玉米局部密度與單株穗重的相關(guān)分析

王雪征，李偉，龐建周

（河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所/ 河北省農(nóng)作物抗旱研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 衡水 053000）

隨著計(jì)算機(jī)、通信、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng) 等技術(shù)的提高，許多國(guó)家利用智能手段促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化[1]?！吨袊?guó)制造 2025》明確提出未來(lái)要發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備產(chǎn)業(yè)。我國(guó)為農(nóng)業(yè)大國(guó)，但機(jī)械化、智能化技術(shù)起步相對(duì)較晚，而目前我國(guó)正處于由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，因此，信息智能技術(shù)將發(fā)揮核心作用為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供新的機(jī)遇。

利用玉米免耕施肥精播一體機(jī)播種省工、省種、增產(chǎn)，深受農(nóng)民歡迎，且整合人工智能設(shè)備后可實(shí)現(xiàn)漏播、播深、計(jì)粒數(shù)等檢測(cè)報(bào)警[2～5]甚至氣吸電驅(qū)精量播種[6，7]。除研制成套智能機(jī)外，在現(xiàn)有農(nóng)機(jī)上加裝適宜的監(jiān)控設(shè)備也是目前提升播種質(zhì)量的手段之一。

黃淮海玉米種植區(qū)多采用貼茬（免耕）播種耕作模式，作業(yè)環(huán)境較差，土壤墑情、種子芽率、播種深度甚至機(jī)械震動(dòng)[8]等均會(huì)對(duì)株距造成一定影響。如何設(shè)置總體密度、株行配置和播種精度是智能播種機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的主要問(wèn)題。研究表明，不同品種在不同的肥水條件下，均有相應(yīng)的最佳總體密度[9，10]。目前，密度研究一般采用多點(diǎn)、多密度梯度的常規(guī)試驗(yàn)，也有采用數(shù)學(xué)方程或系統(tǒng)模型方法進(jìn)行測(cè)算[11～13]。在總體密度相當(dāng)?shù)臈l件下，前人對(duì)提高玉米產(chǎn)量的株行配制方式進(jìn)行了大量研究，如均行配置、寬窄行配置[14～16]以及高密度條件下的擴(kuò)行縮株配置[17]，但少有平均局部密度（以下稱為“局部密度”）與個(gè)體產(chǎn)量的相關(guān)研究。通過(guò)分析局部密度與單株穗重的關(guān)系，探討單株穗重受局部密度的影響程度和范圍，旨為指導(dǎo)智能播種機(jī)設(shè)計(jì)策略提供幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所深州試驗(yàn)站（北緯37°44′，東經(jīng)115°47′）高水肥地塊進(jìn)行。試驗(yàn)地塊地勢(shì)平坦，地力均勻，生產(chǎn)條件和水平在當(dāng)?shù)鼐哂写硇?。前茬作物為冬小麥?/p>

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)玉米品種為鄭單958。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 使用不同類型的播種機(jī)播種玉米，采用對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中，對(duì)照組（CK）使用農(nóng)哈哈2BYFSF-6 型播種機(jī)，試驗(yàn)組（T）使用中友2BMQ-4型號(hào)玉米免耕施肥精播一體機(jī)并加裝河北信翔電子有限公司生產(chǎn)的播深測(cè)定、漏播報(bào)警器和種量檢測(cè)設(shè)備（加裝的部分僅用于監(jiān)測(cè)，不是控制）。2020 年6 月12 日采用4 行幅寬2.4 m 方式機(jī)械播種，行距0.6 m，南北行向，控制密度8 萬(wàn)株/hm2，同時(shí)施入玉米專用底肥（N、P2O5、K2O 含量分別為25%、8%和12%）600 kg/hm2。小區(qū)面積11 m×200 m，3 次重復(fù)，小區(qū)之間設(shè)寬80 cm 的隔離帶，玉米常規(guī)管理。

1.3.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法 收獲前，每處理隨機(jī)選擇2 個(gè)小區(qū)（CK1、CK3、T2和T3），每小區(qū)隨機(jī)選擇6 行，沿東西向畫定基線確定起始位置，由基線向北量取7 m作為采樣小區(qū)，記錄每株玉米的位置坐標(biāo)；收獲時(shí)，按單株收獲果穗并標(biāo)記，待穗風(fēng)干后剝?nèi)グ?，測(cè)定單株穗重。

以小區(qū)為單位，利用Excel 2007 軟件處理數(shù)據(jù)。將株號(hào)、單株行列坐標(biāo)數(shù)據(jù)（單位：cm）、單株穗重（單位：g） 列表，計(jì)算每株周邊的株數(shù)。具體算法為：以Vb 6.0 編程控制Excel 單元格運(yùn)算，設(shè)置兩重循環(huán)，其中，內(nèi)循環(huán)為株號(hào)，以第i 株為中心（單株穗重，yi），窮盡小區(qū)內(nèi)所有單株，計(jì)算幾何距離≤d的圓內(nèi)株數(shù)、面積和局部平均密度（xdi）；外循環(huán)起止半徑（d）為5～100 cm，步長(zhǎng)1 cm，統(tǒng)計(jì)隨半徑（d）變化而變化的單株密度平均值（xd）以及單株密度（xdi）與單株穗重（yi）的Pearson 相關(guān)系數(shù)（rd）。

