通徑法分析控制排水條件下影響棉花產(chǎn)量的因素

袁念念，黃介生，謝 華

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院農(nóng)業(yè)水利研究所，武漢 430010;2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

1 研究背景

棉花的產(chǎn)量一般以皮棉產(chǎn)量表示［1－3］。皮棉產(chǎn)量通常由單位面積總鈴數(shù)、平均鈴重和衣分3部分組成。當(dāng)3個(gè)因素都大時(shí)，產(chǎn)量最高。3個(gè)因素中除衣分主要受遺傳特性支配外，其它二者受外界環(huán)境影響。影響總鈴數(shù)的因素有種植密度與配置、土壤肥力和水分等;影響鈴重的因素有溫度、有機(jī)養(yǎng)料、肥水條件、病蟲(chóng)害等。不同種植密度［4］、不同栽培條件［5］等種植技術(shù)會(huì)對(duì)棉花產(chǎn)量造成影響，生育期內(nèi)葉面積指數(shù)［6］、果枝數(shù)等生長(zhǎng)指標(biāo)也是棉花能否達(dá)到高產(chǎn)的衡量指標(biāo)之一。水分和肥料通過(guò)影響葉面積指數(shù)、單鈴重等對(duì)產(chǎn)量造成影響［7，1］。因此，棉花優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的人為控制因素主要是水分和肥料。

李樂(lè)農(nóng)等［8］進(jìn)行淹水試驗(yàn)研究，結(jié)果表明棉花蕾期對(duì)淹水最敏感，且由于減少了總鈴數(shù)導(dǎo)致減產(chǎn)最嚴(yán)重。花鈴期追肥數(shù)量、種類、時(shí)間是棉花能否達(dá)到高產(chǎn)的重要因素［9］?？刂婆潘且环N新型的農(nóng)田排水管理措施，可以減少排水量，改變土壤水分狀況和土壤中養(yǎng)分運(yùn)移狀況，影響作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，從而影響作物產(chǎn)量。國(guó)外已有研究表明［10］，合理的控制排水措施可以提高大豆、玉米產(chǎn)量，國(guó)內(nèi)少有關(guān)于控制排水措施提高作物產(chǎn)量的研究報(bào)道。本文通過(guò)設(shè)置不同的控制水位處理和施氮量處理，進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)和理論分析，研究了提高棉花產(chǎn)量的最佳控制水位和施氮量組合。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖北四湖管理局荊州丫角排灌試驗(yàn)站。該試驗(yàn)站位于四湖水系中區(qū)，E 112°31'，N 30°21'，海拔高程29.4m，試驗(yàn)場(chǎng)地傍靠四湖總干渠。地勢(shì)平坦，土壤肥沃，土質(zhì)為中壤黏土，耕作層氮、磷、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.5，1.5，15mg/kg。多年平均氣溫16.5℃，多年平均降雨量1 122.0mm，多年平均水面蒸發(fā)量為977.4mm，多年平均日照時(shí)數(shù)為1 552.0 h，無(wú)霜期280d左右，試驗(yàn)區(qū)常年地下水埋深在1m左右。站址在平原湖區(qū)具有一定的代表性。

