农作物产量预测模型与辅助决策系统

不同青稞新品种（系）不同青稞新品种（系）在西藏高海拔地区生态适应性研究摘要:青稞作为一种籽粒裸露的特殊裸大麦是西藏高海拔地区极为重要的农作物。不同青稞品系的产量和高海拔生态多样性有内在的适应关系，研究产地、气候、人力劳作、土壤、肥水等生态因子对不同青稞品系的产量和质量影响具有重要的社会应用价值和理论价值。本文设计了一套实验，保持其他生态因子不变时，分别研究产地、气候、人力劳作、土壤、肥水5种单因子变化时对青稞的影响程度，也即用5种分立的实验研究得出多种生态因子对青稞产量的影响程度排序关系。使用本文实验结果可以针对不同品系的青稞实施有针对性的补足、增产措施；同时，由于不同品系青稞对生态因子的适应性是不同的，因此可以为特定的生态环境匹配出具有最优生态适应性的新品种青稞，也即实现青稞种植区域布局辅助决策。关键词:青稞生态适应性新品种高海拔西藏PreliminaryStudyonEcologicalAdaptabilityofDifferentHighlandBarleyVarietiesinHighAltitudeAreaofTibetInstituteofAgriculture,AcademyofAgriculturalandAnimalHusbandrySciences,TibetAutonomousRegion,LhasaSichuanUniversityInformationmanagementsystemDepartment，POST610064Abstract:Highlandbarley,asakindofspecialnakedbarleywithnakedgrains,isaveryimportantcropinhighaltitudeareasofTibet.Thereisaninternaladaptiverelationshipbetweentheyieldofdifferenthighlandbarleystrainsandtheecologicaldiversityathighaltitude.Ithasimportantsocialapplicationvalueandtheoreticalvaluetostudytheimpactofecologicalfactorssuchasclimate,origin,humanlabor,soil,fertilizerandwaterontheyieldandqualityofdifferenthighlandbarleystrains.Inthispaper,asetofexperimentswasdesignedtostudytheinfluenceofclimate,producingarea,humanlabor,soil,fertilizerandwateronhighlandbarleywhilekeepingotherecologicalfactorsunchanged.Thatistosay,fiveseparateexperimentswereusedtostudytheorderofinfluenceofvariousecologicalfactorsonhighlandbarleyyield.Usingtheexperimentalresultsofthispaper,wecanimplementtargetedreplenishmentandincreaseproductionmeasuresfordifferentstrainsofhighlandbarley;atthesametime,becausetheadaptabilityofdifferentstrainsofhighlandbarleytoecologicalfactorsisdifferent,wecanmatchnewvarietiesofhighlandbarleywithoptimalecologicaladaptabilityforspecificecologicalenvironment,thatis,toachieveauxiliarydecision-makingofhighlandbarleyplantingarealayout.KeyWords:highlandbarley;ecologicaladaptability;new-varieties;highaltitude;Tibet西藏自然环境脆弱，农业生产条件恶劣，气象条件复杂，农田小气候的调节能力有限，种植区土壤厚度薄储水能力差，且土壤下层多为碎石砂砾，灌溉时易产生水分和营养元素深层渗漏流失。