棉花株式圖信息數(shù)字化方法及其應(yīng)用

雷亞平，韓迎春，王國平，馮璐，楊北方，范正義，支曉宇，王占彪，熊世武，魏曉文，李亞兵

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點實驗室，河南安陽455000）

棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)受結(jié)鈴時間、棉鈴所處空間部位以及棉株生理年齡影響[1]。棉花產(chǎn)量是單位面積成鈴數(shù)、鈴重、衣分的乘積[2]，其中鈴數(shù)對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為90%[3]。所以建立合理的成鈴結(jié)構(gòu)是提高棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)的1個重要方法。棉花蕾鈴脫落是生產(chǎn)中普遍存在的問題，多數(shù)陸地棉脫落率為60%～70%[4]，因為棉花的補(bǔ)償效應(yīng)，花鈴的脫落不一定會導(dǎo)致減產(chǎn)[5]，但蕾鈴脫落影響棉鈴的時空分布。品種、光照、溫度、土壤水分、氮素等因素都對棉花蕾鈴生長發(fā)育和脫落有重要影響[6-9]，進(jìn)而影響棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，深入分析棉花的蕾鈴分布、脫落規(guī)律，掌握棉花生長發(fā)育特征對提高棉花單位面積產(chǎn)量和纖維品質(zhì)有十分重要的意義。

棉花株式圖是棉花生殖器官時空分布特征的描述，如何科學(xué)、快速、直觀地描述棉花株式圖分布特征，對了解棉花生長發(fā)育特征具有重要的意義。目前棉花科研工作中常用的棉花株式圖都是以符號進(jìn)行記錄和存儲，其分布主要以人工統(tǒng)計結(jié)果為依據(jù)，按照圓錐體株式圖歸類[4，10-11]。有關(guān)株式圖信息化的研究中，國內(nèi)僅見鄭曙峰通過數(shù)字與字母結(jié)合的方式記錄株式圖信息，并利用Foxpro語言編寫了計算機(jī)程序統(tǒng)計分析不同生育期棉花株式圖[12]；但其數(shù)據(jù)的錄入、瀏覽等僅能在程序提供的格式中進(jìn)行，使用者不能根據(jù)自己的需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計，而且計算結(jié)果仍僅是手工簡單統(tǒng)計獲得的信息，不能反映各果節(jié)上生殖器官的生育情況。美國的棉花生產(chǎn)管理系統(tǒng)COTMAN中采用數(shù)字記錄各主莖枝第1果節(jié)蕾、鈴生殖器官的狀況來監(jiān)測棉花生育進(jìn)程，1表示蕾，2表示鈴，用0表示生殖器官脫落，僅依據(jù)第一果節(jié)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計脫落率等株式圖信息[13-14]。

棉花科研工作一般需要在棉花生長發(fā)育階段進(jìn)行多次株式圖調(diào)查，每次株式圖調(diào)查往往要求多點、多株，統(tǒng)計數(shù)據(jù)多而且統(tǒng)計數(shù)據(jù)應(yīng)能反映不同品種、株型的生長發(fā)育特性，這就需要數(shù)據(jù)盡可能具體到不同果枝不同果節(jié)上，而目前在數(shù)據(jù)繁多的株式圖統(tǒng)計上沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，基本采用人工手動統(tǒng)計，費(fèi)時耗力且容易出錯。因此研究棉花株式圖信息化不僅能夠節(jié)省時間，提高準(zhǔn)確性而且能夠為科研工作提供更加詳細(xì)的株式圖信息。本研究方法擬利用獨特的株式圖信息存儲方法，通過VB編程，快速、準(zhǔn)確展示棉花每一果枝不同節(jié)位蕾、花、鈴、絮、脫落等各項指標(biāo)的空間分布特征，為實現(xiàn)長勢監(jiān)測和科學(xué)調(diào)控提供依據(jù)。

表1 株式圖信息數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The digitizing standard of plant mapping information

1 株式圖信息數(shù)字化

1.1 株式圖信息數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)

