巴西蕉果指主要形態參數定量模型研究

劉永霞，連子豪，王麗霞，王安邦，殷曉敏，曹宏鑫，吳 斌，何應對

(1 中國熱帶農業科學院海口實驗站，海口，570102；2 江蘇省農業科學院信息研究所，南京，210014)

全球香蕉產區分布廣泛，主要集中在南北緯20°之間的熱帶亞熱帶地區，2018年香蕉種植面積約565.4萬hm2，產量11 456.89萬t；中國香蕉種植面積約3.319萬hm2，位居世界第六，產量1 122.17萬t，產量及單產均居世界第二。我國是香蕉生產大國，也是香蕉消費大國，2016—2017年，中國香蕉進口額都穩定在5.8億美元左右，2018年中國香蕉進口增長54%，達到8.96億美元，創歷史新高[1-2]。中國市場香蕉需求量不斷上升，而中國香蕉種植面積十分有限，且還有下降；另外，我國香蕉平均單產僅33.81 t/hm2，遠不及世界最高水平79.33 t/hm2，說明我國香蕉種植水平及產量水平仍有較大提升空間。香蕉對糧食有著巨大替代作用，并被聯合國糧農組織認定為僅次于水稻、小麥、玉米的第四大糧食作物。可以說，在世界范圍內，香蕉產業發展有著巨大的經濟和社會意義，因此，保持香蕉生產穩定、持續增長對保障供給和促進農民增收等具有十分重要的意義。

品種和配套技術是促進香蕉生產實現高產、優質、高效、生態與安全的重要因素，但不論是高產品種選育，還是配套技術提升，都與株形設計、調控密不可分，株形選擇是作物育種的重要內容之一，每次品種更新和產量水平突破，除了抗逆性、抗病性外，都與株形創新密不可分[3]。

功能—結構作物模型是國際上作物形態模型的最新方向，在水稻、小麥、油菜、玉米等作物上已有報道[3-18]，其主要特點是通過確定作物器官生物量與器官形態參數的定量關系及作物形態參數之間的內在聯系，建立形態結構參數模型和實現植株可視化。

關于香蕉功能—結構模型的研究甚少，劉永霞等[19]研究了香蕉第三梳果實形態及與產量的關系，建立了回歸模型，但未分析單果指形態與生物量的關系；豐鋒等[20]研究了巴西蕉葉片農藝性狀與產量的關系，并建立回歸模型，但未涉及果指形態與果指生物量的關系；安佳佳等[21]研究了7個香蕉品種的葉長、葉寬與實測葉面積之間的關系，建立了回歸模型，但沒有研究葉片形態指標與生物量的關系。生物量作為香蕉果穗形態建成的物質學和生物學基礎，為香蕉形態結構建成提供了物質基礎。本研究以香蕉果指生物量為尺度，通過分析香蕉果指主要形態參數與器官生物量的定量關系，建立香蕉果指主要形態結構參數模型，以期促進功能—結構香蕉模型的研究和應用。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2019年6月至2020年6月在海南省澄邁縣福山鎮豐西村實施不同肥水巴西蕉(MusaacuminataL.AAA group，cv.Cavendish )大田試驗，試驗蕉園面積共2 hm2。供試土壤pH值5.01，有機質含量3.12%，全氮含量1.256 g/kg，有效磷26.69 mg/kg，速效鉀141 mg/kg。試驗設氮磷鉀肥3個因素，4個水平(見表1)，共14個處理，每處理100株，采用隨機區組排列，區組內土壤、地形等條件一致，其他管理同大田高產栽培管理。

表1 香蕉氮磷鉀肥試驗方案

1.2 測定項目與方法

香蕉果指達七八成熟時，每處理選取代表性香蕉2株，參照農作物種質資源鑒定技術規程(香蕉)[22]中香蕉果指形態的測量方法測量每穗每梳香蕉外排果指外弧長(FO，不含果柄長)、果指內弧長(FI，不含果柄長)、果指直徑(FD)、果柄長(SL)及果柄直徑(SD)，單位cm；果指鮮質量(FW)用千分之一的天平稱量，單位g；果指體積(VO)采用排水法，單位cm3；果指干質量(DW)采用烘干法，每果指分裝，105 ℃下殺青30 min，80 ℃烘至恒重，用千分之一的天平稱量，單位g。