青稞的生长受到气候、土壤水分和营养元供给条件等多种因素的制约、胁迫[1]。因此，有必要研究不同青稞对不同生态因子的适应性表现，得出增产和减产原因，助力西藏高海拔地区新品种青稞绿色增产。本文从以下五个因素分析不同品种-重点是青稞新品种（系）（系）在西藏高海拔地区的生态适应性：1、产地因素，对采自西藏4个高海拔边境县的4个新青稞品种和若干个本地青稞品种的5个品质指标进行了分析；2、气候温度因素，在4个高海拔边境县青稞试验田进行了青稞新品种（系）（系）栽培试验；3、生产管理、栽培因素；4、土壤因素，探索高海拔土壤因子对青稞功能性营养成分的影响，对新品青稞β-葡聚糖、黄酮含量进行分析；5、水分因素，选用藏青2000等新品青稞作为试验对象，研究不同水分条件下对西藏青稞光合特性及产量的影响[2]。实验采用对比法，在进行某个因素实验时，其他因素保持一致，比如在研究产地因素时，除产地不同，气温、生产管理、土壤、水分条件保持一致，这样可以单纯研究出产地对产量的影响程度。对同一品系实施5个不同实验，可以分析出哪个因素对产量的影响最大；对不同品系实施5个不同实验，可以分析出每种品系受生态因子影响的强弱程度。生态适应性生态适应性形成青稞生态型的分类，造就了青稞品种的多样性。青稞生态型的自然形成和人工培育受到地理因素、生物因素、人为的活动制约。因为研究不同品种青稞生态型和生态适应性的关系，尤其是产量和质量关系具有本质、重要的意义[3]。生态适应性原则青稞作物的生态适应性是因地制宜发展高海拔青稞种植的关键，也是研究青稞新品种（系）的基础。惟有青稞的生态适应性与当地环境的吻合度越高，取得的增产效益才越高。根据青稞的耐性定律可划分出若干适宜等级，应力求布局在适宜区耕种青稞，同时发展新品种青稞更好的匹配适宜区[4]。2.2产地与气候生态影响青稞栽种到不同气候地区，长期受气候生态因子影响后会体现出有差异的适应性。在不同产地和气候生态环境中，不同青稞在形态、生理、生化上都表现有差异，如对光周期、温周期有不同的应变。这是长期在日照、温度的影响下形成的。西藏的青稞也可分为不同生态型，如耐寒型，喜日照型。气候中的温度对青稞的生长发育起着主导作用，积温也是重要的农业气候指标，积温表征青稞作物对热量的要求。比如，在西藏4个高海拔边境县青稞栽培区的栽培试验发现藏青2000总体上较当地品种平均籽粒产量增加10%左右，藏青2000产量增加的主要原因是气候生态适应性强，区域和海拔影响作物生长的光、温环境从而影响各种的青稞品种，藏青2000有效穗数量、穗粒数和千粒重较当地品种高[5]。2.3生物圈与生产劳作生态影响在一个生物圈中由于植物之间竞争关系差异可分化出不同的生态型。例如，有长在稻田中的稗，纯野生稗，牧场稗等生态型。稻田稗秆直立，几乎同时成熟，与水稻同高；纯野生稗秆较矮，花期各异。牧场稗长期受啃食、践踏，多矮小丛生，再生力强。生物生态因子指生物之间的相互关系，如捕食、寄生、竞争和互惠共生等，青稞与土壤微生物的相互作用以及青稞之间，或者和其他植物间的相互作用、相互竞争，如对环境生长因素光、肥、水等的竞争。通过人力劳作，可以极大改变生物圈对青稞生长的影响，如改良土壤、拔除杂草、去除日照遮挡、防止病虫害、隔离动物防止踩踏，给青稞营造一个优质的、超越自然生物圈的生长环境，因此可把生物圈和人力劳作放在一起研究对新品种青稞适应性影响[6]。2.4土壤和肥水生态影响土壤是青稞生长的基础和养分源泉，不同的青稞生态型是长期在不同土壤条件的影响下形成的，同时应研究各个新品种青稞对土壤的生态适应性。有的土壤缺钙、缺氮、磷，甚至富含铬、镍，对一般生物有毒，因此在这种土壤上生长的植物已形成独特的生态型。有些植株体内所含铬镍量可以是不耐该土壤生态型植株的数千倍。废矿堆也常分布耐毒土的生态型，可见土壤对农作物生态型的影响很大。