巴西蕉果指主要形态参数定量模型研究

刘永霞，连子豪，王丽霞，王安邦，殷晓敏，曹宏鑫，吴 斌，何应对

(1 中国热带农业科学院海口实验站，海口，570102；2 江苏省农业科学院信息研究所，南京，210014)

全球香蕉产区分布广泛，主要集中在南北纬20°之间的热带亚热带地区，2018年香蕉种植面积约565.4万hm2，产量11 456.89万t；中国香蕉种植面积约3.319万hm2，位居世界第六，产量1 122.17万t，产量及单产均居世界第二。我国是香蕉生产大国，也是香蕉消费大国，2016—2017年，中国香蕉进口额都稳定在5.8亿美元左右，2018年中国香蕉进口增长54%，达到8.96亿美元，创历史新高[1-2]。中国市场香蕉需求量不断上升，而中国香蕉种植面积十分有限，且还有下降；另外，我国香蕉平均单产仅33.81 t/hm2，远不及世界最高水平79.33 t/hm2，说明我国香蕉种植水平及产量水平仍有较大提升空间。香蕉对粮食有着巨大替代作用，并被联合国粮农组织认定为仅次于水稻、小麦、玉米的第四大粮食作物。可以说，在世界范围内，香蕉产业发展有着巨大的经济和社会意义，因此，保持香蕉生产稳定、持续增长对保障供给和促进农民增收等具有十分重要的意义。

品种和配套技术是促进香蕉生产实现高产、优质、高效、生态与安全的重要因素，但不论是高产品种选育，还是配套技术提升，都与株形设计、调控密不可分，株形选择是作物育种的重要内容之一，每次品种更新和产量水平突破，除了抗逆性、抗病性外，都与株形创新密不可分[3]。

功能—结构作物模型是国际上作物形态模型的最新方向，在水稻、小麦、油菜、玉米等作物上已有报道[3-18]，其主要特点是通过确定作物器官生物量与器官形态参数的定量关系及作物形态参数之间的内在联系，建立形态结构参数模型和实现植株可视化。

关于香蕉功能—结构模型的研究甚少，刘永霞等[19]研究了香蕉第三梳果实形态及与产量的关系，建立了回归模型，但未分析单果指形态与生物量的关系；丰锋等[20]研究了巴西蕉叶片农艺性状与产量的关系，并建立回归模型，但未涉及果指形态与果指生物量的关系；安佳佳等[21]研究了7个香蕉品种的叶长、叶宽与实测叶面积之间的关系，建立了回归模型，但没有研究叶片形态指标与生物量的关系。生物量作为香蕉果穗形态建成的物质学和生物学基础，为香蕉形态结构建成提供了物质基础。本研究以香蕉果指生物量为尺度，通过分析香蕉果指主要形态参数与器官生物量的定量关系，建立香蕉果指主要形态结构参数模型，以期促进功能—结构香蕉模型的研究和应用。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2019年6月至2020年6月在海南省澄迈县福山镇丰西村实施不同肥水巴西蕉(MusaacuminataL.AAA group，cv.Cavendish )大田试验，试验蕉园面积共2 hm2。供试土壤pH值5.01，有机质含量3.12%，全氮含量1.256 g/kg，有效磷26.69 mg/kg，速效钾141 mg/kg。试验设氮磷钾肥3个因素，4个水平(见表1)，共14个处理，每处理100株，采用随机区组排列，区组内土壤、地形等条件一致，其他管理同大田高产栽培管理。

表1 香蕉氮磷钾肥试验方案

1.2 测定项目与方法

香蕉果指达七八成熟时，每处理选取代表性香蕉2株，参照农作物种质资源鉴定技术规程(香蕉)[22]中香蕉果指形态的测量方法测量每穗每梳香蕉外排果指外弧长(FO，不含果柄长)、果指内弧长(FI，不含果柄长)、果指直径(FD)、果柄长(SL)及果柄直径(SD)，单位cm；果指鲜质量(FW)用千分之一的天平称量，单位g；果指体积(VO)采用排水法，单位cm3；果指干质量(DW)采用烘干法，每果指分装，105 ℃下杀青30 min，80 ℃烘至恒重，用千分之一的天平称量，单位g。

