赣北机采棉蕾期冠层光分布特性的研究

李永旗 李亚兵 崔爱花 张丽娟 谢业涛 李直兴 高红兵 夏绍南

摘要：运用空间统计学的方法，研究了不同密度下赣北机采棉蕾期冠层内光合有效辐射（photosynthetical active radiation，PAR）的空间分布。通过PAR截获率的半方差函数和等值线图来反映机采棉群体冠层内PAR 截获率的空间格局。结果表明，高斯模型可以较好地描述赣北机采棉各密度群体蕾期冠层PAR截获率的空间相关性，决定系数均在0.9以上。赣北机采棉各密度群体冠层PAR截获率的空间格局相似，但其变异程度随密度增加而上升。此研究结果将有助于对PAR进行定量化地估算和精确定位，为赣北机采棉的标准化生产管理提供依据。

关键词：赣北；机采棉；冠层；光合有效辐射；空间统计学

中图分类号： S562 文献标识码： A 文章编号：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

光合有效辐射量是太阳辐射中能够被绿色植物吸收并用来进行光合作用的部分，直接影响植物的生长、发育、产量及品质，是反映作物长势和预测群体质量和产量模型的重要特征参数[1-4]。作物PAR的空间分布状况一直是栽培学的研究热点之一。多数研究者在分析冠层PAR分布时，将整个或部分空间视为均匀一致的，未考虑其任意空间点的异质性[5-8]，这与实际不相符，很难在实践中应用。而对于随机性与结构性并存的空间问题的研究，空间统计学具有独特的优势 [9-10]。李亚兵，等[11]以区域化变量为基础运用高斯模型的半方差函数及克里格空间插值法，研究了棉花冠层PAR透射率的空间异质性。近年来在劳动力成本成倍增长及棉花价格严重下降的双重压力下，国内植棉效益迅速下滑，棉花面积大量减少，而全面推广机采棉是解决这种现状的有效途径[12-20]。本研究以中425为材料，运用空间统计学原理，研究了赣北机采棉不同密度群体蕾期冠层内PAR截获率的空间异质性及其分布规律，以期为科学准确量化PAR的分布及赣北机采棉统一化管理提供理论基础。

1 材料和方法

1.1试验设计

试验于2015年在江西省棉花研究所科研基地（29.71°N，115.97°E）进行，试验地为多年棉花连作，冬季空闲，土壤为灰潮土，耕层（0～20cm）土壤有机质含量为14.5 g /kg（K2Cr2O7氧化法），全氮1.07 g/kg（浓H2SO4—混合加速剂法消煮，半微量凯氏法），速效磷60 mg/kg（0.5Mol NaHCO3法），速效钾251 mg/kg（NH4OAc浸提，火焰光度计法）[11]，属氮含量适中、磷含量中等、钾含量偏高、土壤肥力中等地块。供试材料为较适宜机采的棉花品系中425。试验采用随机区组设计，3次重复，4个密度处理（75000、90000、105000、120000 株/hm2）。每小区6 行，行距为0.76 m，面积为45.6m2，播种时间为5月13日。田间管理、灌水、施肥同当地大田。

1.2 光合有效辐射（PAR）数据采集

从苗期（6月30日）到吐絮期（9月15日），每隔15 d各小区随机选择2行长势一致能代表该群体的棉花测定PAR，本文仅选择了7月15日（蕾期）的一次数据进行分析。测定仪器为线型光量子传感器（LI-191SA，LI-COR，Lincoln，NE，USA），数据记录器为（LI-1400，LI-COR，Lincoln，NE，USA）。参考孙恩虹，等[21]的取样方法，采用如下图的空间网格取样法（19 cm×19 cm）。

1.3 PAR截获率计算公式

PAR冠层透过率（Tr）、反射率（Rr）和截获率（In）计算公式如下。

式中，PARI为冠层顶部入射PAR（μmol/m2·s1），PARt和PARr分别为冠层底部入射PAR和冠层顶部反射PAR。

2 结果与分析

2.1 PAR截获率的统计特性

由表1的偏度、峰度数值可知，4种栽培密度下的光截获率均不满足正态分布，因此下文各处理的数据均为用平方根转化为近似正态分布的数值。样本的标准差、极差、变异系数是用样本来估计总体数据变异性的重要参数。各处理的统计结果表明，随着棉花种植密度的增加，各处理群体光截获率逐渐增加，且增加量逐渐加大。通常认为样本变异系数≤0.10总体数据属于弱变异，变异系数为0.11～0.99总体数据属于中等强度变异，变异系数=1.0总体数据属于强变异[21]。因此，本试验各处理的光截获率均属于中等强度的变异，且种植密度最大时，变异程度最小。

