盆栽青貯玉米植株鮮重估算模型研究

高贏磊，郄志紅，吳鑫淼，姚佳賓

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001)

0 引 言

地上生物量是評(píng)價(jià)青貯玉米等飼料作物的階段長(zhǎng)勢(shì)和最終產(chǎn)量的重要指標(biāo)。此外，在灌溉試驗(yàn)中常常采用盆栽的稱重法和蒸滲儀測(cè)定法，通過(guò)水量平衡[1-3]得到某一階段作物的騰發(fā)量，而忽略期間作物鮮重的變化，這對(duì)蒸散發(fā)量的計(jì)算精度產(chǎn)生一定影響。一般測(cè)定鮮重需要將作物刈割后再進(jìn)行稱重，在不同生育時(shí)期測(cè)定時(shí)需要破壞植株。

基于試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果，分析生育期內(nèi)作物鮮重與主要外觀可測(cè)農(nóng)藝性狀的關(guān)系，進(jìn)而建立鮮重估測(cè)模型可以有效避免破壞性試驗(yàn)，提高灌水下限的確定精度及騰發(fā)量的計(jì)算精度。

趙居生[4]測(cè)量了青貯玉米不同生育期營(yíng)養(yǎng)成份、生物產(chǎn)量，分析了變化規(guī)律并提出了適宜的收獲期，但沒有分析株重與其他因素的相關(guān)性，而大部分學(xué)者關(guān)注于青貯玉米成熟收獲時(shí)期鮮重產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀的關(guān)系，如雷志剛[5]、魯珊[6]、胡巍[7]、Nemati A[8]、李波[9]等人均得出了青貯玉米最終鮮重產(chǎn)量與株高、穗位、莖粗、葉面積、穗粒數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系的結(jié)論；王得賢[10,11]在田間試驗(yàn)中，分別分析了白馬牙玉米各生育階段單葉面積、單葉干鮮重與植株鮮重的相關(guān)關(guān)系，提出了用單葉面積速測(cè)單株青貯玉米地上生物量及用單葉鮮重速測(cè)青貯玉米地上生物量的方法，給出了一元線性回歸公式，需要測(cè)量的項(xiàng)目少，方法簡(jiǎn)便，但未分析不同青貯玉米品種間的差異，亦未從更多的農(nóng)藝性狀中優(yōu)選回歸變量。本文旨在分析正常管理?xiàng)l件和不損傷植株的前提下，考慮不同品種的差異性，基于試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選回歸變量，建立不同生育時(shí)期的植株鮮重動(dòng)態(tài)估測(cè)模型，并據(jù)此修正基于稱重法和水量平衡的土壤含水量計(jì)算公式和騰發(fā)量計(jì)算公式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)地點(diǎn)位于河北保定河北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田，地理坐標(biāo)為N38°51′，E115°28′，屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12 ℃，年降雨量500 mm。試驗(yàn)作物品種分別為青貯5102，宏瑞101，津貯100品種青貯玉米，供試品種生育期劃分采用以整個(gè)試驗(yàn)田50%以上的植株進(jìn)入該生育時(shí)期為標(biāo)志的方法，詳見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于7月15日在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田開始播種，分為盆栽試驗(yàn)和田間試驗(yàn)兩部分。田間試驗(yàn)按青貯玉米品種分為3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為6 m2，小區(qū)間相距1 m，小區(qū)內(nèi)玉米株距為38 cm，土壤為試驗(yàn)田耕層土，未處理前土壤含水量為15.10%。盆栽試驗(yàn)采用單株種植方法，三個(gè)試驗(yàn)品種各種植25盆，種植時(shí)盆栽也按品種進(jìn)行分小區(qū)排列種植，區(qū)距、株距與田間試驗(yàn)相同。盆缽規(guī)格為盆徑38 cm，盆深40 cm的聚氯乙烯塑料盆，每盆裝土15 kg[12]，土壤質(zhì)地為營(yíng)養(yǎng)土與普通土按1∶3比例配制的混合土，與耕層土營(yíng)養(yǎng)成分相似，未處理前土壤含水量為11.04%。統(tǒng)一調(diào)整土壤墑情，至土壤含水量20%，播種深度為5～6 cm，每盆或每株施復(fù)合肥7 g作種肥，拔節(jié)期追施1次N肥5 g，待幼苗長(zhǎng)至三葉期后定苗開始取樣測(cè)定。全生育期盆栽共灌水12次，每次灌水量15 mm，田間青貯玉米共灌水8次，每次灌水量20 mm，拔節(jié)期和抽雄吐絲期等需水高峰期灌水頻率較高，苗期和成熟期灌水周期較長(zhǎng)。另外，在青貯玉米生育期間，采用盆栽試驗(yàn)的稱重法計(jì)算青貯玉米的騰發(fā)量，稱重法是在間隔一段時(shí)間的兩次測(cè)量，利用電子秤測(cè)定整個(gè)盆栽的質(zhì)量變化，根據(jù)水量平衡方程來(lái)估算間隔時(shí)段內(nèi)的騰發(fā)量:

