贛北機采棉蕾期冠層光分布特性的研究

李永旗 李亞兵 崔愛花 張麗娟 謝業(yè)濤 李直興 高紅兵 夏紹南

摘要：運用空間統(tǒng)計學(xué)的方法，研究了不同密度下贛北機采棉蕾期冠層內(nèi)光合有效輻射（photosynthetical active radiation，PAR）的空間分布。通過PAR截獲率的半方差函數(shù)和等值線圖來反映機采棉群體冠層內(nèi)PAR 截獲率的空間格局。結(jié)果表明，高斯模型可以較好地描述贛北機采棉各密度群體蕾期冠層PAR截獲率的空間相關(guān)性，決定系數(shù)均在0.9以上。贛北機采棉各密度群體冠層PAR截獲率的空間格局相似，但其變異程度隨密度增加而上升。此研究結(jié)果將有助于對PAR進(jìn)行定量化地估算和精確定位，為贛北機采棉的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)管理提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：贛北；機采棉；冠層；光合有效輻射；空間統(tǒng)計學(xué)

中圖分類號： S562 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：2095-3143（2016）04-0015-07

Abstract：We studied the bud stages canopy spatial distribution of photosynthetically active radiation（PAR）of machine-harvested cotton grown at different densities in Northern Jiangxi， by the Method of spatial statistics. And we reflected the spatial pattern of machine-harvested cotton canopy PAR interception rate with the semi-variogram and contour maps. The results showed that Gaussian model could be used to describe the space correlation of machine-packed cotton canopy PAR interception rate， all determination coefficient above 0.9. The PAR interception rate of machine-harvested cotton canopy grown at different densities had similar spatial pattern， but the variation degree rised with the increase of density. The results of this study will be helpful to the PAR quantifying estimate and precise positioning， and provide the basis for the standardized production management of machine-harvested cotton in Northern Jiangxi.

Key words：Northern Jiangxi；Machine-harvested cotton；Canopy；PAR；Spatial statistics

0引言

光合有效輻射量是太陽輻射中能夠被綠色植物吸收并用來進(jìn)行光合作用的部分，直接影響植物的生長、發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)，是反映作物長勢和預(yù)測群體質(zhì)量和產(chǎn)量模型的重要特征參數(shù)[1-4]。作物PAR的空間分布狀況一直是栽培學(xué)的研究熱點之一。多數(shù)研究者在分析冠層PAR分布時，將整個或部分空間視為均勻一致的，未考慮其任意空間點的異質(zhì)性[5-8]，這與實際不相符，很難在實踐中應(yīng)用。而對于隨機性與結(jié)構(gòu)性并存的空間問題的研究，空間統(tǒng)計學(xué)具有獨特的優(yōu)勢 [9-10]。李亞兵，等[11]以區(qū)域化變量為基礎(chǔ)運用高斯模型的半方差函數(shù)及克里格空間插值法，研究了棉花冠層PAR透射率的空間異質(zhì)性。近年來在勞動力成本成倍增長及棉花價格嚴(yán)重下降的雙重壓力下，國內(nèi)植棉效益迅速下滑，棉花面積大量減少，而全面推廣機采棉是解決這種現(xiàn)狀的有效途徑[12-20]。本研究以中425為材料，運用空間統(tǒng)計學(xué)原理，研究了贛北機采棉不同密度群體蕾期冠層內(nèi)PAR截獲率的空間異質(zhì)性及其分布規(guī)律，以期為科學(xué)準(zhǔn)確量化PAR的分布及贛北機采棉統(tǒng)一化管理提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1試驗設(shè)計

試驗于2015年在江西省棉花研究所科研基地（29.71°N，115.97°E）進(jìn)行，試驗地為多年棉花連作，冬季空閑，土壤為灰潮土，耕層（0～20cm）土壤有機質(zhì)含量為14.5 g /kg（K2Cr2O7氧化法），全氮1.07 g/kg（濃H2SO4—混合加速劑法消煮，半微量凱氏法），速效磷60 mg/kg（0.5Mol NaHCO3法），速效鉀251 mg/kg（NH4OAc浸提，火焰光度計法）[11]，屬氮含量適中、磷含量中等、鉀含量偏高、土壤肥力中等地塊。供試材料為較適宜機采的棉花品系中425。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，4個密度處理（75000、90000、105000、120000 株/hm2）。每小區(qū)6 行，行距為0.76 m，面積為45.6m2，播種時間為5月13日。田間管理、灌水、施肥同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.2 光合有效輻射（PAR）數(shù)據(jù)采集

從苗期（6月30日）到吐絮期（9月15日），每隔15 d各小區(qū)隨機選擇2行長勢一致能代表該群體的棉花測定PAR，本文僅選擇了7月15日（蕾期）的一次數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測定儀器為線型光量子傳感器（LI-191SA，LI-COR，Lincoln，NE，USA），數(shù)據(jù)記錄器為（LI-1400，LI-COR，Lincoln，NE，USA）。參考孫恩虹，等[21]的取樣方法，采用如下圖的空間網(wǎng)格取樣法（19 cm×19 cm）。

1.3 PAR截獲率計算公式

PAR冠層透過率（Tr）、反射率（Rr）和截獲率（In）計算公式如下。

式中，PARI為冠層頂部入射PAR（μmol/m2·s1），PARt和PARr分別為冠層底部入射PAR和冠層頂部反射PAR。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAR截獲率的統(tǒng)計特性