1.3 數據分析

采用SPSS 21.0與EXCEL 2017統計軟件處理與分析試驗數據。

1.4 模型構建

借助系統分析和數理統計方法，尋求果指外弧長、果指內弧長、果指直徑、果柄長、果柄直徑、果指體積與單果生物量的關系，建立和篩選單株質量與果指主要幾何屬性關系模型。采用編號2、4、6、8、10、12、14處理的香蕉果指數據分析香蕉果實形態參數與產量間的相關和回歸分析，編號1、3、5、7、9、11、13處理的香蕉果指數據用于模型檢驗。

模型檢驗。采用根均方差RMSE (root mean square error)、平均絕對誤差da、平均絕對誤差與實測值平均值的比值dap等統計量, 并繪制實測值與模擬值的1∶1 關系圖，以檢驗模型。

2 結果與分析

2.1 模型簡述

2.1.1 果指干質量與果指主要幾何屬性相關關系分析 巴西蕉果指生物量干質量與形態的Pearson相關系數分析見表1。結果可以看出，除了果柄長外，果指干質量與果指內弧長、外弧長、果指直徑、果柄直徑及果指體積均呈極顯著正相關。其中，果指干質量與果指體積相關性最大，果指直徑次之。香蕉果柄長度范圍在2.1～2.3 cm之間，變化不大。

表2 巴西蕉果指干質量與果指主要幾何屬性的相關關系分析

2.1.2 果指干質量與果指主要幾何屬性關系模型 在相關分析基礎上，利用一次Linear、二次Quadratic、三次Cubic、生長Growth及指數Exponential等5種回歸模型對巴西蕉果指干質量與果指內弧長、外弧長、果指直徑、果柄長、果柄直徑及果指體積進行曲線數據擬合，擬合結果見表2。

以巴西蕉果指干質量與果指內弧長關系模型分析，F值除三次模型外均達顯著水平：一次模型的F值為214.618，p<0.000 1；二次模型的F值為105.519，p<0.000 1；三次模型的F值為70.133，p>0.05；生長函數的F值為207.937，p<0.000 1；指數函數的F值為207.937，p<0.000 1。因此除三次模型外的4個回歸方程均有統計意義。一次模型、二次模型、生長函數模型及指數函數4種回歸方程的相關系數分別為0.887、0.887、0.884、0.884；擬合最好的是一次模型和二次模型。比較方差分析的F值，一次模型的F值為214.618，最大，二次模型的F值較小；因此最佳模型為FI=8.386+0.267DW。

同理分析得出，巴西蕉果指干質量與果指外弧長最佳模型為FO=12.407+0.330DW，果指干質量與果指直徑最佳模型為FD=1.779+0.093DW，果指干質量與果指體積最佳模型為VO=24.668+6.098DW，果指干質量與果指果柄直徑最佳模型為SD=0.6+0.027DW。

表3 巴西蕉果指干質量與果指主要幾何屬性關系模型比較

續表3

2.2 模型檢驗

利用2019—2020年數據對模型進行檢驗：分別輸入相應的巴西蕉果指內弧長、果指外弧長、果指直徑、果指體積、果柄直徑等5個性狀指標的數據，可得到相應的果指干質量模擬值。實測值與模擬值的1∶1關系圖表明，實測值與模擬值擬合效果均較好(見圖1)。由表4可以看出，果指內弧長、果指外弧長、果指直徑、果柄直徑、果指體積實測值與模擬值的根均方差分別為1.926、2.665、0.322、0.202 cm，24.243 m3，dap值分別為8%、7%、8%、12%、8%，相關系數分別為0.864、0.855、0.903、0.806、0.955，均達極顯著水平。由此可見，上述量化方法可較好地模擬不同條件下香蕉果指的生物量干質量。

3 結論與討論

我們利用一次Linear、二次Quadratic、三次Cubic、生長Growth及指數Exponential等5種回歸模型對巴西蕉果指干質量與果指內弧長、外弧長、果指直徑、果柄長、果柄直徑、果指體積進行擬合，篩選出香蕉果指干質量與果指內弧長、外弧長、果指直徑、果柄直徑、果指體積的最佳模型：Y=a+bX，所建模型可較好地模擬不同施肥水平下果指形態與果指干質量關系，具有一定解釋性和普適性。