ET=I+P+Q+ΔW

(1)

式中：ET表示間隔時(shí)段內(nèi)青貯玉米的騰發(fā)量；I表示間隔時(shí)段內(nèi)的灌溉量；P表示間隔時(shí)段內(nèi)的降水量；Q表示間隔時(shí)段內(nèi)地下水的滲漏或補(bǔ)充；ΔW表示間隔時(shí)段內(nèi)土壤的重量變化量。

1.3 主要性狀測(cè)定方法

盆栽試驗(yàn)過(guò)程中，青貯玉米植株的鮮重?zé)o法直接測(cè)量，植株可直接測(cè)量的、有代表性的農(nóng)藝性狀有株高、莖粗、葉面積、綠葉片數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粗。株高和莖粗是反映植株生長(zhǎng)特征的重要指標(biāo)。葉面積是植株的形態(tài)指標(biāo)，葉面積的大小是植株光合特性的直接表征因素[13]，影響植株的干物質(zhì)積累情況。植株綠葉數(shù)和穗的長(zhǎng)、粗可以較直觀地反映出青貯玉米的生長(zhǎng)情況。在盆栽青貯玉米生長(zhǎng)期間，在7月25日每個(gè)品種隨機(jī)取樣7株，之后各生育時(shí)期進(jìn)行一次取樣。在苗期和成熟期的相同時(shí)間點(diǎn)上，田間青貯玉米每個(gè)品種隨機(jī)取樣6株，取樣方法為分層隨機(jī)取樣法。將樣品取回試驗(yàn)室，記錄時(shí)間和生育期，測(cè)定樣品主要性狀。

單株鮮重測(cè)定：在盆栽中將青貯玉米連根取出，將根部用水洗凈晾干，測(cè)量實(shí)時(shí)鮮重。

株高、穗長(zhǎng)測(cè)定：分別采用卷尺進(jìn)行測(cè)量，株高為地面上高度，穗長(zhǎng)為除去苞葉長(zhǎng)度。

葉面積測(cè)定：葉位的確定是按照Pearce[14]的方法，即從青貯玉米的最頂層開始，自上而下進(jìn)行葉片排序，最頂層為第一葉。葉面積的測(cè)定按照Montgomery法[15]進(jìn)行計(jì)算，即單葉面積=葉長(zhǎng)×最大葉寬×0.75，累計(jì)求和得整株青貯玉米總?cè)~面積。

莖粗、穗粗測(cè)定：分別采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量，玉米莖粗為植株莖基部第三節(jié)見最寬處直徑[16]，穗粗設(shè)定為帶苞葉的穗中部粗度，以保證不損傷植株。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析方法

運(yùn)用SPSS軟件和EXCEL軟件分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在每個(gè)生育時(shí)期每個(gè)品種選取的7株盆栽青貯玉米數(shù)據(jù)中隨機(jī)選擇5株進(jìn)行回歸建模，剩余2株進(jìn)行模型驗(yàn)證，同時(shí)36株田間青貯玉米數(shù)據(jù)也用做模型驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種對(duì)青貯玉米主要性狀的影響

本試驗(yàn)中供試玉米品種分別為青貯5102、宏瑞101、津貯100，其生育時(shí)期較為接近。為反映青貯玉米的品種差異對(duì)所測(cè)性狀的影響程度，對(duì)不同品種青貯玉米的農(nóng)藝性狀測(cè)定結(jié)果進(jìn)行差異性分析，分析結(jié)果見表2。