由表1的偏度、峰度數(shù)值可知，4種栽培密度下的光截獲率均不滿足正態(tài)分布，因此下文各處理的數(shù)據(jù)均為用平方根轉(zhuǎn)化為近似正態(tài)分布的數(shù)值。樣本的標(biāo)準(zhǔn)差、極差、變異系數(shù)是用樣本來估計總體數(shù)據(jù)變異性的重要參數(shù)。各處理的統(tǒng)計結(jié)果表明，隨著棉花種植密度的增加，各處理群體光截獲率逐漸增加，且增加量逐漸加大。通常認(rèn)為樣本變異系數(shù)≤0.10總體數(shù)據(jù)屬于弱變異，變異系數(shù)為0.11～0.99總體數(shù)據(jù)屬于中等強度變異，變異系數(shù)=1.0總體數(shù)據(jù)屬于強變異[21]。因此，本試驗各處理的光截獲率均屬于中等強度的變異，且種植密度最大時，變異程度最小。

2.2 PAR截獲率的空間特性

運用半方差函數(shù)分析各處理冠層內(nèi)PAR截獲率，以殘差最小的標(biāo)準(zhǔn)選取模型，以采樣間距19 cm為步長繪制了的各項同性半方差函數(shù)（圖2）。結(jié)果顯示，各處理的PAR截獲率均具有較明顯的基臺值，這表明各密度下機采棉冠層內(nèi)的PAR 截獲率均具有明顯的空間結(jié)構(gòu)。各處理冠層內(nèi)PAR截獲率雖有相似的空間結(jié)構(gòu)，但其變異的程度卻不盡相同，隨著密度增加有上升的趨勢。

由各處理的冠層內(nèi)PAR截獲率在0°、45°、90°、135°方向上的變異性的半方差函數(shù)所示（圖3）。結(jié)果顯示0°方向，各處理的PAR截獲率的變異性較大，90°方向各處理的PAR截獲率的變異性較小。45°、135°方向其變異程度在兩者之間波動。冠層內(nèi)90°方向上PAR 截獲率的變化幅度較小與棉花生長初期、植株較小、葉片較少且葉面積較小，棉花未封行，陽光可以直射有關(guān)。而其它方向上由于棉花遮陰造成其冠層內(nèi)PAR截獲率的變異性較大。

由表2可知，各處理Gaussian模型擬合函數(shù)的決定系數(shù)均大于等于0.97，表明其函數(shù)選擇的準(zhǔn)確性及擬合的恰當(dāng)性，同時表明該模型能很好地反映冠層內(nèi)PAR截獲率的空間分布特征。除105000株/hm2密度外，其他密度下的塊金值均較小，說明在本研究尺度上由試驗誤差和小于試驗取樣尺度引起的截獲率的變異均較小。各處理的PAR截獲率的變程均遠(yuǎn)大于取樣間距19 cm，表明本研究的取樣尺度是合適的。C/Sill （偏基臺值/基臺值）用來表示結(jié)構(gòu)因素引起的空間異質(zhì)性占總的空間異質(zhì)性的程度。C/Sill≤25%時，變量的空間相關(guān)性很弱；在25%～75%時，變量具有中等的空間相關(guān)性；其值≥75%時，表示變量具有很強的空間相關(guān)性[22] 。本研究中，各密度處理的PAR截獲率有明顯的Sill而且C/Sill 均大于50%，反映了PAR空間異質(zhì)性的產(chǎn)生主要歸因于結(jié)構(gòu)因素（株高、葉面積、株距及蕾、鈴的分布特性等），也表明了PAR截獲率的分布有強烈的空間自相關(guān)性。

2.3 PAR截獲率的空間分布模擬

參考上述高斯模型的半方差函數(shù)，根據(jù)已知PAR截獲率，運用Kriging插值方法進(jìn)行最優(yōu)無偏估計，繪制等值線分布圖，用以模擬贛北機采棉冠層PAR截獲率的空間分布。如圖4所示，2條等值線的間隔為0.05的PAR截獲率，各密度下等值線均呈不規(guī)則的U型分布。垂直方向上，隨著高度的升高，各密度下PAR截獲率有下降的趨勢。水平方向上，PAR截獲率的變化趨勢是先降低后升高，這主要是蕾期棉花未封行，兩行棉花中間棉花葉片較少，未能充分利用這一位置的太陽輻射，而越靠近棉株棉花葉片越密集，其PAR截獲率也會相應(yīng)較高，這種趨勢隨密度的增加有加強的趨勢（密度越高，等值線越密）。

為了提高空間插值的精確度，對克里格法和反距離加權(quán)法經(jīng)行了交叉驗證。表中數(shù)據(jù)可得各處理克里格法的均方根誤差均小于反距離加權(quán)法，而其相關(guān)性系數(shù)均大于反距離加權(quán)法。因此克里格內(nèi)插法要優(yōu)于反距離加權(quán)內(nèi)插法。

3 討論與結(jié)論

棉花冠層內(nèi)PAR截獲率的空間分布主要受其冠層結(jié)構(gòu)的影響。而機采棉特有的株行距配置模式又決定了其特有的冠層結(jié)構(gòu)。棉花蕾期棉株較小，未封行，其冠層結(jié)構(gòu)也有一定的特點，其空間PAR截獲率具有一定的空間異質(zhì)性。本試驗運用空間統(tǒng)計學(xué)的方法，研究了不同密度下贛北機采棉蕾期冠層內(nèi)的空間分布，其中高斯模型的半方差函數(shù)可以直觀準(zhǔn)確地反映冠層PAR 截獲率的各方向上空間異質(zhì)性，等值線圖可以模擬PAR截獲率在各方向上的變化情況，方法更合理，結(jié)果更準(zhǔn)確。

本研究表明贛北機采棉各密度下群體冠層PAR截獲率具有的相似空間格局，但其變異程度隨密度增加而上升。垂直方向上，隨著高度的升高，各密度下PAR截獲率有下降的趨勢。水平方向上，PAR截獲率的變化趨勢是先降低后升高。

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