施肥是影响土壤肥力的重要农业措施，合理施肥不仅能降低施肥成本、提高土壤质量和生产力，还能减少施肥污染和改善土壤结构。但过量施肥会使青稞减产，导致农田土壤结构不良，造成水污染。在研究青稞对土壤的生态适应性时，可综合衡量容重、土壤紧实度、土壤大团聚体比例、透气性、透水性、保水能力、土壤结构、抗侵蚀能力、土壤肥力，使有限土壤资源得到可持续利用，提高青稞产量。应考虑化肥配施方法，是否对土壤容重有不利影响。比如施用有机肥不仅能够提高土壤养分供应能力和作物产量，还可以改善土壤结构和抗侵蚀能力，从而提高土壤农田生态系统的稳定性和持续性[7]。2.5生态因子比较目前单独讨论某种生态因子，研究单因子生态适应性的文献较多，实际上新品青稞绿色增产是一个综合的、全面的研究，应该分析研究各项生态影响因子，综合的衡量生态适应性。表1各生态因子对青稞种植的影响因素及影响程度生态因子影响因素影响程度气候与产地生态光周期、低温春化、温周期、降水量等有效穗数量与产量生物圈与生产劳作生态生物因子、人为生产因素种内基因交换、分化出新生物生态型；人力可改变生物圈土壤和肥水生态土壤容重、矿物元素含量、土壤紧实度、抗侵蚀能力、土壤大团聚体比例植物各生长期代谢，植物粗淀粉、粗蛋白、葡聚糖等和矿物元素含量产地与气候生态研究以2018-2019年在西藏高海拔边境地区青稞主产区普兰、措美、拉孜、聂拉木等4个县的藏青2000、藏青690、喜马拉雅22等3个新品种/品系青稞和1个当地品种100份样品为材料，当地品种选取当地的经典青稞如措美黑青稞。3.1基于产地的测量样本与测量方法粗蛋白含量采用自动凯氏定氮仪测量，粗纤维含量采用自动纤维仪测定，粗淀粉含量使用自动旋光仪测定，β－葡聚糖含量采用MegazymeBETA-D试剂盒测定，黄酮含量采用可见分光光度计测定。3.2基于产地的测量内容数理统计在各县取等量青稞，分品种进行比较，采用SPSS进行数理分析统计4个高海拔边境县青稞成分含量，限于篇幅，下表2、表3只列出新品种藏青2000与当地青稞的比较结果：表2产地差异对藏青2000青稞品质的影响产地普兰措美拉孜聂拉木粗淀粉50.13bcdefg49.79a51.82a51.41a粗蛋白9.08cfgh9.24abc8.73abc8.86bc粗纤维2.51bcd3.79abc3.76b2.84ab黄酮0.24b0.21c0.23bc0.23bcβ-葡聚糖4.83abcd5.03a5.02a4.22ab表3产地差异对当地青稞品质的影响产地普兰措美拉孜聂拉木粗淀粉43.46bcdefg41.14a45.13a54.37a粗蛋白6.19cfgh6.23abc6.47abc7.86bc粗纤维4.02bcd4.97abc3.98b3.67ab黄酮0.19b0.17c0.14bc0.16bcβ-葡聚糖4.43abcd4.23a3.02a3.18ab由数据可知，同一品种在不同实验区域差异性不显著，差异显著性小，新品种青稞明显优于传统青稞品质。3.3基于产地的测量结果分析品种及产地对青稞品质的影响：产地影响普通青稞的粗淀粉、粗蛋白、粗纤维、黄酮、β-葡聚糖含量不显著；品种显著影响青稞的粗蛋白、黄酮；产地和品种的交互作用呈正交不相关。相比品种，产地生态条件不是影响青稞品质的主要因素。不同产地、同类青稞的营养品质粗淀粉、粗蛋白、粗纤维、黄酮、β-葡聚糖含量变异系数在0.9%-1.7%区间，不能证明青稞品质差异与区域条件有关。不同产地、同类青稞产量差异极为细微，如下图所示。图1新品青稞和传统青稞的产地生态适应性产量比对3.4气候温度测量在西藏边境高海拔4个县青稞产区进行了多点藏青2000栽培试验温度对作物的发育起着主导作用，积温是重要的农业气候指标之一。2018-2019年新品种藏青2000在普兰、措美、拉孜、聂木拉4县青稞种植区开展了气候适宜性栽培试验，以老品种藏青320或当地品种为对照。采样点涉及4个县，8块试验田。在青稞收获期每试验区随机选3个长势均匀的一平方区域，统计成穗数，并选其中10株测定其株高、穗长、穗粒数、收获后测千粒重估算其理论产量。3.5气候温度分析温度对作物的发育有一定作用，积温是重要的农业气候指标之一，常以积温来表示农作物对热量的要求。