由表2中數(shù)據(jù)分析可知，3個(gè)品種在不同生育時(shí)期的總鮮重和莖粗上并無(wú)顯著差異，而在苗期的總?cè)~面積、拔節(jié)期和抽穗期的株高上看，津貯100與其他兩個(gè)品種存在顯著或極顯著的差異，宏瑞101則是在成熟期的總?cè)~面積上存在顯著差異。

表2 不同品種各生育時(shí)期農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)表Tab.2 Data table of agronomic characters of different varieties in each growing period

這表明品種對(duì)于本次試驗(yàn)的結(jié)果存在一定的影響，因此分析青貯玉米在植株總鮮重和性狀的相關(guān)關(guān)系時(shí)，存在顯著性差異的測(cè)定結(jié)果有必要考慮品種所帶來(lái)的影響。

2.2 不同生育時(shí)期植株總鮮重與測(cè)定農(nóng)藝性狀的關(guān)系

本試驗(yàn)中，所測(cè)農(nóng)藝性狀有青貯玉米株高、莖粗、綠葉片數(shù)、每片葉的葉面積、總?cè)~面積，以及抽穗期開始的穗長(zhǎng)、穗粗、穗重。為反映本次試驗(yàn)中測(cè)定的不同時(shí)期農(nóng)藝性狀以及不同品種，各自對(duì)相應(yīng)生育時(shí)期的鮮重的影響，對(duì)其進(jìn)行偏相關(guān)分析，即固定其他農(nóng)藝性狀不變，以消除其他農(nóng)藝性狀的影響，分析某一農(nóng)藝性狀與鮮重的相關(guān)性。植株最頂層的葉片記為葉1，自上而下以此類推，偏相關(guān)系數(shù)與相關(guān)系數(shù)顯著情況見表3、4。

由表3、表4中數(shù)據(jù)分析可知，不同品種對(duì)苗期和成熟期的總鮮重有較明顯的影響作用，對(duì)拔節(jié)期和抽穗期影響不大。不同時(shí)期總鮮重與所測(cè)部分性狀存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明所測(cè)性狀的變化能影響植株總鮮重的大小。在其他性狀保持相對(duì)穩(wěn)定的情況下，苗期株高和總?cè)~面積，拔節(jié)期莖粗、抽穗期總?cè)~面積、成熟期第六葉葉面積將會(huì)直接影響各生育時(shí)期的植株總鮮重。青貯玉米成熟期穗重與植株總鮮重的相關(guān)性極強(qiáng)，但在估測(cè)鮮重時(shí)，不能將玉米穗摘下稱重，故在做回歸分析時(shí)應(yīng)去除穗重項(xiàng)。

表3 不同生育時(shí)期植株總鮮重與各性狀相關(guān)系數(shù)表Tab.3 Correlation coefficient table of total fresh weight and various characters in different growth periods

注：*.在0.05水平上顯著相關(guān)**.在0.01水平上顯著相關(guān)。

表4 不同生育時(shí)期植株總鮮重與各葉片面積間相關(guān)系數(shù)表Tab.4 Table of relative coefficients of plant total fresh weight and leaf in different growth periods

注：*.在0.05水平上顯著相關(guān)**.在0.01水平上顯著相關(guān)。

2.3 不同生育時(shí)期植株總鮮重回歸方程

植株總鮮重與植株多個(gè)性狀均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，因此可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸。多元線性回歸方程中，因變量Y為植株總鮮重量，自變量X1,X2,X3為所測(cè)植株的各性狀數(shù)據(jù)。當(dāng)自變量較多時(shí)，得到的顯著多元線性回歸方程中，容易存在一個(gè)或多個(gè)偏回歸系數(shù)經(jīng)顯著性檢驗(yàn)為不顯著，這就說(shuō)明對(duì)應(yīng)的自變量對(duì)因變量的作用不是顯著的，回歸方程也不是最優(yōu)回歸方程。SPSS軟件的逐步回歸法，是按照一定的步驟檢驗(yàn)自變量，剔除不合適的自變量，得到最優(yōu)回歸方程。由于不同品種對(duì)苗期和成熟期的總鮮重有一定的影響作用，故在進(jìn)行回歸建模時(shí)將存在差異性的品種進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，各生育時(shí)期最優(yōu)回歸方程最終結(jié)果如下：

