盆栽青贮玉米植株鲜重估算模型研究

高赢磊，郄志红，吴鑫淼，姚佳宾

(河北农业大学城乡建设学院，河北 保定 071001)

0 引 言

地上生物量是评价青贮玉米等饲料作物的阶段长势和最终产量的重要指标。此外，在灌溉试验中常常采用盆栽的称重法和蒸渗仪测定法，通过水量平衡[1-3]得到某一阶段作物的腾发量，而忽略期间作物鲜重的变化，这对蒸散发量的计算精度产生一定影响。一般测定鲜重需要将作物刈割后再进行称重，在不同生育时期测定时需要破坏植株。

基于试验测试的结果，分析生育期内作物鲜重与主要外观可测农艺性状的关系，进而建立鲜重估测模型可以有效避免破坏性试验，提高灌水下限的确定精度及腾发量的计算精度。

赵居生[4]测量了青贮玉米不同生育期营养成份、生物产量，分析了变化规律并提出了适宜的收获期，但没有分析株重与其他因素的相关性，而大部分学者关注于青贮玉米成熟收获时期鲜重产量与农艺性状的关系，如雷志刚[5]、鲁珊[6]、胡巍[7]、Nemati A[8]、李波[9]等人均得出了青贮玉米最终鲜重产量与株高、穗位、茎粗、叶面积、穗粒数呈正相关关系的结论；王得贤[10,11]在田间试验中，分别分析了白马牙玉米各生育阶段单叶面积、单叶干鲜重与植株鲜重的相关关系，提出了用单叶面积速测单株青贮玉米地上生物量及用单叶鲜重速测青贮玉米地上生物量的方法，给出了一元线性回归公式，需要测量的项目少，方法简便，但未分析不同青贮玉米品种间的差异，亦未从更多的农艺性状中优选回归变量。本文旨在分析正常管理条件和不损伤植株的前提下，考虑不同品种的差异性，基于试验结果优选回归变量，建立不同生育时期的植株鲜重动态估测模型，并据此修正基于称重法和水量平衡的土壤含水量计算公式和腾发量计算公式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验地点位于河北保定河北农业大学试验田，地理坐标为N38°51′，E115°28′，属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候，年平均气温12 ℃，年降雨量500 mm。试验作物品种分别为青贮5102，宏瑞101，津贮100品种青贮玉米，供试品种生育期划分采用以整个试验田50%以上的植株进入该生育时期为标志的方法，详见表1。

1.2 试验设计

试验于7月15日在河北农业大学试验田开始播种，分为盆栽试验和田间试验两部分。田间试验按青贮玉米品种分为3个小区，每个小区面积为6 m2，小区间相距1 m，小区内玉米株距为38 cm，土壤为试验田耕层土，未处理前土壤含水量为15.10%。盆栽试验采用单株种植方法，三个试验品种各种植25盆，种植时盆栽也按品种进行分小区排列种植，区距、株距与田间试验相同。盆钵规格为盆径38 cm，盆深40 cm的聚氯乙烯塑料盆，每盆装土15 kg[12]，土壤质地为营养土与普通土按1∶3比例配制的混合土，与耕层土营养成分相似，未处理前土壤含水量为11.04%。统一调整土壤墒情，至土壤含水量20%，播种深度为5～6 cm，每盆或每株施复合肥7 g作种肥，拔节期追施1次N肥5 g，待幼苗长至三叶期后定苗开始取样测定。全生育期盆栽共灌水12次，每次灌水量15 mm，田间青贮玉米共灌水8次，每次灌水量20 mm，拔节期和抽雄吐丝期等需水高峰期灌水频率较高，苗期和成熟期灌水周期较长。另外，在青贮玉米生育期间，采用盆栽试验的称重法计算青贮玉米的腾发量，称重法是在间隔一段时间的两次测量，利用电子秤测定整个盆栽的质量变化，根据水量平衡方程来估算间隔时段内的腾发量:

