈴概率Fig.6 The boll emerging probability in 1～4 position of different cotton varieties(strains)in the opening boll stage

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