為了盡量消除邊際效應(yīng)，將每行開始2 株和最后2 株的產(chǎn)量用“.”代替，保留坐標(biāo)數(shù)據(jù)；全部坐標(biāo)數(shù)據(jù)用于株密度計(jì)算；小區(qū)2 個(gè)邊行不參與密度與單株穗重相關(guān)系數(shù)的計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 小區(qū)間的產(chǎn)量和密度比較

4 個(gè)小區(qū)平均產(chǎn)量、平均密度（株數(shù)）的變異系數(shù)分別為3.1%和1.03% （表1）。表明2 種機(jī)播玉米的落籽均勻度總體均較好，玉米小區(qū)密度和產(chǎn)量總體穩(wěn)定，選區(qū)偏差不大。

表1 小區(qū)間的產(chǎn)量和密度比較Table 1 Plot yield and density

小區(qū)產(chǎn)量（y）與小區(qū)密度（p）的回歸方程為y=0.017 8p-1.517 6，R2=0.47。因小區(qū)密度總體穩(wěn)定，盡管其與小區(qū)產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，但是二者回歸方程并不顯著。

2.2 行間的產(chǎn)量和密度比較

行間的產(chǎn)量和密度差異均顯著大于小區(qū)間的差異。行穗重（y） 與行株數(shù)（p） 的回歸方程為y=116.05p+1 938.8，R2=0.25。行株數(shù)（p） 對(duì)行穗重（y）的決定系數(shù)（0.25）低于小區(qū)密度對(duì)小區(qū)產(chǎn)量的決定系數(shù)（0.47），因按行計(jì)算較按小區(qū)計(jì)算的誤差自由度增加，回歸方程達(dá)到了極顯著水平，在單行尺度上行密度與行穗重呈正相關(guān)。

行穗重極值均出現(xiàn)在CK1小區(qū)，其中最大值出現(xiàn)在第5 行，最小值出現(xiàn)在第1 行，最大值是最小值的1.5 倍；均勻度（以標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)，下同） 最好的出現(xiàn)在T2小區(qū)的第6 行，最差的出現(xiàn)在CK1小區(qū)的第4 行。密度最大值出現(xiàn)在CK3小區(qū)的第1 行，最小值出現(xiàn)在CK1小區(qū)的第3 行，最大值是最小值的1.3 倍；均勻度最好的出現(xiàn)在CK1小區(qū)的第5 行，最差的出現(xiàn)在T3小區(qū)的第3 行。

2.3 單株產(chǎn)量與株距極值

4 個(gè)小區(qū)的單株產(chǎn)量極值差異為3.3～10.6 倍，株距極值差異為15.0～22.8 倍（表2），指標(biāo)值差異均較大，局部為本試驗(yàn)提供了一定的變異空間（圖1）。

表2 單株產(chǎn)量與株距極值Table 2 Yield per plant and plant spacing extreme value of maize

圖1 CK3 小區(qū)的玉米株距、行距和單株穗重（球面積） 示意圖Fig.1 Sketch map of plant space, row space and ear weight per plant（ball area）in CK3 plot

2.4 圓環(huán)內(nèi)平均密度和累計(jì)密度隨半徑的變化

從整體看，小區(qū)產(chǎn)量和密度都是均勻的。但從局部看，多種因素如發(fā)芽率、播種質(zhì)量、土壤墑情等均會(huì)影響局部密度，因此在局部范圍內(nèi)，無(wú)論是單株穗重還是株距均存在很大差異。以CK3小區(qū)為例，從每個(gè)單株的角度測(cè)算了局部密度和累計(jì)密度的分布情況，結(jié)果（圖2）顯示，以單株為圓心向外擴(kuò)展圓環(huán)內(nèi)的平均密度（環(huán)寬1 cm，小區(qū)內(nèi)所有單株的均值）隨半徑增加呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，在15～25 cm 和50～60 cm出現(xiàn)2 個(gè)明顯的峰值，分別為平均株距（25 cm）和行距的體現(xiàn)。本試驗(yàn)中最小行距為55 cm、最大行距為73 cm，峰值還依不同小區(qū)局部密度差異和耬帶寬有所不同，可佐證統(tǒng)計(jì)方法的可信度較好；累計(jì)密度持續(xù)增加，半徑超過(guò)1 m 時(shí)，累計(jì)密度均值趨向大田水平（8 萬(wàn)株/hm2）。

