主要?dú)夂蛞蜃訉?duì)麥棉兩熟棉花產(chǎn)量的影響

韓迎春，王國(guó)平，范正義，李亞兵，馮 璐，毛樹(shù)春

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安陽(yáng) 455000)

麥棉兩熟種植是提高植棉整體效益，充分利用自然資源，達(dá)到高產(chǎn)多收的一種種植方式。20世紀(jì)50年代至80年代從起步走向發(fā)展，90年代發(fā)展達(dá)到高峰［1］，1992年黃河流域棉區(qū)兩熟種植面積達(dá)218.8萬(wàn)hm2，占本流域棉田的60.5%。然而麥棉兩熟種植棉花產(chǎn)量年際間波動(dòng)很大，陸緒華等1987年報(bào)道兩熟套種皮棉產(chǎn)量964.5kg/hm2(約相當(dāng)于籽棉2473.5 kg/hm2)［2］;李紹虞等1987年報(bào)道山東省麥棉兩熟籽棉產(chǎn)量3900.0kg/hm2［3］;梁理民等1994年報(bào)道陜西省棉麥兩熟棉花籽棉產(chǎn)量2428.5 kg/hm2［4］。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所1993—2010年連續(xù)18a定點(diǎn)定位試驗(yàn)結(jié)果麥棉套作條件下籽棉產(chǎn)量平均2660.2 kg/hm2，變化范圍在1282.5—3583.5kg/hm2，變異系數(shù)達(dá)到25.17%(表1)。究其原因，筆者認(rèn)為棉花生育期間，氣候因子的變化是棉花產(chǎn)量年際間波動(dòng)的主要控制因子。

有關(guān)氣候因子對(duì)棉花產(chǎn)量影響的研究有許多報(bào)道［5-7］，但其研究方法多采用相關(guān)分析方法進(jìn)行，由于這些方法受信息量不完全及數(shù)學(xué)模型的制約，難以取得滿意的結(jié)果。1982年鄧聚龍教授創(chuàng)建了灰色系統(tǒng)理論［8］，對(duì)信息不完全系統(tǒng)(灰色系統(tǒng))提供了有效的分析手段。近年來(lái)，灰色系統(tǒng)理論得到廣泛應(yīng)用。逐步回歸方法是一種能自動(dòng)地從大量可供選擇的變量中選擇那些對(duì)建立回歸方程比較重要的變量的方法，采用從包含全部變量的回歸方程中逐次剔除不顯著的因子的方法選擇“最優(yōu)”的回歸方程［7，9-18］。本研究應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析法和逐步回歸分析方法，就黃淮海棉區(qū)安陽(yáng)試驗(yàn)區(qū)1993—2010年麥棉兩熟種植18年來(lái)棉花籽棉產(chǎn)量和相應(yīng)氣象資料進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，尋求影響兩熟種植棉花籽棉產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象因子，建立兩熟籽棉產(chǎn)量與關(guān)鍵氣象因子的回歸模型，提出相應(yīng)的技術(shù)措施，為麥棉兩熟可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與品種

氣象資料由河南省安陽(yáng)市氣象局提供。以1993—2010年棉花生長(zhǎng)季節(jié)4—10月份的≥10℃積溫、≥15℃積溫、≥20℃積溫、降水量和日照時(shí)數(shù)為主要?dú)夂蛞蜃樱灾袊?guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所試驗(yàn)地1993—2010年麥棉兩熟種植棉花平均籽棉單產(chǎn)為相關(guān)因子，進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析和多元逐步回歸分析。棉花品種選用該棉區(qū)主要推廣品種。麥棉兩熟配置方式為標(biāo)準(zhǔn)4-2式(帶寬1.4m，種4行小麥，2行棉花)和3-2式(帶寬1.4m，種3行小麥，2行棉花)，均采用壟作，地膜覆蓋。

