油菜新品種‘重蓉油1號’直播高產(chǎn)栽培數(shù)學(xué)模型研究

李艷花，周 燕*，石有明，肖長明，黃書琴，劉 濤，黃華磊**

(1重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院特色作物研究所，重慶 402160；2重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技處，重慶 401329)

油菜是重慶地區(qū)重要的小春作物，也是為數(shù)不多的冬季填閑經(jīng)濟(jì)作物[1]。隨著近年來機(jī)耕機(jī)播機(jī)收等輕簡栽培技術(shù)及水稻-油菜輪作模式的推廣，重慶油菜種植面積逐年遞增，2018年達(dá)25.02萬hm2，在國家取消油菜籽托市收購政策后，全國油菜種植面積下降的趨勢下實(shí)屬不易。

水稻-油菜輪作模式是重慶稻區(qū)主要的生產(chǎn)方式，可以提高肥料利用率，增加兩季作物產(chǎn)量[2-3]，近年來應(yīng)用較多，然而在重慶油菜生產(chǎn)中不影響下茬水稻種植的早熟油菜品種較少?！厝赜?號’是生育期短、出油率高的甘藍(lán)型早熟雙低無蠟粉標(biāo)記三系雜交油菜新品種，因其優(yōu)良的早熟性適合在稻油輪作模式中栽培，深受重慶地區(qū)種植戶歡迎[4]。

油菜產(chǎn)量受各種栽培因素的影響，其中播期、種植密度、施氮量、移栽方式等是影響油菜產(chǎn)量的重要因子，對油菜產(chǎn)量的調(diào)控起關(guān)鍵作用[5]。油菜直播可節(jié)省勞動力，降低生產(chǎn)成本，提高機(jī)械化生產(chǎn)程度，成為近年油菜生產(chǎn)的主要種植模式。為順應(yīng)當(dāng)前油菜機(jī)械化生產(chǎn)中“以密補(bǔ)肥、化肥農(nóng)藥雙減”栽培的發(fā)展趨勢，擴(kuò)大早熟油菜新品種‘重蓉油1號’的推廣應(yīng)用，提高油菜機(jī)械化生產(chǎn)水平和冬閑田利用率，本試驗進(jìn)行‘重蓉油1號’直播高產(chǎn)栽培數(shù)學(xué)模型研究和直播高產(chǎn)綜合栽培模式探索，以期達(dá)到充分發(fā)揮品種優(yōu)良特性、節(jié)省勞力和節(jié)約成本的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

早熟油菜新品種‘重蓉油1號’種子由重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院特色作物研究所提供。

1.2 試驗方法

試驗于2014年9月—2015年5月在重慶市永川區(qū)渝西作物試驗站示范基地進(jìn)行。試驗田地勢平坦，四周向陽，排灌方便，前作為水稻。土壤類型為紅壤，土壤中速效氮、速效磷、速效鉀、速效硼含量分別為145 mgkg、8.4 mgkg、98 mgkg、0.3 mgkg。試驗采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，設(shè)播期、種植密度和施氮量3個試驗因素，各因素水平見表1，共23個處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積約13.33 m2(417 cm×320 cm)，小區(qū)間隔40 cm，觀察走道60 cm，試驗地四周設(shè)保護(hù)行1.2 m。

表1 試驗因素和水平

Table 1 Test factors and levels

注：因素水平編碼γ=1.682

1.3 田間試驗概況

在9月12日前旋耕試驗地，按試驗小區(qū)短邊方向開溝作廂，廂面寬440cm，溝寬60cm。播種前化學(xué)除草，直播當(dāng)天施入基肥，按種植密度要求的行距開溝條播并定苗。氮肥分3 次施用，基肥、苗肥和蕾薹肥分別占50%、45% 和5%；鉀肥150 kghm2，60%作基肥施用，40%作開盤肥；磷肥345 kghm2和硼肥15 kghm2全作基肥施用。在苗齡6—7葉時進(jìn)行化學(xué)除草，并在初花期防治菌核病1次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)和作圖，采用DPS 15.10軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)分析，建立數(shù)學(xué)模型并對其進(jìn)行顯著性檢驗，利用“降維法”進(jìn)行單因素效應(yīng)和交互作用分析[6]，并尋找最優(yōu)方案。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型建立