試驗(yàn)選取20個(gè)測(cè)坑，各坑面積均為2m×2m。測(cè)坑邊墻由混凝土砌成，高出地面1.8 m，相鄰測(cè)坑之間沒(méi)有地下水位的交叉影響。坑內(nèi)按大田土壤剖面組成填充土壤，土壤層厚1.5m。各坑內(nèi)埋設(shè)地下水位觀測(cè)井，埋設(shè)深度為地面以下1.5m。2排測(cè)坑中間裝有灌溉水管，在各個(gè)測(cè)坑處有支管，裝有水龍頭便于干旱時(shí)灌溉。測(cè)坑外側(cè)留有排水孔，分別位于土表、土層中部及底部。底部的排水孔接有軟管，與馬氏箱底部連接，測(cè)坑與馬氏箱組成一個(gè)“連通器”(見(jiàn)圖1)。根據(jù)連通器原理，馬氏箱內(nèi)水位高程即為測(cè)坑內(nèi)水位高程。箱內(nèi)有一個(gè)隔板，把箱體隔成了2部分，每部分有1個(gè)直徑約2cm的孔。2個(gè)孔口均接有軟管，一孔用于承接測(cè)坑排水，另一孔用于馬氏箱排水?？觾?nèi)排水通過(guò)底部排水孔進(jìn)入馬氏箱，當(dāng)箱內(nèi)水位高度超過(guò)隔板后通過(guò)另一個(gè)排水孔排出。隔板頂部離測(cè)坑地面的高度為設(shè)定的控制水位，調(diào)節(jié)測(cè)坑控制排水的工作原理是通過(guò)調(diào)節(jié)馬氏箱的高度改變隔板頂部高程從而控制測(cè)坑排水水位。

圖1 測(cè)坑水位控制裝置示意圖Fig.1 Schematic of water table controlling device in test pits

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)變量有控制排水水位和施氮量。控制排水水位依據(jù)正交試驗(yàn)原則進(jìn)行選擇。以生育階段和控制水位作為2個(gè)因素，生育期分4個(gè)不同生育階段(苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期)，視為4個(gè)因素水平;控制水位埋深選取30，40，50，60，80cm 等5個(gè)因素水平，根據(jù)棉花在各個(gè)生育階段需水情況進(jìn)行正交設(shè)計(jì)，得到3種調(diào)節(jié)方案:30－40－40－30cm(苗期30cm、蕾期40cm、花鈴期40cm、吐絮期 30cm，下同);50－60－60－50cm;80－80－80－80cm。并與100－100－100－100cm水位組合為自由排水對(duì)照。施氮量分3個(gè)水平:高水平H，常規(guī)水平C，低水平L。常規(guī)水平為當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)施氮量，H高出C水平的30%，L低于C水平的30%。將控制水位和施氮量進(jìn)行組合，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表1，各處理施氮量如表2。

表1 控制水位和施氮量組合試驗(yàn)方案Table 1 Experiment schemes of water table control combined with nitrogen application

表2 各處理施氮量和施肥種類Table 2 Categories and quantities of nitrogenous fertilizer

2.3 試驗(yàn)作物

試驗(yàn)用棉花品種為湘雜棉3號(hào)，生育期為175 d，表3為棉花各個(gè)生育階段劃分。

表3 棉花生育階段起止時(shí)間Table 3 Date of the beginning and end of cotton’s growth stage

2.4 觀測(cè)數(shù)據(jù)和方法

根據(jù)本研究的目的，試驗(yàn)主要測(cè)定棉花生育期內(nèi)作物各生長(zhǎng)指標(biāo)，包括株高、果枝數(shù)、現(xiàn)蕾數(shù)、結(jié)鈴數(shù)、不同生育階段葉面積指數(shù)、單鈴重、總產(chǎn)量等。每個(gè)測(cè)坑內(nèi)選定一株進(jìn)行標(biāo)記定株，整個(gè)生育期內(nèi)固定作為代表。整個(gè)生育期內(nèi)，測(cè)定樣本植株的各指標(biāo)，各指標(biāo)測(cè)定方法如下:

(1)葉面積指數(shù):每個(gè)生育階段測(cè)定1次;苗期，葉片較小時(shí)采用葉面積儀測(cè)定;蕾期、花鈴期及吐絮期則用長(zhǎng)寬系數(shù)法，即測(cè)定葉片長(zhǎng)和寬，乘以系數(shù)0.77。