(1)苗期津貯100回歸方程：

Y=0.031X1+1.111X2-0.032X3-1.877 (R=1.000)

(2)

式中：X1為第一葉葉面積；X2為綠葉片數(shù)；X3為第三葉葉面積。

(2)苗期宏瑞101、青貯5102回歸方程：

Y=0.055X1+0.051X2-2.309 (R=0.973)

(3)

式中：X1為第一葉葉面積；X2為第二葉葉面積。

(3)拔節(jié)期回歸方程是：

Y=73.313X1+0.175X2-60.509 (R=0.932)

(4)

式中：X1為莖粗；X2為第三葉葉面積。

(4)抽穗期回歸方程是:

Y=0.173X-141.946 (R=0.985)

(5)

式中：X為葉面積。

(5)成熟期宏瑞101回歸方程是：

Y=200.476X-373.571 (R=0.883)

(6)

式中：X為穗粗。

上臺(tái)說(shuō)題的學(xué)生一開始的時(shí)候往往很緊張，他們的眼睛總是會(huì)不自覺地盯著看老師的反應(yīng)，卻忽視其他學(xué)生，所謂的說(shuō)題往往會(huì)演變成說(shuō)給教師一個(gè)人聽。這個(gè)時(shí)候，需要教師從旁邊及時(shí)給予指導(dǎo)，最好一方面采用幽默的語(yǔ)言緩解“小先生”緊張的心態(tài)，另一方面要告訴其他學(xué)生，每一個(gè)人上臺(tái)都會(huì)緊張，要懂得尊重別人，認(rèn)真傾聽，只有這樣，下一次輪到你上臺(tái)時(shí)，才有可能得到別人的尊重。

(6)成熟期青貯5102、津貯100回歸方程：

Y=54.765X1+0.840X2-455.316 (R=0.962)

(7)

式中：X1為綠葉片數(shù)；X2為第四葉葉面積。

以上回歸方程的復(fù)回歸系數(shù)R均較高，說(shuō)明自變量性狀與因變量植株總鮮重關(guān)系密切，方程回歸效果較好。

2.4 不同生育時(shí)期株重回歸模型驗(yàn)證

為分析方程的可靠性，在不同生育階段每個(gè)品種分別另選取2株盆栽青貯玉米，測(cè)定其生長(zhǎng)性狀，用回歸方程估測(cè)驗(yàn)證總鮮重，結(jié)果詳見表5。

表5 盆栽實(shí)測(cè)值與方程預(yù)測(cè)值比較表Tab.5 Comparison table of pot measured value and equation prediction value

由表5可知，實(shí)測(cè)與估測(cè)總鮮重的均值和標(biāo)準(zhǔn)差有較小差異，平均相對(duì)誤差約為4.0%，可以認(rèn)為使用盆栽青貯玉米測(cè)定數(shù)據(jù)驗(yàn)證各生育期回歸模型效果較好。為進(jìn)一步分析方程的適用性，再選取大田種植的青貯玉米，在不同生育期分別選取18株青貯玉米，測(cè)定其生長(zhǎng)性狀及植株總鮮重，將用回歸方程估測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相比較，分析結(jié)果見表6。

表6 大田實(shí)測(cè)值與方程預(yù)測(cè)值比較表Tab.6 Comparison table of field measured values and equation prediction values

由表6可以看到，利用青貯玉米株重回歸模型，大田青貯玉米估測(cè)相對(duì)誤差為4.9%，精確度也較高。

上述結(jié)果表明，對(duì)于盆栽青貯玉米和大田青貯玉米，不同生育時(shí)期的估測(cè)總鮮重回歸方程均是較為精確的，具有一定的普適性，可用鮮重估測(cè)回歸方程估測(cè)相應(yīng)生育時(shí)期的青貯玉米植株總鮮重。

2.5 灌水下限的修正計(jì)算

(8)

式中：θ為土壤重量含水量；W1為干土重；W2為水重；W3為植株重。

在本試驗(yàn)中，每盆裝土15 kg，為處理前含水量為11.04%，故干土重為13.50 kg；設(shè)定灌水下限為10%，即當(dāng)土壤含水量到達(dá)10%時(shí)進(jìn)行灌溉。灌水下限修正對(duì)比結(jié)果見表7。