株式圖信息的記錄方式一般有圖形符號、字母和數(shù)字3種，其中圖形符號記錄和統(tǒng)計最繁瑣。在以往研究的基礎(chǔ)上，為了方便、快捷地進(jìn)行統(tǒng)計、分析，構(gòu)建了株式圖信息數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)（表1）。棉株上的營養(yǎng)枝用－1定義，果枝編號以其出現(xiàn)的順序用正整數(shù)1，2，3，…定義。棉株性狀信息中株高以厘米（cm）為單位的測量數(shù)據(jù)記錄，蕾、花、小鈴、大鈴、絮、爛鈴等性狀分別用數(shù)字1～6表示，如果脫落用數(shù)字7表示。

1.2 株式圖信息數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

株式圖調(diào)查結(jié)果數(shù)字化存儲時采用常用的Excel表格，表格包含年份、日期、處理、重復(fù)、株號、果枝、性狀7個字段（表2）。年份和日期字段記錄調(diào)查株式圖信息的時間；株式圖調(diào)查對象一般包括多處理多重復(fù)多棉株的不同果枝，處理、重復(fù)、株號和果枝字段記錄所調(diào)查棉株的對應(yīng)信息；性狀字段從左到右的每位數(shù)字記錄對應(yīng)果枝從第1果節(jié)開始向外每個果節(jié)上各生殖器官的性狀，其中果枝字段值為0的對應(yīng)性狀字段值表示株高。

表2 數(shù)字化株式圖信息存儲Table 2 The storage table of digitizing plant mapping information

1.3 株式圖信息統(tǒng)計指標(biāo)

利用數(shù)字化的株式圖信息不僅可以計算傳統(tǒng)的株式圖指標(biāo)，而且可以計算出棉株中每個節(jié)位的蕾、花、幼鈴、成鈴、絮、脫落等生殖器官性狀出現(xiàn)的概率，以反映整個棉田群體的熟性及生長發(fā)育進(jìn)程。某果節(jié)生殖器官性狀發(fā)生概率計算公式式中Pij為第i果枝j果節(jié)生殖器官發(fā)生概率，n為調(diào)查總棉株數(shù)，nijk為第k株棉花i果枝j果節(jié)生殖器官發(fā)生與否，若發(fā)生記為1，若不發(fā)生記為0。

1.4 株式圖結(jié)果的自動化與可視化

利用VB（Visual Basic）編程語言編制株式圖信息處理程序，首先將存儲株式圖信息的Excel表格數(shù)據(jù)自動讀取，其次程序自動列出表中存儲的處理名稱，使用者可根據(jù)需要選擇不同的處理和需要統(tǒng)計的項目，統(tǒng)計項目包括株高和每個果枝各果節(jié)生殖器官性狀發(fā)生概率，最后程序根據(jù)選擇進(jìn)行處理，并輸出Excel形式和圖形化的統(tǒng)計結(jié)果。將Excel數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入Surfer軟件，繪制棉花各生殖器官性狀概率分布圖。

1.5 田間數(shù)據(jù)采集與分析

1.5.1 數(shù)據(jù)采集方法。2016年從中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所東場試驗田 （河南省安陽市白璧鎮(zhèn)）的品種試驗中采集數(shù)據(jù)，參試的10個品種（系）有短果枝品系（Short fruit branch line）、冀棉 228（Jim ian 228）、冀棉 958（Jim ian 958）、魯棉研 28（Lumianyan 28）、 中 113 （Zhong 113）、 中 3799（Zhong 3799）、 中棉所 60 （CCRI 60）、 中 6913（Zhong 6913）、 中棉所 79 （CCRI 79）、 中 915（Zhong 915）。在每個品種（系）處理3個重復(fù)的棉花群體中分別選取能代表群體長勢的連續(xù)10株棉花，掛牌標(biāo)記，于6月24日（蕾期）、8月3日（花鈴中期）、9月15日 （吐絮期）記錄各棉株株高、蕾、花、小鈴、大鈴、脫落、吐絮鈴、爛鈴的空間分布。

1.5.2 數(shù)據(jù)分析。按1.3～1.4方法進(jìn)行株式圖信息處理和數(shù)字化株式圖繪制。此外，利用Excel數(shù)據(jù)制作中3799、短果枝品系、中6913花鈴中期1～4果節(jié)生殖器官脫落概率分布圖和吐絮期所有品種（系）1～4果節(jié)成鈴概率分布圖，通過舉例展示形成的數(shù)字化信息的多種利用途徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 蕾期棉蕾的空間分布