ET=I+P+Q+ΔW

(1)

式中：ET表示间隔时段内青贮玉米的腾发量；I表示间隔时段内的灌溉量；P表示间隔时段内的降水量；Q表示间隔时段内地下水的渗漏或补充；ΔW表示间隔时段内土壤的重量变化量。

1.3 主要性状测定方法

盆栽试验过程中，青贮玉米植株的鲜重无法直接测量，植株可直接测量的、有代表性的农艺性状有株高、茎粗、叶面积、绿叶片数、穗长、穗粗。株高和茎粗是反映植株生长特征的重要指标。叶面积是植株的形态指标，叶面积的大小是植株光合特性的直接表征因素[13]，影响植株的干物质积累情况。植株绿叶数和穗的长、粗可以较直观地反映出青贮玉米的生长情况。在盆栽青贮玉米生长期间，在7月25日每个品种随机取样7株，之后各生育时期进行一次取样。在苗期和成熟期的相同时间点上，田间青贮玉米每个品种随机取样6株，取样方法为分层随机取样法。将样品取回试验室，记录时间和生育期，测定样品主要性状。

单株鲜重测定：在盆栽中将青贮玉米连根取出，将根部用水洗净晾干，测量实时鲜重。

株高、穗长测定：分别采用卷尺进行测量，株高为地面上高度，穗长为除去苞叶长度。

叶面积测定：叶位的确定是按照Pearce[14]的方法，即从青贮玉米的最顶层开始，自上而下进行叶片排序，最顶层为第一叶。叶面积的测定按照Montgomery法[15]进行计算，即单叶面积=叶长×最大叶宽×0.75，累计求和得整株青贮玉米总叶面积。

茎粗、穗粗测定：分别采用游标卡尺进行测量，玉米茎粗为植株茎基部第三节见最宽处直径[16]，穗粗设定为带苞叶的穗中部粗度，以保证不损伤植株。

1.4 统计分析方法

运用SPSS软件和EXCEL软件分析试验数据，在每个生育时期每个品种选取的7株盆栽青贮玉米数据中随机选择5株进行回归建模，剩余2株进行模型验证，同时36株田间青贮玉米数据也用做模型验证。

2 结果与分析

2.1 不同品种对青贮玉米主要性状的影响

本试验中供试玉米品种分别为青贮5102、宏瑞101、津贮100，其生育时期较为接近。为反映青贮玉米的品种差异对所测性状的影响程度，对不同品种青贮玉米的农艺性状测定结果进行差异性分析，分析结果见表2。

由表2中数据分析可知，3个品种在不同生育时期的总鲜重和茎粗上并无显著差异，而在苗期的总叶面积、拔节期和抽穗期的株高上看，津贮100与其他两个品种存在显著或极显著的差异，宏瑞101则是在成熟期的总叶面积上存在显著差异。

表2 不同品种各生育时期农艺性状数据表Tab.2 Data table of agronomic characters of different varieties in each growing period

这表明品种对于本次试验的结果存在一定的影响，因此分析青贮玉米在植株总鲜重和性状的相关关系时，存在显著性差异的测定结果有必要考虑品种所带来的影响。

2.2 不同生育时期植株总鲜重与测定农艺性状的关系

本试验中，所测农艺性状有青贮玉米株高、茎粗、绿叶片数、每片叶的叶面积、总叶面积，以及抽穗期开始的穗长、穗粗、穗重。为反映本次试验中测定的不同时期农艺性状以及不同品种，各自对相应生育时期的鲜重的影响，对其进行偏相关分析，即固定其他农艺性状不变，以消除其他农艺性状的影响，分析某一农艺性状与鲜重的相关性。植株最顶层的叶片记为叶1，自上而下以此类推，偏相关系数与相关系数显著情况见表3、4。