將表1各因子水平和編碼代入試驗小區(qū)，以各小區(qū)實(shí)際產(chǎn)量結(jié)果(表2)建立數(shù)學(xué)模型，得到‘重蓉油1號’直播方式下產(chǎn)量的二次多項式回歸模型：

Y=1 878.179+50.868X1+245.269X2+72.438X3-18.918X12+214.370X22+60.612X32+105.000X1X2+37.500X1X3+41.250X2X3

(1)

表2 三元二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗結(jié)果及結(jié)構(gòu)矩陣

對該回歸模型進(jìn)行顯著性檢驗發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)失擬=1.761F0.01=4.19，在0.01水平上極顯著，說明試驗數(shù)據(jù)與所采用的二次數(shù)學(xué)模型基本符合，二次回歸方程與實(shí)際情況擬合得較好，可以用來優(yōu)化和預(yù)報。

表3 回歸方程的顯著性檢驗

從回歸系數(shù)的顯著性檢驗來看(表4)，除X2、X22極顯著外，其余都不顯著。對P>0.2的項剔除后，得到優(yōu)化回歸方程為：

Y=1 878.179+245.269X2+72.438X3+214.370X22+105.000X1X2

(2)

表4 回歸系數(shù)的顯著性檢驗

2.2 效應(yīng)分析

2.2.1 主要因素效應(yīng)分析

由于本試驗采用無量綱編碼，根據(jù)張小容等[7]線性系數(shù)絕對判別法，可從一次項回歸系數(shù)絕對值大小直接判斷對應(yīng)因素對所研究指標(biāo)的影響程度?；貧w方程中，播期、種植密度和施氮量一次項系數(shù)絕對值大小決定了播期、種植密度和施氮量對‘重蓉油1號’產(chǎn)量的影響程度。回歸方程中，播期、種植密度和施氮量一次項系數(shù)絕對值分別為50.868、 245.269和72.438，說明3個因素對產(chǎn)量的影響程度為種植密度>施氮量>播期。

采用降維法將任意2個因素固定在0水平，得到另1個因素與產(chǎn)量的效應(yīng)方程，分別為：

播期的主效回歸方程Y1=1 878.179+50.868X1-18.918X12

(3)

種植密度的主效回歸方程Y2=1 878.179+245.269X2+214.370X22

(4)

施氮量的主效回歸方程Y3=1 878.179+72.438X3+60.612X32

(5)

由上述3個主效回歸方程可得3個因素分別與產(chǎn)量關(guān)系的主效圖(圖1)。可以看出，種植密度(X2)和施氮量(X3)與產(chǎn)量呈開口向上的拋物線關(guān)系，播期(X1)和施氮量對產(chǎn)量的影響效應(yīng)較小。播期在0—1.682水平時產(chǎn)量相對較高，說明適時早播可獲得較高的產(chǎn)量。

種植密度在-1.682—-1水平時，隨著種植密度增加，產(chǎn)量下降；在-1—0水平時，產(chǎn)量隨種植密度的增加而上升；在0—1.682水平時，隨種植密度增加產(chǎn)量快速上升?？梢姡谠囼炘O(shè)定的種植密度范圍內(nèi)，高種植密度水平下可獲得高產(chǎn)。

施氮量在0—1.682水平范圍內(nèi)，隨施氮量增加產(chǎn)量上升，在-1.682—0水平時，產(chǎn)量隨施氮量增加略有下降?？梢?，在試驗設(shè)定范圍內(nèi)，高水平施氮量有利于油菜增產(chǎn)。

