劉永霞，連子豪，王麗霞，王安邦，殷曉敏，曹宏鑫，吳 斌，何應對

(1 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院海口實驗站，?？?，570102；2 江蘇省農(nóng)業(yè)科學院信息研究所，南京，210014)

全球香蕉產(chǎn)區(qū)分布廣泛，主要集中在南北緯20°之間的熱帶亞熱帶地區(qū)，2018年香蕉種植面積約565.4萬hm2，產(chǎn)量11 456.89萬t；中國香蕉種植面積約3.319萬hm2，位居世界第六，產(chǎn)量1 122.17萬t，產(chǎn)量及單產(chǎn)均居世界第二。我國是香蕉生產(chǎn)大國，也是香蕉消費大國，2016—2017年，中國香蕉進口額都穩(wěn)定在5.8億美元左右，2018年中國香蕉進口增長54%，達到8.96億美元，創(chuàng)歷史新高[1-2]。中國市場香蕉需求量不斷上升，而中國香蕉種植面積十分有限，且還有下降；另外，我國香蕉平均單產(chǎn)僅33.81 t/hm2，遠不及世界最高水平79.33 t/hm2，說明我國香蕉種植水平及產(chǎn)量水平仍有較大提升空間。香蕉對糧食有著巨大替代作用，并被聯(lián)合國糧農(nóng)組織認定為僅次于水稻、小麥、玉米的第四大糧食作物。可以說，在世界范圍內(nèi)，香蕉產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著巨大的經(jīng)濟和社會意義，因此，保持香蕉生產(chǎn)穩(wěn)定、持續(xù)增長對保障供給和促進農(nóng)民增收等具有十分重要的意義。

品種和配套技術(shù)是促進香蕉生產(chǎn)實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)與安全的重要因素，但不論是高產(chǎn)品種選育，還是配套技術(shù)提升，都與株形設計、調(diào)控密不可分，株形選擇是作物育種的重要內(nèi)容之一，每次品種更新和產(chǎn)量水平突破，除了抗逆性、抗病性外，都與株形創(chuàng)新密不可分[3]。

功能—結(jié)構(gòu)作物模型是國際上作物形態(tài)模型的最新方向，在水稻、小麥、油菜、玉米等作物上已有報道[3-18]，其主要特點是通過確定作物器官生物量與器官形態(tài)參數(shù)的定量關(guān)系及作物形態(tài)參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)模型和實現(xiàn)植株可視化。

關(guān)于香蕉功能—結(jié)構(gòu)模型的研究甚少，劉永霞等[19]研究了香蕉第三梳果實形態(tài)及與產(chǎn)量的關(guān)系，建立了回歸模型，但未分析單果指形態(tài)與生物量的關(guān)系；豐鋒等[20]研究了巴西蕉葉片農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量的關(guān)系，并建立回歸模型，但未涉及果指形態(tài)與果指生物量的關(guān)系；安佳佳等[21]研究了7個香蕉品種的葉長、葉寬與實測葉面積之間的關(guān)系，建立了回歸模型，但沒有研究葉片形態(tài)指標與生物量的關(guān)系。生物量作為香蕉果穗形態(tài)建成的物質(zhì)學和生物學基礎，為香蕉形態(tài)結(jié)構(gòu)建成提供了物質(zhì)基礎。本研究以香蕉果指生物量為尺度，通過分析香蕉果指主要形態(tài)參數(shù)與器官生物量的定量關(guān)系，建立香蕉果指主要形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)模型，以期促進功能—結(jié)構(gòu)香蕉模型的研究和應用。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2019年6月至2020年6月在海南省澄邁縣福山鎮(zhèn)豐西村實施不同肥水巴西蕉(MusaacuminataL.AAA group，cv.Cavendish )大田試驗，試驗蕉園面積共2 hm2。供試土壤pH值5.01，有機質(zhì)含量3.12%，全氮含量1.256 g/kg，有效磷26.69 mg/kg，速效鉀141 mg/kg。試驗設氮磷鉀肥3個因素，4個水平(見表1)，共14個處理，每處理100株，采用隨機區(qū)組排列，區(qū)組內(nèi)土壤、地形等條件一致，其他管理同大田高產(chǎn)栽培管理。

表1 香蕉氮磷鉀肥試驗方案

1.2 測定項目與方法

香蕉果指達七八成熟時，每處理選取代表性香蕉2株，參照農(nóng)作物種質(zhì)資源鑒定技術(shù)規(guī)程(香蕉)[22]中香蕉果指形態(tài)的測量方法測量每穗每梳香蕉外排果指外弧長(FO，不含果柄長)、果指內(nèi)弧長(FI，不含果柄長)、果指直徑(FD)、果柄長(SL)及果柄直徑(SD)，單位cm；果指鮮質(zhì)量(FW)用千分之一的天平稱量，單位g；果指體積(VO)采用排水法，單位cm3；果指干質(zhì)量(DW)采用烘干法，每果指分裝，105 ℃下殺青30 min，80 ℃烘至恒重，用千分之一的天平稱量，單位g。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 21.0與EXCEL 2017統(tǒng)計軟件處理與分析試驗數(shù)據(jù)。