由表3、表4中数据分析可知，不同品种对苗期和成熟期的总鲜重有较明显的影响作用，对拔节期和抽穗期影响不大。不同时期总鲜重与所测部分性状存在显著的正相关关系，说明所测性状的变化能影响植株总鲜重的大小。在其他性状保持相对稳定的情况下，苗期株高和总叶面积，拔节期茎粗、抽穗期总叶面积、成熟期第六叶叶面积将会直接影响各生育时期的植株总鲜重。青贮玉米成熟期穗重与植株总鲜重的相关性极强，但在估测鲜重时，不能将玉米穗摘下称重，故在做回归分析时应去除穗重项。

表3 不同生育时期植株总鲜重与各性状相关系数表Tab.3 Correlation coefficient table of total fresh weight and various characters in different growth periods

注：*.在0.05水平上显著相关**.在0.01水平上显著相关。

表4 不同生育时期植株总鲜重与各叶片面积间相关系数表Tab.4 Table of relative coefficients of plant total fresh weight and leaf in different growth periods

注：*.在0.05水平上显著相关**.在0.01水平上显著相关。

2.3 不同生育时期植株总鲜重回归方程

植株总鲜重与植株多个性状均存在显著的正相关关系，因此可对数据进行多元线性回归。多元线性回归方程中，因变量Y为植株总鲜重量，自变量X1,X2,X3为所测植株的各性状数据。当自变量较多时，得到的显著多元线性回归方程中，容易存在一个或多个偏回归系数经显著性检验为不显著，这就说明对应的自变量对因变量的作用不是显著的，回归方程也不是最优回归方程。SPSS软件的逐步回归法，是按照一定的步骤检验自变量，剔除不合适的自变量，得到最优回归方程。由于不同品种对苗期和成熟期的总鲜重有一定的影响作用，故在进行回归建模时将存在差异性的品种进行单独计算，各生育时期最优回归方程最终结果如下：

(1)苗期津贮100回归方程：

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

(2)

式中：X1为第一叶叶面积；X2为绿叶片数；X3为第三叶叶面积。

(2)苗期宏瑞101、青贮5102回归方程：

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

(3)

式中：X1为第一叶叶面积；X2为第二叶叶面积。

(3)拔节期回归方程是：

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

(4)

式中：X1为茎粗；X2为第三叶叶面积。

(4)抽穗期回归方程是:

Y=0.173X-141.946 (R=0.985)

(5)

式中：X为叶面积。

(5)成熟期宏瑞101回归方程是：

Y=200.476X-373.571 (R=0.883)

(6)

式中：X为穗粗。

上台说题的学生一开始的时候往往很紧张，他们的眼睛总是会不自觉地盯着看老师的反应，却忽视其他学生，所谓的说题往往会演变成说给教师一个人听。这个时候，需要教师从旁边及时给予指导，最好一方面采用幽默的语言缓解“小先生”紧张的心态，另一方面要告诉其他学生，每一个人上台都会紧张，要懂得尊重别人，认真倾听，只有这样，下一次轮到你上台时，才有可能得到别人的尊重。

(6)成熟期青贮5102、津贮100回归方程：

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

(7)

式中：X1为绿叶片数；X2为第四叶叶面积。

以上回归方程的复回归系数R均较高，说明自变量性状与因变量植株总鲜重关系密切，方程回归效果较好。

2.4 不同生育时期株重回归模型验证

为分析方程的可靠性，在不同生育阶段每个品种分别另选取2株盆栽青贮玉米，测定其生长性状，用回归方程估测验证总鲜重，结果详见表5。

表5 盆栽实测值与方程预测值比较表Tab.5 Comparison table of pot measured value and equation prediction value

由表5可知，实测与估测总鲜重的均值和标准差有较小差异，平均相对误差约为4.0%，可以认为使用盆栽青贮玉米测定数据验证各生育期回归模型效果较好。为进一步分析方程的适用性，再选取大田种植的青贮玉米，在不同生育期分别选取18株青贮玉米，测定其生长性状及植株总鲜重，将用回归方程估测结果与实测结果相比较，分析结果见表6。