選擇6月24日10個品種（系）數(shù)字化的棉花株式圖信息，分別統(tǒng)計數(shù)據(jù)表中30株棉花每個果枝各個果節(jié)的現(xiàn)蕾數(shù)量，進(jìn)一步計算出現(xiàn)蕾概率。根據(jù)計算結(jié)果，形成蕾期各品種現(xiàn)蕾概率分布圖（圖1）。分布圖顯示出，從冠層底部果枝到上部果枝，從內(nèi)圍果節(jié)到外圍果節(jié)，現(xiàn)蕾概率總體呈下降趨勢，這與棉花現(xiàn)蕾開花順序相符，但品種（系）間現(xiàn)蕾概率有差異。

2.2 花鈴期生殖器官及脫落的空間分布

圖1 蕾期不同品種棉株上現(xiàn)蕾概率的空間分布Fig.1 The distribution of square probability of different cotton varieties(strains)in the squaring stage

選擇8月3日10個品種（系）數(shù)字化的棉花株式圖信息，分別統(tǒng)計數(shù)據(jù)表中30株棉花每個果枝對應(yīng)性狀欄各個果節(jié)的生殖器官數(shù)量和脫落數(shù)量，進(jìn)一步計算出生殖器官發(fā)生概率與脫落概率。根據(jù)計算結(jié)果，形成花鈴期各品種（系）生殖器官發(fā)生概率與脫落概率分布圖（圖2、圖3）。從分布圖可看出：各品種（系）棉株上生殖器官空間分布呈現(xiàn)“下空型”特點，中下部果枝生殖器官出現(xiàn)概率小，脫落概率大，外圍脫落概率大于內(nèi)圍；品種（系）間生殖器官發(fā)生概率與脫落概率差異較大。

進(jìn)一步分析品種間不同果節(jié)生殖器官脫落概率變化差異。選取花鈴期中期中3799、中6913和短果枝品系3個品種（系）并制作其花鈴期脫落率的分布圖（圖4）。3個品種（系）均表現(xiàn)為中下部第1果節(jié)脫落概率最低，除第一果節(jié)外的其他果節(jié)從第7果枝以上脫落概率出現(xiàn)下降趨勢，小于下部果枝，這與生殖器官分布呈現(xiàn)“下空”特點相符。中3799各果節(jié)脫落概率明顯高于中6913和短果枝品系，中6913中下部第1、第2果節(jié)脫落概率低于中3799和短果枝品系。

圖2 花鈴中期棉株上所有生殖器官發(fā)生概率的空間分布Fig.2 The distribution of reproduction organs occurrence probability of different cotton varieties(strains)in the middle of flowering stage

2.3 吐絮期棉鈴的空間分布

選擇9月15日10個品種（系）數(shù)字化的棉花株式圖信息，分別統(tǒng)計數(shù)據(jù)表中30株棉花每個果枝各個果節(jié)的成鈴數(shù)量，進(jìn)一步計算出成鈴概率。根據(jù)計算結(jié)果，形成吐絮期棉株成鈴概率的空間分布圖（圖5）。吐絮期各果枝上果節(jié)成鈴概率由里到外遞減，近主莖果節(jié)成鈴概率高于遠(yuǎn)主莖果節(jié)，而各果枝上的成鈴概率在品種間存在較大差異。

圖3 花鈴中期棉株上所有生殖器官脫落概率的空間分布Fig.3 The distribution of reproduction organs shedding probability of different cotton varieties(strains)in the middle of flowering stage

進(jìn)一步通過10個品種（系）各果枝1～4果節(jié)成鈴概率分布分析具體差異點。各品種（系）均表現(xiàn)為第1果節(jié)成鈴概率最高，第4果節(jié)成鈴概率最低，其中中6913第1、第2果節(jié)成鈴概率明顯高于其他品種（系）且在各果枝間波動較??；中3799成鈴概率總體偏低，除第2果枝第1果節(jié)外，其余各果節(jié)成鈴概率均低于0.3（圖6）。