2.2.2 邊際效應(yīng)分析

對各回歸子模型求一階導(dǎo)數(shù)，各因素的邊際效應(yīng)模型為：

邊際效應(yīng)指目標(biāo)結(jié)果隨單位因素變化而變化的大小，用來分析目標(biāo)結(jié)果的變化速率[7]。從圖2可以看出，當(dāng)某因素取-0.5水平以下時，各因素對產(chǎn)量的增加效果是X1>X3>X2；當(dāng)某因素取0水平以上時，各因素對產(chǎn)量的影響增加效果是X2>X3>X1。從各因素曲線斜率來看，種植密度較其他2個因素對產(chǎn)量的影響大。種植密度和施氮量在高水平時，產(chǎn)量顯著增加，而播期在高水平時產(chǎn)量略微降低。

2.2.3 互作效應(yīng)分析

試驗中，X1X2對產(chǎn)量的影響較其他兩個交互作用顯著，表明播期和種植密度的交互作用對產(chǎn)量也有影響。固定另外1個因素在0水平，得到如下二元回歸子模型：

Y=1 878.179+50.868X1+245.269X2-18.918X12+214.370X22+105.000X1X2(9)

從播期與種植密度的互作效應(yīng)來看，在低種植密度水平下(-1.682—-1)，播期越早產(chǎn)量越低，高種植密度水平下(0—1.682)，播期越早產(chǎn)量越高；在播期一定時，隨著種植密度的增加，產(chǎn)量先降低后升高，播期在-1.682—-1水平時，產(chǎn)量在種植密度為0水平時達(dá)到最低點(diǎn)；播期在0—1水平時，產(chǎn)量在種植密度為-1水平時達(dá)到最低點(diǎn)；在試驗設(shè)定的條件范圍內(nèi)，播期越早、種植密度越高，越有利于直播油菜產(chǎn)量增加?；プ餍?yīng)值顯示，種植密度和播期都在1.682水平時產(chǎn)量最高，達(dá)到3 226.35kghm2。

2.3 方程模擬選優(yōu)

計算機(jī)分析得出，直播條件下‘重蓉油1號’獲得高產(chǎn)時的水平組合為：X1=1.682、X2=1.682、X3=1.682，即播期為9月23日、種植密度為37.5萬株hm2、施氮量為270kghm2，此組合條件下可得到3 742.41 kghm2的最高產(chǎn)量。

以產(chǎn)量為目標(biāo)，在重慶市低海拔生態(tài)條件下建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，用計算機(jī)進(jìn)行模擬尋優(yōu)。以產(chǎn)量≥2 353.42 kghm2為優(yōu)進(jìn)行頻率統(tǒng)計，X的頻率統(tǒng)計如表5所示。由表5可知，‘重蓉油1號’在直播條件下高產(chǎn)的最優(yōu)模式為：10月2—18日播種，種植密度31.95萬—36.10萬株hm2，施氮量105.0—168.9 kghm2，此時平均預(yù)期產(chǎn)量可達(dá)2 816.18 kghm2。

表5 ‘重蓉油1號’直播產(chǎn)量≥2 353.42 kghm2栽培方案中Xi取值分布

Table 5Xivalue distribution in the cultivation scheme of ‘Chongrongyou 1’ direct seeding yield≥ 2 353.42 kghm2

3 討論

本試驗表明，種植密度是影響‘重蓉油1號’直播產(chǎn)量的主要因素，這與張小容等[7]研究基本一致。陳新軍等[8]也認(rèn)為種植密度與油菜高產(chǎn)關(guān)系密切，在生產(chǎn)中可通過提高種植密度增加群體有效角果數(shù)和千粒重，達(dá)到高產(chǎn)目的。李德文等[9]認(rèn)為適當(dāng)提高種植密度，可大幅提高油菜群體的葉面積指數(shù)和光能利用率，充分發(fā)揮油菜的群體效應(yīng)。馬霓等[10]研究發(fā)現(xiàn)，種植密度為31.5萬—36.0萬株hm2時油菜產(chǎn)量較高。