1.2 數(shù)據(jù)處理

利用Excel對(duì)氣象資料和試驗(yàn)田產(chǎn)量進(jìn)行整理。按灰色系統(tǒng)理論要求［7-8，14-16］，將1993—2010年籽棉產(chǎn)量、棉花全生育期4—10月≥10℃積溫、≥15℃積溫、≥20℃積溫、降水量和日照時(shí)數(shù)視為一個(gè)整體，構(gòu)建一個(gè)灰色系統(tǒng)。麥棉兩熟籽棉產(chǎn)量為母序列Y(i)，i=1，2，…，18;全生育期4—10月≥10℃積溫(X1i)、≥15℃積溫(X2i)、≥20℃積溫(X3i)、降水量(X4i)、日照時(shí)數(shù)(X5i)、每月≥20℃積溫(M1i—M7i)、降水量(M8i—M14i)、日照時(shí)數(shù)(M15i—M21i)等氣候因子為子序列，數(shù)據(jù)無(wú)量綱的標(biāo)準(zhǔn)化變換采用均值化變換。即先分別求出各個(gè)序列的平均值，再利用平均值去除對(duì)應(yīng)各序列中的各個(gè)原始數(shù)據(jù)，得出均值化序列，采用“DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”軟件［13］計(jì)算各參數(shù)與產(chǎn)量的灰色關(guān)聯(lián)度。以麥棉兩熟籽棉產(chǎn)量為因變量(表1)，棉花全生育期氣候因子為自變量，采用“DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”軟件［13］進(jìn)行逐步回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩熟棉花籽棉產(chǎn)量與氣候因子的灰色關(guān)聯(lián)分析

2.1.1 棉花全生育期氣候因子與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度

由棉花籽棉產(chǎn)量與全生育期氣候因子的關(guān)聯(lián)序可以看出(表2)，棉花生長(zhǎng)季節(jié)4—10月積溫是影響棉花產(chǎn)量的主導(dǎo)氣候因子，≥20℃積溫、≥15℃積溫、≥10℃積溫等氣候因子與棉花籽棉產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.4513、0.4442和0.4309;其次為日照時(shí)數(shù)，與籽棉產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.4099;降水量對(duì)籽棉產(chǎn)量的影響最小，關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.3060。

1993—2010年中以1996年棉花籽棉產(chǎn)量最低(表1)，僅1282.5kg/hm2，較1993—2010年平均產(chǎn)量減低1377.7 kg/hm2，減幅達(dá)到51.8%。該年度4—10月≥10℃積溫、≥15℃積溫、≥20℃積溫和日照時(shí)數(shù)較18a平均分別減少 119.4℃·d、136.4℃·d、254.9℃·d 和184.9h，而降水量則增加142.8mm。1994 年籽棉產(chǎn)量3583.5 kg/hm2，產(chǎn)量最高，較18年平均產(chǎn)量增幅34.7%。該年度4—10月≥10℃積溫、≥15℃積溫、≥20℃積溫和日照時(shí)數(shù)較18年平均分別增加112.3℃·d、187.3℃·d、213.6℃·d和 254.0h，而降水量則增加172.4mm。籽棉產(chǎn)量最高和最低的1994、1996年，降水量均較平均值是增加的，氣候因子的區(qū)別只在于棉花生長(zhǎng)的4—10月份期間，1994年的積溫和日照時(shí)數(shù)增加，1996年積溫和日照時(shí)數(shù)減少;其日照時(shí)數(shù)除6月份與1996年和18年平均值持平外，其余月份均明顯增設(shè)。說(shuō)明決定產(chǎn)量高低的主要?dú)夂蛞蜃邮侨照諘r(shí)數(shù)和積溫，而降水量對(duì)產(chǎn)量的影響較小;低溫、光照少，降水多的年景產(chǎn)量低，高溫、光照充足的年景，降水多產(chǎn)量也會(huì)增高。這和關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果一致，表明利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行棉花生育期主要?dú)夂蛞蜃优c年際間產(chǎn)量的關(guān)系分析是可行的，得出的結(jié)論可靠，和生產(chǎn)實(shí)際情況相吻合。

表1 1993—2010年4—10月份主要?dú)夂蛞蜃优c籽棉產(chǎn)量Table 1 Key climatic factors in the total growing period of cotton from April to October and seed cotton yield of cotton-wheat double cropping system in 1993—2010

表2 1993—2010年棉花生育期(4—10月)氣候因子與兩熟棉花籽棉產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)分析Table2 Analysis on the grey relational grade about climatic elements of cotton growth period(from April to October)and seed cotton yield in 1993—2010