圖4 3個品種（系）花鈴中期1～4果節(jié)生殖器官脫落概率Fig.4 The reproduction organs shedding probability in 1st～4th node of three varieties(strains)cotton in the middle of flowering stage

3 討論

本研究提出1種棉花株式圖信息數(shù)字化方法，通過規(guī)定數(shù)字代表相關(guān)的棉花生長發(fā)育信息創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)化的株式圖信息存儲，以代表群體株式圖性狀的某果節(jié)生殖器官性狀發(fā)生概率為主要指標(biāo)，利用VB軟件對標(biāo)準(zhǔn)化株式圖信息數(shù)據(jù)進(jìn)行編程處理實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及作圖，最后通過Surfer制作各生殖器官發(fā)生概率分布圖。

為驗證此株式圖信息數(shù)字化方法的效果，利用該方法分析了10個品種（系）的不同生育時期主要生殖器官發(fā)生概率的分布特征，結(jié)果表明：蕾期各品種現(xiàn)蕾概率分布圖特點與棉花現(xiàn)蕾開花順序相符。花鈴中期棉花生殖器官發(fā)生概率空間分布呈現(xiàn)“下空型”特點，吐絮期成鈴概率仍表現(xiàn)出“下空型”異常分布。本研究中花鈴中期棉花生殖器官發(fā)生概率為“下空型”，不同與正常年景的“中下部大于上部”[15-17]，主要原因是2016年7月份降雨較多，棉株發(fā)生旺長，過早封行，而棉蕾和幼鈴對漬水脅迫反應(yīng)敏感易脫落[8,18]，致使中下部果枝蕾鈴嚴(yán)重脫落。

可見，利用此株式圖信息數(shù)字化方法能夠準(zhǔn)確、直觀地描述蕾、鈴生長發(fā)育及脫落的時空分布特點，而且可詳細(xì)計算出各果枝不同果節(jié)上的概率變動并生成趨勢圖。此方法的另一特性是利用Excel表存儲數(shù)據(jù)，使用者可以直接利用開發(fā)的VB程序打開并自動分析處理，也可根據(jù)需要自行進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，簡便快捷。本方法的不足之處是利用Surfer形成分布圖時，需要在Excel中對數(shù)據(jù)進(jìn)行行列變換。

圖5 吐絮期棉株成鈴概率的空間分布Fig.5 The distribution of boll emerging probability of different cotton varieties(strains)in the opening boll stage

4 結(jié)論

采用本研究建立的方法能夠快速繪制多個品種不同生育期各生殖器官發(fā)生概率的時空分布圖和各果枝不同果節(jié)概率分布圖，可通過數(shù)字化信息直觀反映棉花的熟性及生長發(fā)育進(jìn)程，從而為科研工作和生產(chǎn)管理提供技術(shù)支持。

圖6 吐絮期10個品種（系）1～4果節(jié)成鈴概率Fig.6 The boll emerging probability in 1～4 position of different cotton varieties(strains)in the opening boll stage

[1]中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所.中國棉花栽培學(xué)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2013:441,449.Institute of Cotton Research,Chinese Academy of Agricultural Sciences.Cotton farming in China[M].Shanghai:Shanghai Scientific and Technical Publishers,2013:441,449.

[2]Ritchie G L,Whitaker J R,Bednarz C W,et al.Subsurface drip and overhead irrigation:A comparison of plant boll distribution in upland cotton[J].Agronomy Journal,2009,101(6):1336.

[3]Sharma B,M ills C I,Snowden C,et al.Contribution of boll mass and boll number to irrigated cotton yield[J].Agronomy Journal,2015,107(5):1845-1853.

[4]郝良光.從株式圖分析抗蟲棉的蕾鈴脫落及成鈴分布[J].江西棉花,2007,29(1):16-19.Hao Liangguang.Analyzing the distribution of square and boll shedding and boll present of Bt cotton by plant mapping[J].Jiangxi Cotton,2007,29(1):16-19.

[5]Hearn A B,Room P M.Analysis of crop development for cotton pest management[J].Protection Ecology,1979,399(399):220-225.