1.3 数据分析

采用SPSS 21.0与EXCEL 2017统计软件处理与分析试验数据。

1.4 模型构建

借助系统分析和数理统计方法，寻求果指外弧长、果指内弧长、果指直径、果柄长、果柄直径、果指体积与单果生物量的关系，建立和筛选单株质量与果指主要几何属性关系模型。采用编号2、4、6、8、10、12、14处理的香蕉果指数据分析香蕉果实形态参数与产量间的相关和回归分析，编号1、3、5、7、9、11、13处理的香蕉果指数据用于模型检验。

模型检验。采用根均方差RMSE (root mean square error)、平均绝对误差da、平均绝对误差与实测值平均值的比值dap等统计量, 并绘制实测值与模拟值的1∶1 关系图，以检验模型。

2 结果与分析

2.1 模型简述

2.1.1 果指干质量与果指主要几何属性相关关系分析 巴西蕉果指生物量干质量与形态的Pearson相关系数分析见表1。结果可以看出，除了果柄长外，果指干质量与果指内弧长、外弧长、果指直径、果柄直径及果指体积均呈极显著正相关。其中，果指干质量与果指体积相关性最大，果指直径次之。香蕉果柄长度范围在2.1～2.3 cm之间，变化不大。

表2 巴西蕉果指干质量与果指主要几何属性的相关关系分析

2.1.2 果指干质量与果指主要几何属性关系模型 在相关分析基础上，利用一次Linear、二次Quadratic、三次Cubic、生长Growth及指数Exponential等5种回归模型对巴西蕉果指干质量与果指内弧长、外弧长、果指直径、果柄长、果柄直径及果指体积进行曲线数据拟合，拟合结果见表2。

以巴西蕉果指干质量与果指内弧长关系模型分析，F值除三次模型外均达显著水平：一次模型的F值为214.618，p<0.000 1；二次模型的F值为105.519，p<0.000 1；三次模型的F值为70.133，p>0.05；生长函数的F值为207.937，p<0.000 1；指数函数的F值为207.937，p<0.000 1。因此除三次模型外的4个回归方程均有统计意义。一次模型、二次模型、生长函数模型及指数函数4种回归方程的相关系数分别为0.887、0.887、0.884、0.884；拟合最好的是一次模型和二次模型。比较方差分析的F值，一次模型的F值为214.618，最大，二次模型的F值较小；因此最佳模型为FI=8.386+0.267DW。

同理分析得出，巴西蕉果指干质量与果指外弧长最佳模型为FO=12.407+0.330DW，果指干质量与果指直径最佳模型为FD=1.779+0.093DW，果指干质量与果指体积最佳模型为VO=24.668+6.098DW，果指干质量与果指果柄直径最佳模型为SD=0.6+0.027DW。

表3 巴西蕉果指干质量与果指主要几何属性关系模型比较

续表3

2.2 模型检验

利用2019—2020年数据对模型进行检验：分别输入相应的巴西蕉果指内弧长、果指外弧长、果指直径、果指体积、果柄直径等5个性状指标的数据，可得到相应的果指干质量模拟值。实测值与模拟值的1∶1关系图表明，实测值与模拟值拟合效果均较好(见图1)。由表4可以看出，果指内弧长、果指外弧长、果指直径、果柄直径、果指体积实测值与模拟值的根均方差分别为1.926、2.665、0.322、0.202 cm，24.243 m3，dap值分别为8%、7%、8%、12%、8%，相关系数分别为0.864、0.855、0.903、0.806、0.955，均达极显著水平。由此可见，上述量化方法可较好地模拟不同条件下香蕉果指的生物量干质量。

3 结论与讨论

我们利用一次Linear、二次Quadratic、三次Cubic、生长Growth及指数Exponential等5种回归模型对巴西蕉果指干质量与果指内弧长、外弧长、果指直径、果柄长、果柄直径、果指体积进行拟合，筛选出香蕉果指干质量与果指内弧长、外弧长、果指直径、果柄直径、果指体积的最佳模型：Y=a+bX，所建模型可较好地模拟不同施肥水平下果指形态与果指干质量关系，具有一定解释性和普适性。