圖2 局部密度和累計(jì)密度隨半徑的變化情況Fig.2 Radial response of local density and cumulative density with radius

2.5 累計(jì)密度與單株穗重的相關(guān)分析

每單株周邊的密度分布差異，可對(duì)其單株穗重產(chǎn)生一定影響。本試驗(yàn)中，單株穗重與不同半徑圓內(nèi)的平均密度呈負(fù)相關(guān)；累計(jì)密度與單株穗重的相關(guān)系數(shù)（r）變化結(jié)果（圖3）顯示，隨半徑增加，相關(guān)系數(shù)至少表現(xiàn)兩段低谷，以CK3小區(qū)為例，低谷（-r＞0.202，n≈160，相關(guān)系數(shù)極顯著閾值）分別處于20～30 cm、60～100 cm，為敏感區(qū)段；兩峰（-r＜0.154，n≈160，相關(guān)系數(shù)顯著閾值）位于＜20 cm 和30～50 cm 范圍內(nèi)，單株穗重受密度影響較小，生產(chǎn)上可以適當(dāng)增加株數(shù)，平緩r 曲線，彌補(bǔ)株行距不等的效應(yīng)，提高總產(chǎn)量。

圖3 累計(jì)密度與單株穗重的相關(guān)系數(shù)隨計(jì)算半徑的變化情況Fig.3 Radial response of correlation coefficient between accumulated density and ear weight per plant

4 個(gè)小區(qū)中，相關(guān)系數(shù)r 谷分布與局部密度峰分布在橫軸位置（半徑）上基本重合（表3）。第1 個(gè)r 谷位置與密度峰重合于20～25 cm 附近；第2 個(gè)r 谷位置稍落后于密度峰，多在60～65 cm 附近。本試驗(yàn)中，玉米平均株距25 cm、行距61.3 cm，在株距均勻“品”型排列的理想情況下單株與鄰近行2 株的最大夾角為23°，可估算出理論條件下密度高峰位置應(yīng)為25cm（行內(nèi)株距）和61.3～66.2 cm（行間株距），與實(shí)測(cè)值吻合，表明本方法具有較好的可靠性。與密度峰不同，部分r 谷多于2 個(gè)，小區(qū)、穗重差異都可造成曲線小范圍內(nèi)的不穩(wěn)定。因此認(rèn)為，在控制總體密度的條件下，20 cm內(nèi)行距和40～60 cm 株距變化對(duì)單株穗重影響較小，株距和行距的局部不均對(duì)單株穗重影響不顯著。

表3 密度與單株穗重的相關(guān)系數(shù)隨半徑的變化比較Table 3 Radial response of correlation coefficient between density and ear weight per plant

3 結(jié)論與討論

理想條件下，若株距、行距均勻分布，株密度第1 峰與株距完全吻合，如果單株穗重符合正態(tài)分布，則單株產(chǎn)量與局部株密度相關(guān)不顯著，本研究得到的單株產(chǎn)量與半徑25 cm 附近的的局部密度呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.361～-0.154）；同理，株密度第2 峰稍大于行距，由行距控制為主、株距控制為輔，單株產(chǎn)量與半徑60 cm附近的局部密度呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.458～-0.312），半徑60 cm 左右r 曲線可有多個(gè)凹谷，表明r 受行距和株距的共同影響。

本研究利用單株穗重與行株距的自然變異分析局部平均密度對(duì)單株穗重的影響程度及范圍，在總體密度優(yōu)化的條件下，分析了局部密度與單株穗重的關(guān)系。結(jié)果顯示，株距對(duì)單株產(chǎn)量的影響小于行距，在半徑20 cm 內(nèi)的局部密度變異對(duì)單株產(chǎn)量影響不顯著，在播種時(shí)無(wú)需過(guò)度精播監(jiān)控，只需加裝漏播、播深監(jiān)控即可，以降低設(shè)備成本；在半徑40 cm 以外的密度對(duì)單株穗重有持續(xù)且程度不定的負(fù)面影響，可通過(guò)行距和總體密度控制，這與低密度下采用等行距，高密度下采用不等行距栽培[18]或擴(kuò)行縮株[19，20]甚至一穴雙株的種植模式[21]相吻合，即：無(wú)需過(guò)分關(guān)心株距及其均勻性，在保證總體密度時(shí)，通過(guò)調(diào)整行距配置來(lái)平滑上述r 曲線峰谷。

密度及分布僅僅是眾多影響因子中的一個(gè)因子。在相關(guān)分析中，顯著性隨樣本數(shù)的增加而提高，因此，本分析具有極顯著的結(jié)論，但其絕對(duì)值并不大，密度對(duì)產(chǎn)量的決定系數(shù)R2僅為3%～5%。因小區(qū)規(guī)模的限制，本計(jì)算僅涉及到了直徑1 m 范圍，邊際效應(yīng)較強(qiáng)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。