随着海拔的升高，温度降低，作物生长季短。本试验数据采用SPSS统计分析，LSD法进行显著差异性检验。通过2018-2019年藏青2000、在西藏高海拔边境4个县青稞栽培区的栽培试验和调查发现：藏青2000在栽培区总体上较当地品种平均籽粒产量增加10%，藏青690在栽培区总体上较当地品种平均籽粒产量增加9%，喜马拉雅22在栽培区总体上较当地品种平均籽粒产量增加9%，新品种青稞如藏青2000产量增加的主要原因是穗粒数和千粒重较当地品种高，从而提高收获指数；相同新品种青稞在4个不同区域产量LSD差异在5%以内。可见，气候对产量的显著性影响不如品种差异的影响。图2新品青稞和传统青稞的气候温度生态适应性产量比对生物圈和生产适应性研究青稞品种的生产适应性也即人力劳作，人力劳作是一种非自然生态影响因素，包括选茬、整地、筛种子、优化种子、播种控制、栽培管理、基肥管理、养分平衡控制、收割管理等全流程生产措施，可以对青稞成长的生物圈产生非常显著的影响，每个环节有少量增产，或者减少损失，累加起来往往比单纯的高产品种效果还好。4.1选茬整地青稞不宜连作，不宜与麦类作物轮作，前茬以休耕、马铃薯等适宜。为提高整地质量，机耕、耕深有效。一般翻耕两次，可在前茬作物收获后，结合耕翻施用有机肥，使土壤表层紧实底层疏松；在播种前采用机械轻耕土壤。对于野燕麦等杂草，可在耕地前用燕麦畏乳油喷雾灭杀，并结合耕整地进一步拔除杂草。4.2筛选优化种植为保证出苗整齐、培育壮苗，减少病害和虫害，应避免选用陈年种子和不明来源的种子，且种子纯度、净度要高，发芽率、发芽势要高。同时，应用种子精选机或人工过筛对种子进行精选，去除霉变、瘪粒和其他作物种子。在种子播种前，应选择晴天将种子摊成薄层，在日光下晒种两三天，用阳光紫外线灭杀种子表面的病菌、虫卵，改善种子通透性，唤醒种子休眠。晒种完成后，用石灰水浸种，或用三唑酮可湿粉剂拌种，用来预防条纹病、黑穗病等青稞主要病害。4.3播种控制适时早播，精量机播，日平均气温稳定达到2℃-3℃，地面温度4℃-6℃时宜播种，在时间上，青稞播种时期在四月底到五月初如普兰县，海拔和播种期延时相关。可采用宽幅精播种车机播。播种的行距适度均匀，播种量每亩适当如30斤左右。播种时小心保持种子完整率。4.4栽培管理施足基肥，养分平衡，基肥可施用腐熟农家肥，青稞拔节期喷施2次叶面肥，均匀喷雾。高海拔边境县位于高寒山区，应特别重视青稞的节水灌溉，全生育期推荐干湿交替管理的水分管理策略。第1次浅水灌溉时间约为青稞苗3.5叶龄期，最高水位不超过第2叶。第1次灌溉7天后，发现地块开裂时，执行第2次浅水灌溉，以促进分蘖发生。当青稞进入拔节初期，应进行第3次浅水灌溉，提高分蘖成穗率。在青稞的孕穗-抽穗期，灌浆期分别进行1次浅水灌溉，保持土壤处于干湿交替状态，促进青稞籽粒灌浆，提高结实率和千粒重。青稞的主要病虫害有条锈病和赤霉病，缺翅黄蓟马、蚜虫和穗蝇。在青稞生长中后期，采用粉锈宁可湿性粉剂、三唑酮粉剂防治；对于赤霉病，可在青稞生长中后期，采用多菌灵可湿性粉剂、甲基托布津可湿性粉剂防治。虫害方面，根据虫害预测预报，一瓶药对一桶喷雾剂水，喷施一亩，用辛硫磷乳油倍液，或高效氯氰菊酯3000倍稀释液等喷雾防治。好的栽培管理可以使新品青稞收获更好，如不进行栽培管理，再好的品种也会绝收。4.5收割管理收割管理应注意适时收获，晾晒储存。在青稞蜡熟期，籽粒含水量30%左右时采用机械或人工收获，及时晾晒储存。为提高收获效率，推荐采用机收方式，但为减少机收损失，机收时间应较人工收获期适当推迟5-8天。4.6生产管理对产量的影响实验取7种管理方法，对4种品种藏青2000，藏青690，喜马拉雅22，农家品种有色青稞，在28个试验田，在每块试验田取样30份，共计收集840份青稞材料。实验表明，生产管理的每一个环节失误都可能造成青稞大量减产，甚至绝收，不论是多优秀的品种，缺少管理都绝对不行。相比于不同品种间10%，20%的差异，生产管理上造成的差异会大得多[8]，全无管理时产量只有正常管理产量的40-50%，优化管理可以在普通管理的基础上提升50%左右的产量。下图给出3种新品种青稞和一种本地青稞在不同生产管理方式下，亩产的变化趋势，亩产单位是公斤。