2.1.2 棉花不同生育期氣候因子與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度

麥棉兩熟籽棉產(chǎn)量與棉花不同生育期4—10月份每月氣候因子關(guān)聯(lián)序?yàn)镸19＞M20＞M5＞M4＞M3＞M16＞M2＞M6＞M15＞M17＞M18＞M21＞M10＞M11＞M1＞M8＞M13＞M9＞M12＞M7＞M14(表3)。在21個(gè)因子中，關(guān)聯(lián)序中前3位為8月、9月日照時(shí)數(shù)和8月份≥20℃積溫，表明棉花生育期內(nèi)各月氣候因子以日照時(shí)數(shù)和積溫對(duì)產(chǎn)量影響最大，降水量對(duì)棉花產(chǎn)量的影響較小。這和棉花全生育期4—10月各氣候因子與棉花產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)分析結(jié)果一致。

棉花不同生育期日照時(shí)數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度(表3)。兩熟種植棉花籽棉產(chǎn)量與棉花不同生育期的日照時(shí)數(shù)關(guān)聯(lián)度最大。其中以花鈴期8月份的日照時(shí)數(shù)關(guān)聯(lián)度最大，其次為9月、第三是5月;4月、6月、7月和10月的日照時(shí)數(shù)和產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度也較高。表明棉花盛花結(jié)鈴期8月份的日照時(shí)數(shù)高低是制約產(chǎn)量的最主要因素，苗期(5月份)和吐絮期(9月份)日照時(shí)數(shù)的高低對(duì)產(chǎn)量的作用次之，吐絮后期(10月)的日照時(shí)數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響最弱。因此黃淮海棉區(qū)麥棉兩熟套作棉花前期采取重施基肥，促進(jìn)生長(zhǎng);中期采取重施花鈴肥，科學(xué)灌水、化調(diào);后期如遇低溫陰雨，采取推株并壟、去老葉、科學(xué)化控，增加透光率是行之有效的增產(chǎn)措施。

表3 棉花不同生育期氣候因子與兩熟棉花籽棉產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)分析(1993—2010年)Table 3 Analysis on the grey relational grade about climatic elements in different cotton growth period and seed cotton yield in 1993—2010

棉花不同生育期≥20℃積溫與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度(表3)。積溫是影響兩熟種植棉花產(chǎn)量的重要?dú)夂蛞蜃?。其中以棉花盛花結(jié)鈴期8月份≥20℃積溫與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度最大，其次為7月，第三為9月;6月、5月≥20℃積溫與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度也較高。表明積溫對(duì)產(chǎn)棉花產(chǎn)量的影響最高的時(shí)期在開(kāi)花結(jié)鈴的7—8月份;在棉花生長(zhǎng)的整個(gè)生育期間，5—9月積溫的高低對(duì)棉花的產(chǎn)量影響最大。5—9月份是棉花產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，此階段溫度高有利于棉株前期生長(zhǎng)、中期蕾、花、鈴的發(fā)育和后期的吐絮高產(chǎn)，如果前中期特別是花鈴期的積溫低，就會(huì)延緩生育進(jìn)程，貪青晚熟，造成減產(chǎn)。在栽培措施上前期采取地膜覆蓋增加地溫，中后期科學(xué)施肥和化學(xué)調(diào)控，控制合理株型，構(gòu)建通風(fēng)透光適宜的群體是高產(chǎn)的關(guān)鍵措施。

棉花不同生育期降水量與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度(表3)。降水量對(duì)兩熟種植棉花產(chǎn)量影響小于日照時(shí)數(shù)和積溫，兩熟種植棉花產(chǎn)量和棉花生育期內(nèi)各月降水量關(guān)聯(lián)度均較小。其中以6月降水量的關(guān)聯(lián)度最大，其次為7月，第三為4月、9月和5月。表明降水量主要是通過(guò)其對(duì)現(xiàn)蕾、開(kāi)花、結(jié)鈴的6—7月份的棉花生長(zhǎng)情況的影響來(lái)制約棉花產(chǎn)量的提高。6—7月降雨量增加，影響棉花現(xiàn)蕾、開(kāi)花和結(jié)鈴，脫落率提高，導(dǎo)致減產(chǎn)。后期9月棉花吐絮期降水增多，田間濕度增加，不僅影響棉花正常吐絮，而且爛鈴增加，從而導(dǎo)致減產(chǎn)。因此，麥棉兩熟種植在6月上旬麥?zhǔn)蘸?，?yīng)及時(shí)滅茬，中耕結(jié)合施蕾肥，促進(jìn)棉花早發(fā)棵，搭好豐產(chǎn)架子;棉花吐絮期及時(shí)摘收吐絮棉鈴，去無(wú)效果枝、打老葉以改善棉田通風(fēng)透光條件，降低田間濕度，可有效防止?fàn)€鈴，提高棉花產(chǎn)量。