[6]周治國,孟亞利,施培.苗期遮蔭對棉花產(chǎn)量與品質(zhì)形成的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2002,13(8):997-1000.Zhou Zhiguo,Meng Yali,Shi Pei.Effect of seedling stage shading on cotton yield and its quality formation[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2002,13(8):997-1000.

[7]李秉柏,方娟.棉花生育期模擬模型的研究[J].棉花學(xué)報,1991,3(2):59-68.Li Bingbai,Fang Juan.The study on simulation model of cotton development[J].Cotton Science,1991,3(2):59-68.

[8]鄧天宏,朱自璽,方文松,等.土壤水分對棉花蕾鈴脫落和纖維品質(zhì)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,1998,19(3):8-13.Deng Tianhong,Zhu Zixi,Fang Wensong,et al.The effect of soil moisture on abscission rate of squares and bolls and fiber quality of cotton[J].Chinese Journal of Agrometeorology,1998,19(3):8-13.

[9]胡明芳,田長彥,馬英杰,等.氮素營養(yǎng)對棉鈴形成與脫落的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2005,23(1):95-98.Hu M ingfang,Tian Changyan,Ma Yingjie,et al.Effects of nitrogen on the formation and shedding of cotton bolls[J].Agricultural Research in the Arid Areas,2005,23(1):95-98.

[10]李庠,李育強(qiáng),肖才升.從株式圖分析抗蟲棉與非抗蟲棉的蕾鈴脫落及成鈴分布[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2009(1):42-43.Li Xiang,Li Yuqiang,Xiao Caisheng,Comparison of the distribution of square and boll shedding and boll present of Bt and non-Bt cotton by plant mapping[J].Hunan Agricultural Sciences,2009(1):42-43.

[11]王國平,李家勝,李國萍,等.早熟陸地棉成鈴空間分布株式圖分析[J].新疆農(nóng)墾科技,2014(4):16-17.Wang Guoping,Li Jiasheng,Li Guoping,et al.Study on the distribution of bolls of early maturing upland cotton by reproductive pattern[J].Xinjiang Farm land Science&Technology，2014(4):16-17.

[12]鄭曙峰.利用計算機(jī)對棉花株式圖進(jìn)行統(tǒng)計分析[J].中國棉花,1998,25(10):33.Zheng Shufeng.Statistical analysis of the cotton plant mapping by computer[J].China Cotton,1998,25(10):33.

[13]Adviento-Borbe M A,Barnes B D,Iseyemi O,et al.Water quality of surface runoff and lint yield in cotton under furrow irrigation in Northeast Arkansas[J].Science of the Total Environment,2018,2:81-87.

[14]Oosterhuis D M,Bourland F M.COTMAN crop management system[G].[S.l]:[s.n.],2008:31-36.

[15]陳金湘,李曼瑞.棉花高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低耗栽培實用模型的研究Ⅱ.栽培條件與棉株成鈴模式及產(chǎn)量形成的關(guān)系[J].湖南農(nóng)學(xué)院學(xué)報,1987,37(4):9-16.Chen Jinxiang,Li Manrui.Researches on cotton cultivation model Ⅱ.The relationship between culture conditions and the fruiting model and yield formation[J].Journal of Hunan Agricultural College,1987,37(4):9-16.

[16]李琴.地膜棉蕾鈴脫落規(guī)律及增蕾保鈴措施[J].新疆農(nóng)墾科技,2005(1):10-11.Li Qin.Study on the regulation of the square and boll shedding and the measures of increasing squares and bolls of film-covered cotton[J].Xinjiang Farm land Science&Technology,2005(1):10-11.

[17]談春松.棉花株型栽培研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),1993,26(4):36-43.Tan Chunsong.Study on plant type cultivation of cotton[J].A-gricultural Sciences in China,1993,26(4):36-43.

[18]程林海,張原根,閻繼耀,等.土壤干旱對棉花生理特性與產(chǎn)量的影響[J].棉花學(xué)報,1995,7(4):233-237.Cheng Linhai,Zhang Yuangen,Yan Jiyao,et al.The effect of dry land on the physiological characters and yields in cotton[J].Cotton Science,1995,7(4):233-237.