2.2 PAR截获率的空间特性

运用半方差函数分析各处理冠层内PAR截获率，以残差最小的标准选取模型，以采样间距19 cm为步长绘制了的各项同性半方差函数（图2）。结果显示，各处理的PAR截获率均具有较明显的基台值，这表明各密度下机采棉冠层内的PAR 截获率均具有明显的空间结构。各处理冠层内PAR截获率虽有相似的空间结构，但其变异的程度却不尽相同，随着密度增加有上升的趋势。

由各处理的冠层内PAR截获率在0°、45°、90°、135°方向上的变异性的半方差函数所示（图3）。结果显示0°方向，各处理的PAR截获率的变异性较大，90°方向各处理的PAR截获率的变异性较小。45°、135°方向其变异程度在两者之间波动。冠层内90°方向上PAR 截获率的变化幅度较小与棉花生长初期、植株较小、叶片较少且叶面积较小，棉花未封行，阳光可以直射有关。而其它方向上由于棉花遮阴造成其冠层内PAR截获率的变异性较大。

由表2可知，各处理Gaussian模型拟合函数的决定系数均大于等于0.97，表明其函数选择的准确性及拟合的恰当性，同时表明该模型能很好地反映冠层内PAR截获率的空间分布特征。除105000株/hm2密度外，其他密度下的块金值均较小，说明在本研究尺度上由试验误差和小于试验取样尺度引起的截获率的变异均较小。各处理的PAR截获率的变程均远大于取样间距19 cm，表明本研究的取样尺度是合适的。C/Sill （偏基台值/基台值）用来表示结构因素引起的空间异质性占总的空间异质性的程度。C/Sill≤25%时，变量的空间相关性很弱；在25%～75%时，变量具有中等的空间相关性；其值≥75%时，表示变量具有很强的空间相关性[22] 。本研究中，各密度处理的PAR截获率有明显的Sill而且C/Sill 均大于50%，反映了PAR空间异质性的产生主要归因于结构因素（株高、叶面积、株距及蕾、铃的分布特性等），也表明了PAR截获率的分布有强烈的空间自相关性。

2.3 PAR截获率的空间分布模拟

参考上述高斯模型的半方差函数，根据已知PAR截获率，运用Kriging插值方法进行最优无偏估计，绘制等值线分布图，用以模拟赣北机采棉冠层PAR截获率的空间分布。如图4所示，2条等值线的间隔为0.05的PAR截获率，各密度下等值线均呈不规则的U型分布。垂直方向上，随着高度的升高，各密度下PAR截获率有下降的趋势。水平方向上，PAR截获率的变化趋势是先降低后升高，这主要是蕾期棉花未封行，两行棉花中间棉花叶片较少，未能充分利用这一位置的太阳辐射，而越靠近棉株棉花叶片越密集，其PAR截获率也会相应较高，这种趋势随密度的增加有加强的趋势（密度越高，等值线越密）。

为了提高空间插值的精确度，对克里格法和反距离加权法经行了交叉验证。表中数据可得各处理克里格法的均方根误差均小于反距离加权法，而其相关性系数均大于反距离加权法。因此克里格内插法要优于反距离加权内插法。

3 讨论与结论

棉花冠层内PAR截获率的空间分布主要受其冠层结构的影响。而机采棉特有的株行距配置模式又决定了其特有的冠层结构。棉花蕾期棉株较小，未封行，其冠层结构也有一定的特点，其空间PAR截获率具有一定的空间异质性。本试验运用空间统计学的方法，研究了不同密度下赣北机采棉蕾期冠层内的空间分布，其中高斯模型的半方差函数可以直观准确地反映冠层PAR 截获率的各方向上空间异质性，等值线图可以模拟PAR截获率在各方向上的变化情况，方法更合理，结果更准确。

本研究表明赣北机采棉各密度下群体冠层PAR截获率具有的相似空间格局，但其变异程度随密度增加而上升。垂直方向上，随着高度的升高，各密度下PAR截获率有下降的趋势。水平方向上，PAR截获率的变化趋势是先降低后升高。

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