2.2 主要?dú)夂蛞蜃优c籽棉產(chǎn)量的多元逐步回歸分析

2.2.1 棉花全生育期氣候因子與產(chǎn)量的多元逐步回歸分析

以麥棉兩熟籽棉產(chǎn)量為因變量(表1)，全生育期積溫選用與籽棉產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度最高的≥20℃積溫(X3)，以及降水量(X4)和日照時(shí)數(shù)(X5)等3個(gè)氣候因子，共54個(gè)自變量，進(jìn)行逐步回歸分析。在3個(gè)氣候影響因子中，篩選出對(duì)建立回歸方程比較重要的變量，建立“最優(yōu)”的回歸方程:

方程的 P=0.005168，R2=0.5867，Durbin-Watson=2.1，表明通過(guò)逐步回歸建立的方程可以試用于黃淮棉區(qū)兩熟籽棉產(chǎn)量的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

通徑分析可以有效地評(píng)判各種影響因子效應(yīng)，確定不同因子對(duì)結(jié)果的影響程度，因此對(duì)各氣象關(guān)鍵因子與兩熟棉花籽棉產(chǎn)量進(jìn)行通徑分析(表5)，決定系數(shù)R2達(dá)0.5867，表明它們是影響兩熟棉花籽棉產(chǎn)量的主要?dú)庀笠蜃?，?duì)籽棉產(chǎn)量影響最大的是≥20℃積溫，為正效應(yīng);其次是降水量，為負(fù)效應(yīng);第三是日照時(shí)數(shù)，為正效應(yīng)。表明積溫是決定產(chǎn)量的主要因素，且為正效應(yīng)，這和灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果一致。

表4 回歸方程的相關(guān)參數(shù)Table4 The correlative parameter of regressive equation

表5 入選方程各氣象因子的直接通徑系數(shù)Table 5 Direct path coefficients of each climatic elements

2.2.2 棉花不同生育期氣候因子與產(chǎn)量的多元逐步回歸分析

麥棉兩熟籽棉產(chǎn)量與棉花生育期4—10月每月≥20℃積溫(M1—M7)及降水量(M8—M14)等252個(gè)自變量逐步回歸分析，建立“最優(yōu)”回歸方程:

Y= －6407.38127+10.779309138M4+8.412503403M9+7.058092973M10－5.458101094M12

表6 回歸方程的相關(guān)參數(shù)Table 6 The correlative parameter of regressive equation

入選方程的變量為7月≥20℃積溫(M4)，5月、6月和8月降水量(M9、M10和M12)，各因子P值均小于0.03(表6)，建立方程的 P=0.0007598，R2=0.7477，Durbin-Watson=3.0998，方程可以試用于黃淮棉區(qū)兩熟籽棉產(chǎn)量的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

通徑分析決定系數(shù)R2達(dá)0.7477(表7)，表明入選因子是影響兩熟棉花籽棉產(chǎn)量的主要?dú)庀笠蜃?。?duì)籽棉產(chǎn)量影響最大的是M12，即8月份降水量，為負(fù)效應(yīng)，降水越多產(chǎn)量越低;其次為M4，即7月份≥20℃積溫，為正效應(yīng)，積溫越多產(chǎn)量越高;第三是M9和M10，即5月和6月降水量，為正效應(yīng)。

表7 入選方程各氣象因子的直接通徑系數(shù)Table 7 Direct path coefficients of each climatic elements