果梳數、果指數、果指長度、果指直徑及果指生物量是香蕉產量的構成因素，其中單果形態是一個重要影響因素。果指形態結構參數模型是香蕉結構模型的主要組成部分，也是功能—結構香蕉模型的重要研究內容。本研究通過分析巴西蕉果指內弧長、果指外弧長、果指直徑、果指體積、果柄直徑等5個性狀與果指生物量之間的定量關系，構建了香蕉果指主要形態參數與生物量模型：Y=a+bX。其中，香蕉體積與生物量的擬合度最佳，方程的相關系數最大，為0.979；其次為果指直徑，方程的相關系數為0.907；果柄直徑與生物量的擬合模型的相關系數最小，為0.862。分析原因，用排水法測體積，一是體積本身包括了以上幾個指標，數值大；二是用排水法測體積，包容了物體的不規則性，誤差小；成熟的香蕉，果指長一般都達到19 cm及以上，在長度不變時，直徑每增加0.1 cm，就相當于增加了1個底面直徑0.1 cm、高19 cm的柱體，對生物量的影響也是極為顯著的。而果指直徑雖然隨著果指生長而增大，但變化范圍較少，在0.7～1.1 cm之間，對生物量的反應不如體積那么敏感。應用體積與生物量的模型估測的產量最佳，其次為果指直徑。

圖1 巴西蕉果指實測值與模擬值比較(2019—2020年)

表4 巴西蕉果指主要形態結構模型觀察值與模擬值的統計參數

根據我國農業行業標準NY/T517—2002[23]，青香蕉的出口外觀等級規格為：優等品飽滿度 75%～90%，梳形完整，每公斤果指數不超過8個，但不少于5個，果實長度20～28 cm，果指粗度不超過3.5 cm。因此，在使用模型指導生產時，還應遵從實際條件，在長度28 cm、果指直徑3.5 cm內，體積值達到最大，即可提高果實外觀和品質，又可保證產量，以便提高香蕉競爭力，給種植戶帶來更大效益。

鄧英毅等[24]研究表明，高溫促進不同香蕉果指生長，低溫則抑制香蕉生長。陳厚彬等研究[25]表明，香蕉果梳大小和果指數有較大差異，頭梳蕉往往偏大，尾梳蕉偏小，每穗香蕉中至少有首尾的2～3梳不符合上述出口標準。劉林等[26]研究表明，香蕉果指噴施氨基酸類葉面肥后，可顯著提高其第1、4、7梳果指質量，噴施微量元素類葉面肥可顯著提高其第4、7梳果指質量，進而顯著提高單株產量。因此，品種和配套技術是促進香蕉實現高產、優質、高效、生態與安全目標的重要因素。要提高香蕉產量和商品率，育種方面可以參考本文模型篩選香蕉適當的果指長度和粗度的株形，栽培技術方面要探索最大產量需要的積溫、施肥種類、施肥時間及施肥量。

另外，香蕉果指形態結構受品種特性、生態條件和栽培措施等多種因素影響，其形態結構不僅影響香蕉的美觀度，也影響產量，更是決定了香蕉商品價值。本文根據不同栽培措施下的香蕉果指干質量與果指農藝性狀的關系所建立的模型，旨在獲得形態結構最優化時的產量，兼顧香蕉外觀和商品價值；以生物量為因變量，既能使香蕉生長模型與形態模型相結合，也能通過香蕉干質量響應品種和環境條件差異，為建立功能—結構香蕉模型奠定了基礎。

本研究僅初步探討了不同施肥條件下香蕉果指幾何形態與生物量的關系，暫未涉及果指的形態空間分布，也未涉及不同品種、不同水分條件下香蕉果指變化，有待進一步研究。下一步將研究以生物量為紐帶下的施肥水平與植株葉、莖、果指形態的關系，既能使香蕉生長模型與形態模型相結合，也能通過香蕉干質量響應品種和環境條件差異，以建立香蕉功能—結構理想模型。