表7 盆栽試驗(yàn)青貯玉米灌水下限修正對(duì)比表Tab.7 Comparison table of the lower limit of irrigation for pot test silage maize

由表7可以看出，當(dāng)灌水下限設(shè)定為10%時(shí)，實(shí)際在土壤含水量為下降到灌水下限就已經(jīng)進(jìn)行了灌水，且產(chǎn)生的誤差較大?？紤]植株重量變化對(duì)于各生育時(shí)期青貯玉米的實(shí)際含水量計(jì)算精度均有較大提高，僅苗期就達(dá)到10%，到了生育后期，精度提高效果就愈加顯著。

2.6 騰發(fā)量的修正計(jì)算

精度較好的不同生育時(shí)期株重回歸模型可對(duì)盆栽稱重法的騰發(fā)量計(jì)算公式進(jìn)行有效的修正。在公式(1)中，灌水量I已知，一般做遮雨措施且無(wú)地下水和地表徑流影響，即P、Q均為0。在盆栽稱重法中測(cè)的重量W實(shí)為盆、土壤、作物三者重量之和，因而重量差ΔW是忽略了作物植株的重量變化。在考慮作物植株重量變化后的騰發(fā)量修正計(jì)算公式為：

ET=I+ΔW-Δs

(9)

式中：Δs表示間隔時(shí)段內(nèi)青貯玉米植株重量差。

修正后的計(jì)算公式準(zhǔn)確地體現(xiàn)了水量平衡原理的本質(zhì)特征。通過(guò)盆栽騰發(fā)量修正計(jì)算公式對(duì)測(cè)定稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了修正，Δs采用各生育時(shí)期植株重量回歸方程進(jìn)行估算，以不同生育時(shí)期為間隔時(shí)段，各生育時(shí)期修正結(jié)果為45盆植株騰發(fā)量的均值，修正結(jié)果對(duì)比見表8。

由表8可以看出，考慮植株重量變化對(duì)于各生育時(shí)期青貯玉米騰發(fā)量計(jì)算均起到一定的修正作用，苗期和成熟期尤為顯著，為盆栽稱重法的計(jì)算提供依據(jù)。

表8 盆栽試驗(yàn)青貯玉米騰發(fā)量修正對(duì)比表Tab.8 The revised comparison table of silage maize evapotranspiration in pot experiment

3 結(jié)果與討論

(1)本文基于不同品種的盆栽青貯玉米生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，分析了不同生育時(shí)期內(nèi)青貯玉米鮮重與青貯玉米品種及主要農(nóng)藝性狀之間的相關(guān)關(guān)系，且在不損傷植株的前提下，建立了實(shí)時(shí)估測(cè)某生育期內(nèi)的株重估測(cè)模型。其模型估測(cè)相對(duì)誤差在4.0%左右，估測(cè)精度較高。為了進(jìn)一步證明株重估測(cè)模型的合理性和適用性，估測(cè)大田種植青貯玉米株重的估測(cè)相對(duì)誤差為4.9%，與盆栽青貯玉米估測(cè)效果較為接近，說(shuō)明具有一定的適用性。

(2)盆栽作物灌水下限的判斷和騰發(fā)量的計(jì)算是農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉研究的重要組成部分，對(duì)農(nóng)作物節(jié)水種植技術(shù)研究具有十分重要的意義。本文通過(guò)掌握實(shí)時(shí)青貯玉米株重，實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌水下限和騰發(fā)量計(jì)算公式的修正，修正后的灌水下限控制精度更高，修正公式更加準(zhǔn)確合理地體現(xiàn)了水量平衡原理的本質(zhì)特征，并在一定程度上提高騰發(fā)量計(jì)算精確度。

(3)在與同類研究的對(duì)比分析表明：青貯玉米的鮮重不僅與單葉面積或單葉鮮重顯著相關(guān)，而且根據(jù)品種和生長(zhǎng)階段的不同，與葉片數(shù)、莖粗、株高、穗粗等項(xiàng)中的若干項(xiàng)具有顯著相關(guān)性。另外，采用逐步回歸分析優(yōu)選得出多元回歸模型可以提高鮮重估算的精度。

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