3 討論

在灰色關(guān)聯(lián)分析中，將眾多因子視為灰色系統(tǒng)，各因子的重要性以關(guān)聯(lián)度排序表示，關(guān)聯(lián)度大，表示該參考指標(biāo)重要，克服了以往對(duì)因子進(jìn)行評(píng)判的主觀性和粗放性，能夠充分揭示各因子對(duì)產(chǎn)量影響的重要性［12］。而逐步回歸方法可以從大量可供選擇的變量中選擇對(duì)建立回歸方程比較重要的變量，建立“最優(yōu)”回歸方程，將各因子對(duì)產(chǎn)量的影響進(jìn)行量化分析［13］。本研究將兩種分析方法相結(jié)合，明確和量化了棉花生育期間主要?dú)夂蛞蜃訉?duì)兩熟籽棉產(chǎn)量的影響。

灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，棉花全生育期間對(duì)籽棉產(chǎn)量影響最大的是積溫，且表現(xiàn)為:≥20℃積溫＞≥15℃積溫＞≥10℃積溫，其關(guān)聯(lián)度分別為0.4513、0.4442和0.4309;但積溫對(duì)產(chǎn)量的影響主要表現(xiàn)在前中期的8月、7月、6月和5月，吐絮期積溫對(duì)產(chǎn)量的影響作用弱于日照時(shí)數(shù);棉花盛花結(jié)鈴期的8月份≥20℃積溫對(duì)產(chǎn)量影響最大，這和王保民等［18］的研究結(jié)論一致。影響兩熟棉花籽棉產(chǎn)量的另一主要?dú)夂蛞蜃邮侨照諘r(shí)數(shù)，關(guān)聯(lián)度0.4099;在棉花的不同生育時(shí)期以棉花盛花結(jié)鈴期8月和吐絮期9月的日照時(shí)數(shù)對(duì)產(chǎn)量影響最大，這和陳金湘等［5］、張旺峰等［19］的研究結(jié)論一致。降水量與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度最小，而陳金湘等［5］研究表明，降雨日對(duì)湖南棉花皮棉單產(chǎn)影響較大，這可能是由于黃淮海棉區(qū)雖然降水多集中在7—8月份，但持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，不同于長(zhǎng)江流域棉區(qū)的梅雨季節(jié)，因而對(duì)棉花產(chǎn)量的影響較小造成的。

逐步回歸分析結(jié)果同樣表明，影響兩熟棉花籽棉產(chǎn)量的主要?dú)夂蛞蜃邮欠e溫，且為正效應(yīng)，即棉花生長(zhǎng)期間，積溫越高產(chǎn)量越高;棉花全生育期間降水總量對(duì)產(chǎn)量的影響是負(fù)效應(yīng)，即降水量越大，產(chǎn)量越低;日照時(shí)數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響也為正效應(yīng)。進(jìn)一步利用4—10月逐月降水量與產(chǎn)量進(jìn)行逐步回歸分析結(jié)果表明，8月份降水量為負(fù)效應(yīng)，其值越大產(chǎn)量越低，而5月、6月降水量為正效應(yīng)，其值越大產(chǎn)量越高。推測(cè)其原因，8月份棉花處于盛花結(jié)鈴期，是黃淮地區(qū)降水量集中時(shí)期，也是黃萎病發(fā)病旺盛時(shí)期，相關(guān)研究表明［20］，8月上旬的空氣相對(duì)濕度、降水量是影響黃萎病指的主成分，降水量較大、空氣相對(duì)濕度超過(guò)82%可導(dǎo)致黃萎病的嚴(yán)重發(fā)生，從而影響產(chǎn)量。而5月和6月份屬于黃淮地區(qū)干旱少雨時(shí)期，1993—2010年18a間5月平均降水量為35.7mm，6月份平均降水量60.8mm，兩個(gè)月合計(jì)降水量占4—10月棉花全生育期降水量的20.6%，而此時(shí)正是棉花營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛時(shí)期，缺水易導(dǎo)致棉株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)不良，不利于搭建豐產(chǎn)株型，因此5月、6月份降水量對(duì)產(chǎn)量為正效應(yīng)。

總之，麥棉兩熟種植棉花在管理上，棉花生長(zhǎng)前期可采用育苗移栽、地膜覆蓋等促進(jìn)早發(fā)的栽培措施，5月、6月重視田間灌溉補(bǔ)水，充分利用光熱資源，促進(jìn)搭建豐產(chǎn)株型;中后期采取去空枝、打老葉，防止田間蔭蔽，降低空氣濕度等措施，對(duì)促進(jìn)棉花早發(fā)、早熟、提高產(chǎn)量十分有利。

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