表6 大田实测值与方程预测值比较表Tab.6 Comparison table of field measured values and equation prediction values

由表6可以看到，利用青贮玉米株重回归模型，大田青贮玉米估测相对误差为4.9%，精确度也较高。

上述结果表明，对于盆栽青贮玉米和大田青贮玉米，不同生育时期的估测总鲜重回归方程均是较为精确的，具有一定的普适性，可用鲜重估测回归方程估测相应生育时期的青贮玉米植株总鲜重。

2.5 灌水下限的修正计算

(8)

式中：θ为土壤重量含水量；W1为干土重；W2为水重；W3为植株重。

在本试验中，每盆装土15 kg，为处理前含水量为11.04%，故干土重为13.50 kg；设定灌水下限为10%，即当土壤含水量到达10%时进行灌溉。灌水下限修正对比结果见表7。

表7 盆栽试验青贮玉米灌水下限修正对比表Tab.7 Comparison table of the lower limit of irrigation for pot test silage maize

由表7可以看出，当灌水下限设定为10%时，实际在土壤含水量为下降到灌水下限就已经进行了灌水，且产生的误差较大。考虑植株重量变化对于各生育时期青贮玉米的实际含水量计算精度均有较大提高，仅苗期就达到10%，到了生育后期，精度提高效果就愈加显著。

2.6 腾发量的修正计算

精度较好的不同生育时期株重回归模型可对盆栽称重法的腾发量计算公式进行有效的修正。在公式(1)中，灌水量I已知，一般做遮雨措施且无地下水和地表径流影响，即P、Q均为0。在盆栽称重法中测的重量W实为盆、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变化。在考虑作物植株重量变化后的腾发量修正计算公式为：

ET=I+ΔW-Δs

(9)

式中：Δs表示间隔时段内青贮玉米植株重量差。

修正后的计算公式准确地体现了水量平衡原理的本质特征。通过盆栽腾发量修正计算公式对测定称重数据进行了修正，Δs采用各生育时期植株重量回归方程进行估算，以不同生育时期为间隔时段，各生育时期修正结果为45盆植株腾发量的均值，修正结果对比见表8。

由表8可以看出，考虑植株重量变化对于各生育时期青贮玉米腾发量计算均起到一定的修正作用，苗期和成熟期尤为显著，为盆栽称重法的计算提供依据。

表8 盆栽试验青贮玉米腾发量修正对比表Tab.8 The revised comparison table of silage maize evapotranspiration in pot experiment

3 结果与讨论

(1)本文基于不同品种的盆栽青贮玉米生长数据，分析了不同生育时期内青贮玉米鲜重与青贮玉米品种及主要农艺性状之间的相关关系，且在不损伤植株的前提下，建立了实时估测某生育期内的株重估测模型。其模型估测相对误差在4.0%左右，估测精度较高。为了进一步证明株重估测模型的合理性和适用性，估测大田种植青贮玉米株重的估测相对误差为4.9%，与盆栽青贮玉米估测效果较为接近，说明具有一定的适用性。

(2)盆栽作物灌水下限的判断和腾发量的计算是农业节水灌溉研究的重要组成部分，对农作物节水种植技术研究具有十分重要的意义。本文通过掌握实时青贮玉米株重，实现了对灌水下限和腾发量计算公式的修正，修正后的灌水下限控制精度更高，修正公式更加准确合理地体现了水量平衡原理的本质特征，并在一定程度上提高腾发量计算精确度。

(3)在与同类研究的对比分析表明：青贮玉米的鲜重不仅与单叶面积或单叶鲜重显著相关，而且根据品种和生长阶段的不同，与叶片数、茎粗、株高、穗粗等项中的若干项具有显著相关性。另外，采用逐步回归分析优选得出多元回归模型可以提高鲜重估算的精度。

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