图3新品青稞和传统青稞的生物圈生产管理生态适应性产量比对土壤生态适应性为探明高原土壤因子对青稞功能性营养成分的影响，对西藏高海拔边境普拉、拉孜、聂木拉、措美4县,选取弱碱土壤，弱酸土壤，ph中性土壤，有机质贫瘠土壤，有机质丰富土壤，有机质中性土壤这6种土壤试验田，对青稞的β-葡聚糖含量与黄酮含量和产量进行分析。试验田土壤样品采集在4个县试验田进行采样时，随机采集耕作层土壤样品，送回实验室风干后磨，测定土壤全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、ph值、有机质等理化指标，根据ph值、有机质划分实验田土壤分类。5.1测量样本和测量方法6种土壤，4种品种，在24个试验田，藏青2000，藏青690，喜马拉雅22，农家品种有色青稞在每块试验田取样30份，共计收集720份青稞材料。数据采用Excel2016、SPSS进行统计和差异显著性分析。5.2测量结果与分析高原土壤因子对青稞β-葡聚糖含量的影响：研究表明，β-葡聚糖与土壤因子的相关性显著。β-葡聚糖与水解性氮、PH值、磷、铁相关性显著。土壤因子对青稞黄酮含量的影响：研究表明黄酮与水解氮、PH值、有机质相关性显著。随着土壤水解氮、有机质含量的增加，黄酮含量有所升高；在酸性土壤、强碱性土壤逆境环境下，黄酮含量较高，在中性、弱碱条件下，黄酮含量最低。但土壤生态因素不同酸碱度、不同有机质土壤对各品种的产量影响较小。下图给出3种新品种青稞和一种本地青稞在不同土壤栽种时，亩产的变化趋势，亩产单位是公斤。图4新品青稞和传统青稞的土壤生态适应性产量比对水分生态西藏土壤储水能力差，高海拔高原地区气候环境复杂多变，水分是影响青稞生长的主要生态因子。选用新品种藏青2000、藏青690、喜马拉雅22和当地青稞，通过措美的试验田进行试验，研究不同水分条件下对产量的影响，进而知道新品种青稞对哪种水分生态更适应。6.1测量方法试验设计为单因素试验，每个因素重复４次，试验设计3档持水量：LD轻度水缺乏处理，也即田间持水量的75%；MD中度水缺乏处理，也即田间持水量的55%；SD严重水缺乏，也即田间持水量的40%。附加防雨措施。试验盆栽土壤质地为沙壤，肥力中等，田间持水量为20%。取农田土壤去除杂质、过筛，用花盆种植。3种新品种青稞和一种本地青稞在7种不同水分试验田中，各取30份，一共取840份青稞材料。从５月中旬苗期开始进行水分控制，根据土壤持水率、土壤相对含水量、盆重，求出各处理应浇水的重量，用量筒精确浇灌。叶片水分利用率=光合速率/蒸腾速率,因此可以通过测量叶面积来研究水适应性，一般取叶面积＝0.7*叶长*叶宽。采用光合测定仪，测量时间选在青稞灌浆期，晴朗白日进行。6.2测量结果分析青稞株高-隐含的对应产量-在不同水分胁迫下，对其株高的生长变化有显著的影响，青稞前期，生长较为旺盛，随着土壤水分含量下降的加剧，青稞株高逐渐降低；在灌浆期后期随着土壤水分胁迫加剧，本地青稞在水分胁迫下对其株高的生长变化有显著影响。再看叶片，研究结果表明青稞叶片在重度缺水时下，光合速率减少40%-55%。青稞叶片的水分利用效率随土壤水分下降而降低。从青稞特征可知，土壤水分胁迫中各个处理对青稞植株高度、主茎粗度、地上茎杆、叶重、根重均具有显著影响。青稞在受到干旱胁迫时，由于叶面的光合速率减小，导致青稞光合产物量有所降低，限制了青稞的生长。经方差分析表明，青稞在受到干旱胁迫时，尤其在生殖生长期会导致灌浆时间大大缩短，灌浆速率偏低，籽粒产量下降，在抽穗期受到干旱胁迫会使千粒质量明显减小，所以，保证青稞水分供应，尤其是远离中度以上的干旱，对产量的增加有很大帮助。6.3新品青稞的水生态适应性分析下面研究比对新品种青稞和本地青稞对水胁迫的生态适应性。藏青2000水分胁迫条件下，其叶片的光合速率、气孔导度、蒸腾速率和水分利用率呈以低度胁迫为中轴的非对称抛物线关系。适当的水分胁迫不影响青稞的生长发育。青稞土壤水分过高或者过低都会影响青稞地上部干重、根干重和总生物量。藏青2000在田间持水量低于60%或高于田间持水量95%时都会显著影响地上部物质的干重、根干重和总生物量，制约青稞生长。本试验通过盆栽试验从青稞苗期开始直到成熟。我们应根据青稞生长的土壤条件