(2)株高:以固定的植株作為代表，用卷尺測(cè)量。每個(gè)生育階段測(cè)定1次。

(3)果枝數(shù):凡有現(xiàn)蕾的果枝均計(jì)算在內(nèi)。

(4)現(xiàn)蕾數(shù):人工統(tǒng)計(jì)樣本植株的現(xiàn)蕾數(shù)。蕾期和花鈴期現(xiàn)蕾較多。

(5)結(jié)鈴數(shù):人工統(tǒng)計(jì)樣本植株的結(jié)鈴數(shù)。

(6)產(chǎn)量:分次測(cè)產(chǎn)，每次收獲后統(tǒng)計(jì)鈴數(shù)及總重，計(jì)算單鈴重。

試驗(yàn)?zāi)攴?010年雨水充足，未進(jìn)行灌溉。降雨資料來(lái)自站內(nèi)的氣象站。

3 結(jié)果與分析

3.1 通徑法分析影響棉花產(chǎn)量的主要因素

微區(qū)棉花生長(zhǎng)指標(biāo)包括畝總株數(shù)、株高、行距、單株鈴數(shù)、單株現(xiàn)蕾數(shù)、單株開(kāi)花數(shù)、單株果枝數(shù)、葉面積指數(shù)、單個(gè)測(cè)坑產(chǎn)量、單鈴重等。通過(guò)計(jì)算直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)，分析各因素對(duì)產(chǎn)量的影響大小。

以單個(gè)測(cè)坑總產(chǎn)量y為因變量，單個(gè)測(cè)坑總鈴數(shù)x1、單鈴重x2、盛鈴期葉面積指數(shù)x3、盛鈴期單株果枝數(shù)x4、株高x5為自變量，采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行逐步回歸分析。逐步回歸分析從可供選擇的5個(gè)自變量中逐步加入或剔除某個(gè)自變量，直至建立最優(yōu)的回歸方程為止。通過(guò)逐步回歸分析，得到模型匯總結(jié)果如表4。模型1表示自變量只有x1，模型2表示添加了自變量x2。隨著自變量被逐步引入回歸方程，回歸方程的相關(guān)系數(shù)R和決定系數(shù)R2在逐漸增大，說(shuō)明引入的自變量對(duì)總產(chǎn)量的作用在增加，模型2為最優(yōu)回歸模型。決定系數(shù)R2=0.999，剩余因子較小，即對(duì)單個(gè)測(cè)坑總產(chǎn)量有影響的自變量主要是總鈴數(shù)和單鈴重。

表4 線性回歸模型匯總Table 4 Aggregation of linear regression model

表5為各自變量的偏回歸系數(shù)、方程截距、標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)(即通徑系數(shù))、標(biāo)準(zhǔn)誤差以及相對(duì)應(yīng)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，由此得到線性回歸方程為y=－1 365.227+3.524x1+386.920x2，自變量x1，x2對(duì) y 的直接作用分別是 P1y=0.988，P2y=0.320。

表5 回歸系數(shù)輸出結(jié)果Table 5 Output of regression coefficients

表6為相關(guān)系數(shù)及檢驗(yàn)輸出結(jié)果。從表中可知各自變量之間的相關(guān)系數(shù)分別是r12=r21=－0.126，自變量x1，x2與因變量y之間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)分別是 r1y=0.948，r2y=0.195。x1通過(guò) x2對(duì) y的間接通徑系數(shù)為r12×P2y=(－0.126)×0.320=－0.040 32，x2通過(guò) x1對(duì) y的間接通徑系數(shù)為r21×P1y=(－0.126)×0.948=－0.119 448。

表7為相關(guān)系數(shù)分解表。從表7可以看出，單個(gè)測(cè)坑總鈴數(shù)對(duì)測(cè)坑棉花產(chǎn)量的直接作用最大，其對(duì)產(chǎn)量的直接作用系數(shù)達(dá)到0.988;其次是單鈴重，其對(duì)產(chǎn)量的直接作用系數(shù)是0.320。單個(gè)測(cè)坑總鈴數(shù)通過(guò)單鈴重對(duì)產(chǎn)量起到一定負(fù)值間接作用，但這個(gè)值較小，只有－0.040 32;單鈴重通過(guò)總鈴數(shù)對(duì)單個(gè)測(cè)坑的產(chǎn)量起到一定負(fù)值間接作用，但值也較小。