部分學(xué)者[6，11-13]研究發(fā)現(xiàn)，肥料對油菜產(chǎn)量的影響大于種植密度，也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)播期對油菜產(chǎn)量的影響大于肥料和種植密度[14]，這可能與油菜栽培模式、生態(tài)條件及土壤養(yǎng)分含量等不同有關(guān)。直播與育苗移栽油菜相比具有苗期出葉快、植株扎根深、單株有效分枝少、全生育期短、個體發(fā)育較差、長勢不均等特點(diǎn)[15-17]，因此肥料、種植密度、播期等因素對產(chǎn)量的影響作用會有差異。氣候、海拔等生態(tài)條件不同，油菜產(chǎn)量及含油量等均有差異[18-19]。油菜在適宜的播種期下可充分利用前期氣溫較高快速、整齊出苗，延長花芽分化時間，為油菜高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)[20]。Scott等[21]研究表明，油菜產(chǎn)量構(gòu)成因素如生物產(chǎn)量、分枝數(shù)、單株有效角果數(shù)、千粒重等與播期的關(guān)系密切，從而影響油菜收獲指數(shù)的高低。Mendham等[22]試驗表明，推遲播種期1 d，油菜整個生長發(fā)育期縮短0.62 d。作物產(chǎn)量在很大程度上取決于土壤速效養(yǎng)分含量與肥料施用量，土壤有效養(yǎng)分含量越高，土壤供肥能力越強(qiáng)，作物對當(dāng)季肥料的依賴程度越小，肥料的當(dāng)季增產(chǎn)效果越不明顯[23-24]。因此，不同田塊中肥料對油菜產(chǎn)量的影響有差異。李銀水等[25]、楊萬里等[26]研究表明，隨施氮量的增加，直播油菜實(shí)際產(chǎn)量顯著增加,且增產(chǎn)效果達(dá)到極顯著水平。其增產(chǎn)原因主要表現(xiàn)為高氮肥水平促進(jìn)增角、增粒，尤其是顯著增加一次分枝結(jié)角數(shù)而獲得高產(chǎn)。施用氮肥過多會造成角果層結(jié)角果過多而嚴(yán)重影響其他產(chǎn)量因素[27-29]。王列富等[30]研究表明，油菜最佳施氮量為 192—204 kghm2。

品種特性不同，其最適種植密度、需肥量等也不同。本試驗所采用的油菜品種‘重蓉油1號’為甘藍(lán)型早熟雙低無蠟粉標(biāo)記三系雜交油菜，其株型緊湊、角果直生，直播時耐高密度種植。本試驗得出獲得較高產(chǎn)的最適種植密度為31.95萬—36.10萬株hm2，施氮量為105—168.9 kghm2，得出的最適種植密度較大多數(shù)學(xué)者高，而施肥量較低。直播高密度種植有利于油菜機(jī)械化收獲[31]，低氮肥有利于防止植株徒長引起的倒伏。該模式通過提高種植密度增加產(chǎn)量，而不是增施氮肥，因此‘重蓉油1號’在油菜機(jī)械化高密度種植趨勢下，推廣利用潛力較高。

4 結(jié)論

本試驗采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，對重慶低海拔條件下‘重蓉油1號’直播栽培措施進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬優(yōu)化分析，表明主要栽培措施對‘重蓉油1號’產(chǎn)量影響順序為種植密度>施氮量>播期。其中種植密度是影響‘重蓉油1號’直播產(chǎn)量的主要因素，施氮量和播期對‘重蓉油1號’增產(chǎn)影響不明顯；在試驗設(shè)定的條件范圍內(nèi)，較早播種及較高的氮肥水平對產(chǎn)量有利；播期與種植密度的互作效應(yīng)對‘重蓉油1號’產(chǎn)量的影響最顯著，播期越早、種植密度越高，越有利于直播油菜產(chǎn)量增加。

本試驗得到‘重蓉油1號’產(chǎn)量優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：Y=1 878.179+245.269X2+72.438X3+214.370X22+105.000X1X2，若想在重慶淺丘平壩區(qū)獲得高于2 353.42 kghm2的產(chǎn)量，則應(yīng)采取如下綜合栽培措施：10月2—18日播種，種植密度31.95萬—36.10萬株hm2，施氮量105—168.9 kghm2，平均預(yù)期產(chǎn)量可達(dá) 2 816.18 kghm2。