1.4 模型構(gòu)建

借助系統(tǒng)分析和數(shù)理統(tǒng)計方法，尋求果指外弧長、果指內(nèi)弧長、果指直徑、果柄長、果柄直徑、果指體積與單果生物量的關(guān)系，建立和篩選單株質(zhì)量與果指主要幾何屬性關(guān)系模型。采用編號2、4、6、8、10、12、14處理的香蕉果指數(shù)據(jù)分析香蕉果實形態(tài)參數(shù)與產(chǎn)量間的相關(guān)和回歸分析，編號1、3、5、7、9、11、13處理的香蕉果指數(shù)據(jù)用于模型檢驗。

模型檢驗。采用根均方差RMSE (root mean square error)、平均絕對誤差da、平均絕對誤差與實測值平均值的比值dap等統(tǒng)計量, 并繪制實測值與模擬值的1∶1 關(guān)系圖，以檢驗模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型簡述

2.1.1 果指干質(zhì)量與果指主要幾何屬性相關(guān)關(guān)系分析 巴西蕉果指生物量干質(zhì)量與形態(tài)的Pearson相關(guān)系數(shù)分析見表1。結(jié)果可以看出，除了果柄長外，果指干質(zhì)量與果指內(nèi)弧長、外弧長、果指直徑、果柄直徑及果指體積均呈極顯著正相關(guān)。其中，果指干質(zhì)量與果指體積相關(guān)性最大，果指直徑次之。香蕉果柄長度范圍在2.1～2.3 cm之間，變化不大。

表2 巴西蕉果指干質(zhì)量與果指主要幾何屬性的相關(guān)關(guān)系分析

2.1.2 果指干質(zhì)量與果指主要幾何屬性關(guān)系模型 在相關(guān)分析基礎上，利用一次Linear、二次Quadratic、三次Cubic、生長Growth及指數(shù)Exponential等5種回歸模型對巴西蕉果指干質(zhì)量與果指內(nèi)弧長、外弧長、果指直徑、果柄長、果柄直徑及果指體積進行曲線數(shù)據(jù)擬合，擬合結(jié)果見表2。

以巴西蕉果指干質(zhì)量與果指內(nèi)弧長關(guān)系模型分析，F(xiàn)值除三次模型外均達顯著水平：一次模型的F值為214.618，p<0.000 1；二次模型的F值為105.519，p<0.000 1；三次模型的F值為70.133，p>0.05；生長函數(shù)的F值為207.937，p<0.000 1；指數(shù)函數(shù)的F值為207.937，p<0.000 1。因此除三次模型外的4個回歸方程均有統(tǒng)計意義。一次模型、二次模型、生長函數(shù)模型及指數(shù)函數(shù)4種回歸方程的相關(guān)系數(shù)分別為0.887、0.887、0.884、0.884；擬合最好的是一次模型和二次模型。比較方差分析的F值，一次模型的F值為214.618，最大，二次模型的F值較??；因此最佳模型為FI=8.386+0.267DW。

同理分析得出，巴西蕉果指干質(zhì)量與果指外弧長最佳模型為FO=12.407+0.330DW，果指干質(zhì)量與果指直徑最佳模型為FD=1.779+0.093DW，果指干質(zhì)量與果指體積最佳模型為VO=24.668+6.098DW，果指干質(zhì)量與果指果柄直徑最佳模型為SD=0.6+0.027DW。

表3 巴西蕉果指干質(zhì)量與果指主要幾何屬性關(guān)系模型比較

續(xù)表3

2.2 模型檢驗

利用2019—2020年數(shù)據(jù)對模型進行檢驗：分別輸入相應的巴西蕉果指內(nèi)弧長、果指外弧長、果指直徑、果指體積、果柄直徑等5個性狀指標的數(shù)據(jù)，可得到相應的果指干質(zhì)量模擬值。實測值與模擬值的1∶1關(guān)系圖表明，實測值與模擬值擬合效果均較好(見圖1)。由表4可以看出，果指內(nèi)弧長、果指外弧長、果指直徑、果柄直徑、果指體積實測值與模擬值的根均方差分別為1.926、2.665、0.322、0.202 cm，24.243 m3，dap值分別為8%、7%、8%、12%、8%，相關(guān)系數(shù)分別為0.864、0.855、0.903、0.806、0.955，均達極顯著水平。由此可見，上述量化方法可較好地模擬不同條件下香蕉果指的生物量干質(zhì)量。

3 結(jié)論與討論

我們利用一次Linear、二次Quadratic、三次Cubic、生長Growth及指數(shù)Exponential等5種回歸模型對巴西蕉果指干質(zhì)量與果指內(nèi)弧長、外弧長、果指直徑、果柄長、果柄直徑、果指體積進行擬合，篩選出香蕉果指干質(zhì)量與果指內(nèi)弧長、外弧長、果指直徑、果柄直徑、果指體積的最佳模型：Y=a+bX，所建模型可較好地模擬不同施肥水平下果指形態(tài)與果指干質(zhì)量關(guān)系，具有一定解釋性和普適性。