表6 相關(guān)系數(shù)及檢驗(yàn)輸出結(jié)果Table 6 Output of correlation coefficients and inspections

表7 簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)的分解Table 7 Decomposition of simple correlation coefficients

3.2 施氮量對(duì)產(chǎn)量影響研究

表8和圖2為同一施氮水平下各控制水位處理產(chǎn)量。由表8可以看出，常規(guī)和低施氮水平下，80cm處理產(chǎn)量最高;高施氮水平下控制水位為30cm時(shí)最高。各處理平均產(chǎn)量為高施氮水平下最高，常規(guī)施氮水平下最低。從圖2中可以看出，常規(guī)和低施氮水平下，產(chǎn)量隨著控制水位降低而提高，當(dāng)控制水位為80cm時(shí)產(chǎn)量最高，自由排水處理產(chǎn)量又下降;高施氮水平下，控制水位為30cm時(shí)產(chǎn)量較其他處理高，當(dāng)控制水位降到80cm及自由排水時(shí)，產(chǎn)量與其他處理無(wú)明顯差異。

表8 同一施氮水平不同控制水位處理單鈴重及產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)Table 8 Individual cotton boll weight and cotton yields of controlled water table treatments in the presence of equivalent nitrogen application

圖2 同一施氮水平下不同控制排水處理平均產(chǎn)量Fig.2 Average cotton yield of different controlled drainage treatments in the presence of equivalent nitrogen application

表9和圖3為同一控制水位條件下不同施氮水平處理棉花產(chǎn)量。從表中可以看出，不同控制水位處理平均產(chǎn)量大小排序?yàn)?80－80－80－80cm＞自由排水＞30－40－40－30cm＞50－60－60－50cm。

表9 同一控制水位各施氮處理單鈴重及總產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)Table 9 Individual cotton boll weight and cotton yields of different nitrogen application treatments in the presence of equivalent controlled water table

圖3 同一控制水位下不同施氮水平平均產(chǎn)量Fig.3 Average cotton yield of different nitrogen application treatments in the presence of equivalent controlled water table

從圖3可以看出，控制水位為30－40－40－30cm時(shí)，不同施氮水平間產(chǎn)量差異較大，表現(xiàn)在高施氮水平下產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)和低施氮水平;而控制水位為50－60－60－50，80－80－80－80cm 和自由排水處理在不同施氮水平下的產(chǎn)量差別較小，常規(guī)施氮水平下50－60－60－50cm處理產(chǎn)量略低于高、低施氮水平，80－80－80－80cm和自由排水處理產(chǎn)量略高于高、低施氮水平。

4 結(jié)論

由通徑分析法知，結(jié)鈴數(shù)和單鈴重是影響單個(gè)測(cè)坑產(chǎn)量的主要因子，其中結(jié)鈴數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響貢獻(xiàn)最大。各處理單鈴重之間無(wú)明顯差別，因此，造成產(chǎn)量差別的主要原因?yàn)榻Y(jié)鈴數(shù)。無(wú)論施氮多少，自由排水和控制水位80cm的處理結(jié)鈴數(shù)較控制水位30cm和50cm處理多且控制水位為80cm的處理結(jié)鈴總數(shù)最多?？刂扑?0cm的處理產(chǎn)量最高，其次是自由排水處理，控制水位為30cm和50cm的處理產(chǎn)量較低。

施氮水平對(duì)棉花產(chǎn)量的影響不及控制排水措施明顯;當(dāng)控制水位為80cm時(shí)，排水較充分，既不會(huì)造成過(guò)度排水，又有利于增加棉花結(jié)鈴數(shù)和產(chǎn)量。

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