果梳数、果指数、果指长度、果指直径及果指生物量是香蕉产量的构成因素，其中单果形态是一个重要影响因素。果指形态结构参数模型是香蕉结构模型的主要组成部分，也是功能—结构香蕉模型的重要研究内容。本研究通过分析巴西蕉果指内弧长、果指外弧长、果指直径、果指体积、果柄直径等5个性状与果指生物量之间的定量关系，构建了香蕉果指主要形态参数与生物量模型：Y=a+bX。其中，香蕉体积与生物量的拟合度最佳，方程的相关系数最大，为0.979；其次为果指直径，方程的相关系数为0.907；果柄直径与生物量的拟合模型的相关系数最小，为0.862。分析原因，用排水法测体积，一是体积本身包括了以上几个指标，数值大；二是用排水法测体积，包容了物体的不规则性，误差小；成熟的香蕉，果指长一般都达到19 cm及以上，在长度不变时，直径每增加0.1 cm，就相当于增加了1个底面直径0.1 cm、高19 cm的柱体，对生物量的影响也是极为显著的。而果指直径虽然随着果指生长而增大，但变化范围较少，在0.7～1.1 cm之间，对生物量的反应不如体积那么敏感。应用体积与生物量的模型估测的产量最佳，其次为果指直径。

图1 巴西蕉果指实测值与模拟值比较(2019—2020年)

表4 巴西蕉果指主要形态结构模型观察值与模拟值的统计参数

根据我国农业行业标准NY/T517—2002[23]，青香蕉的出口外观等级规格为：优等品饱满度 75%～90%，梳形完整，每公斤果指数不超过8个，但不少于5个，果实长度20～28 cm，果指粗度不超过3.5 cm。因此，在使用模型指导生产时，还应遵从实际条件，在长度28 cm、果指直径3.5 cm内，体积值达到最大，即可提高果实外观和品质，又可保证产量，以便提高香蕉竞争力，给种植户带来更大效益。

邓英毅等[24]研究表明，高温促进不同香蕉果指生长，低温则抑制香蕉生长。陈厚彬等研究[25]表明，香蕉果梳大小和果指数有较大差异，头梳蕉往往偏大，尾梳蕉偏小，每穗香蕉中至少有首尾的2～3梳不符合上述出口标准。刘林等[26]研究表明，香蕉果指喷施氨基酸类叶面肥后，可显著提高其第1、4、7梳果指质量，喷施微量元素类叶面肥可显著提高其第4、7梳果指质量，进而显著提高单株产量。因此，品种和配套技术是促进香蕉实现高产、优质、高效、生态与安全目标的重要因素。要提高香蕉产量和商品率，育种方面可以参考本文模型筛选香蕉适当的果指长度和粗度的株形，栽培技术方面要探索最大产量需要的积温、施肥种类、施肥时间及施肥量。

另外，香蕉果指形态结构受品种特性、生态条件和栽培措施等多种因素影响，其形态结构不仅影响香蕉的美观度，也影响产量，更是决定了香蕉商品价值。本文根据不同栽培措施下的香蕉果指干质量与果指农艺性状的关系所建立的模型，旨在获得形态结构最优化时的产量，兼顾香蕉外观和商品价值；以生物量为因变量，既能使香蕉生长模型与形态模型相结合，也能通过香蕉干质量响应品种和环境条件差异，为建立功能—结构香蕉模型奠定了基础。

本研究仅初步探讨了不同施肥条件下香蕉果指几何形态与生物量的关系，暂未涉及果指的形态空间分布，也未涉及不同品种、不同水分条件下香蕉果指变化，有待进一步研究。下一步将研究以生物量为纽带下的施肥水平与植株叶、茎、果指形态的关系，既能使香蕉生长模型与形态模型相结合，也能通过香蕉干质量响应品种和环境条件差异，以建立香蕉功能—结构理想模型。