果梳數(shù)、果指數(shù)、果指長度、果指直徑及果指生物量是香蕉產(chǎn)量的構(gòu)成因素，其中單果形態(tài)是一個重要影響因素。果指形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)模型是香蕉結(jié)構(gòu)模型的主要組成部分，也是功能—結(jié)構(gòu)香蕉模型的重要研究內(nèi)容。本研究通過分析巴西蕉果指內(nèi)弧長、果指外弧長、果指直徑、果指體積、果柄直徑等5個性狀與果指生物量之間的定量關(guān)系，構(gòu)建了香蕉果指主要形態(tài)參數(shù)與生物量模型：Y=a+bX。其中，香蕉體積與生物量的擬合度最佳，方程的相關(guān)系數(shù)最大，為0.979；其次為果指直徑，方程的相關(guān)系數(shù)為0.907；果柄直徑與生物量的擬合模型的相關(guān)系數(shù)最小，為0.862。分析原因，用排水法測體積，一是體積本身包括了以上幾個指標，數(shù)值大；二是用排水法測體積，包容了物體的不規(guī)則性，誤差小；成熟的香蕉，果指長一般都達到19 cm及以上，在長度不變時，直徑每增加0.1 cm，就相當于增加了1個底面直徑0.1 cm、高19 cm的柱體，對生物量的影響也是極為顯著的。而果指直徑雖然隨著果指生長而增大，但變化范圍較少，在0.7～1.1 cm之間，對生物量的反應不如體積那么敏感。應用體積與生物量的模型估測的產(chǎn)量最佳，其次為果指直徑。

圖1 巴西蕉果指實測值與模擬值比較(2019—2020年)

表4 巴西蕉果指主要形態(tài)結(jié)構(gòu)模型觀察值與模擬值的統(tǒng)計參數(shù)

根據(jù)我國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T517—2002[23]，青香蕉的出口外觀等級規(guī)格為：優(yōu)等品飽滿度 75%～90%，梳形完整，每公斤果指數(shù)不超過8個，但不少于5個，果實長度20～28 cm，果指粗度不超過3.5 cm。因此，在使用模型指導生產(chǎn)時，還應遵從實際條件，在長度28 cm、果指直徑3.5 cm內(nèi)，體積值達到最大，即可提高果實外觀和品質(zhì)，又可保證產(chǎn)量，以便提高香蕉競爭力，給種植戶帶來更大效益。

鄧英毅等[24]研究表明，高溫促進不同香蕉果指生長，低溫則抑制香蕉生長。陳厚彬等研究[25]表明，香蕉果梳大小和果指數(shù)有較大差異，頭梳蕉往往偏大，尾梳蕉偏小，每穗香蕉中至少有首尾的2～3梳不符合上述出口標準。劉林等[26]研究表明，香蕉果指噴施氨基酸類葉面肥后，可顯著提高其第1、4、7梳果指質(zhì)量，噴施微量元素類葉面肥可顯著提高其第4、7梳果指質(zhì)量，進而顯著提高單株產(chǎn)量。因此，品種和配套技術(shù)是促進香蕉實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)與安全目標的重要因素。要提高香蕉產(chǎn)量和商品率，育種方面可以參考本文模型篩選香蕉適當?shù)墓搁L度和粗度的株形，栽培技術(shù)方面要探索最大產(chǎn)量需要的積溫、施肥種類、施肥時間及施肥量。

另外，香蕉果指形態(tài)結(jié)構(gòu)受品種特性、生態(tài)條件和栽培措施等多種因素影響，其形態(tài)結(jié)構(gòu)不僅影響香蕉的美觀度，也影響產(chǎn)量，更是決定了香蕉商品價值。本文根據(jù)不同栽培措施下的香蕉果指干質(zhì)量與果指農(nóng)藝性狀的關(guān)系所建立的模型，旨在獲得形態(tài)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化時的產(chǎn)量，兼顧香蕉外觀和商品價值；以生物量為因變量，既能使香蕉生長模型與形態(tài)模型相結(jié)合，也能通過香蕉干質(zhì)量響應品種和環(huán)境條件差異，為建立功能—結(jié)構(gòu)香蕉模型奠定了基礎。

本研究僅初步探討了不同施肥條件下香蕉果指幾何形態(tài)與生物量的關(guān)系，暫未涉及果指的形態(tài)空間分布，也未涉及不同品種、不同水分條件下香蕉果指變化，有待進一步研究。下一步將研究以生物量為紐帶下的施肥水平與植株葉、莖、果指形態(tài)的關(guān)系，既能使香蕉生長模型與形態(tài)模型相結(jié)合，也能通過香蕉干質(zhì)量響應品種和環(huán)境條件差異，以建立香蕉功能—結(jié)構(gòu)理想模型。