黄瓜穴盘苗生长模拟模型研究

黄瓜穴盘苗生长模拟模型研究

针灸育苗技术是进行手术的重要方法之一。它具有成本低、易交通、机械化操作等优点，对蔬菜工业的可持续发展具有重要意义。实现穴盘育苗过程的精确管理,是穴盘育苗技术研究和推广中的重要环节。作物生长发育模拟是实现作物精确管理和生长环境调控的重要手段。目前研究者在温室作物生长发育模拟方面开展了大量研究,但以往研究主要集中在植物定植后的生长发育模拟,对作物苗期模拟的研究较少。在苗期作物生长发育过程中,壮苗指数被广泛应用于衡量幼苗生长状况,研究环境因素对壮苗指数的影响对优化育苗温室环境具有重要意义。本研究利用有效积温法构建基于生长度日的黄瓜穴盘苗生长发育过程模拟模型,并建立基于生长度日的穴盘苗壮苗指数模拟模型,以期为预测黄瓜穴盘苗生长提供科学依据。1材料和方法1.1材料表面供试黄瓜品种为津优1号。用50孔穴盘育苗,育苗基质为醋糟、草炭、蛭石按质量比2∶1∶1混合。1.2温室分布及覆盖区域试验于2009年4—5月在江苏大学农业工程研究院的玻璃温室内进行。温室为Venlo型玻璃温室,跨度6.4m,共5跨;温室开间4m,共5间;总面积640m2,天沟高3.8m,温室分为4个区域,如图1所示。温室4为育苗专用温室,位于温室内部,长6m,宽5m,高3m,采用玻璃覆盖。共设置3个试验:试验1,在整个苗期将黄瓜穴盘苗放在温室4中;试验2,在整个苗期黄瓜穴盘苗生长在温室1中;试验3,白天将黄瓜穴盘苗露天放置,6:00从温室搬出,日落后搬回温室。每个处理重复3次。在黄瓜栽培过程中,根据黄瓜穴盘苗的生长阶段和天气情况,保证穴盘苗生长的水分供应。玻璃温室覆盖材料的透光率大于90%,因此3个试验的光照均能满足黄瓜穴盘苗的正常生长。1.3黄瓜幼苗生长指标采用温湿度记录仪(MicroLogEC750,FourierSystemsLtd.)记录温度。观测黄瓜穴盘苗达到各生长阶段的时间,当50%以上植株达到某一阶段,即认为群体达到该生长阶段。随机选择5株黄瓜幼苗作为观测样本,每隔3d观察1次植株株高、茎粗、叶面积(叶长,叶宽)等指标,采用直尺(精度1mm)测量植株株高、叶长、叶宽,采用游标卡尺(精度0.1mm)测量茎粗,到第2片真叶完全展开(2叶1心)时结束。采用李建明等的方法计算植株壮苗指数:I=D/H×A(1)式中:I为壮苗指数;D为茎粗;H为株高;A为叶面积。1.4黄瓜穴盘苗发育进程黄瓜穴盘苗的生长发育是一个连续过程,但受到自身遗传特性和环境因子驱动,黄瓜穴盘苗生长发育呈现出明显的阶段性,本研究将温室黄瓜生育期划分为发芽、子叶、1叶期、成苗阶段,为便于计算机运算,利用发育进程指数Dvs(developmentprocess)将各个生长阶段数量化(表1)。2结果与分析2.1黄瓜穴盘苗生长发育模拟模型2.1.1黄瓜穴盘苗发育进程的计算在一定范围内黄瓜穴盘苗的发育进程随温度升高而加快,发育速率与累积的热时间或生长度日密切相关。为此本研究采用较为常见的生长度日法,即植株完成某一生长阶段所需要的累积有效积温来表示。各生育阶段的有效积温可以表示为:Ai=∑(Td-Tb)(2)式中:Ai表示第i个生长阶段的有效积温,i∈{1,2,3,4};Tb为发育基点温度,根据资料,发芽期取Tb=15℃,其他时期取Tb=10℃;Td为日平均温度,利用数据记录仪记录的数据按日平均获得。发育速率(Dr)与温度的关系为:Dr=Ti−TbAi(3)Dr=Τi-ΤbAi(3)式中:Ti表示一个生育阶段的日平均温度。对于某个品种,Tb和Ai为固定值,Dr随Ti而变化。发育进程(Ds)表示如下:Ds=i-1+Dr×t(4)式中:t为植株在某生长阶段的生长天数。式(4)中模拟的黄瓜穴盘苗发育进程所需温度为某生育阶段内的逐日平均温度,因此黄瓜穴盘苗的发育进程也可表示为:Ds=i−1+∑(Td−Tb)Ai(5)Ds=i-1+∑(Τd-Τb)Ai(5)为了连续模拟黄瓜穴盘苗的发育进程,假设植株生长到任一阶段时的累积生长度日为GDDS(℃·d),则发育进程Ds可表示为:Ds=i−1+GDDS∑k=1iAk(6)Ds=i-1+GDDS∑k=1iAk(6)试验1中测定了黄瓜穴盘苗不同生育阶段的有效积温Ai。将各生育阶段的生长度日分别用A1、A2、A3、A4表示,其值依次为49.4、148.7、240.5、344.7℃·d。GDDS是通过育苗环境的温度传感器记录数据获得,是通过比较生长度日参数累加值与GDDS的大小来确定,即有:⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪0≤GDDS≤Ai时‚i=1∑k=1m=1Ak≤GDDS≤∑k=1mAk时‚i=m(7){0≤GDDS≤Ai时‚i=1∑k=1m=1Ak≤GDDS≤∑k=1mAk时‚i=m(7)式中:m∈{2,3,4}。通过上述生长进程模型可以预测植株所处的生育阶段,还可以预测当温度改变后,植株在任何一个生长阶段所经历的天数。2.1.2黄瓜穴盘苗发育进程的预测通过试验1得到黄瓜穴盘苗各生长阶段的有效积温,通过试验2、3获得温度数据,通过式(7)得出黄瓜穴盘苗的发育进程,从而预测黄瓜穴盘苗各生长阶段所经历的天数(表2)。2.2黄瓜穴苗壮苗指数模型2.2.1壮苗指数与有效积温的scha-pcr模型表4为黄瓜穴盘苗在不同生长阶段的积温与壮苗指数值。随着黄瓜穴盘苗总有效积温增加,壮苗指数增大,而且在不同育苗环境中,积温和壮苗指数的关系表现出相同的趋势。图2为黄瓜穴盘苗有效积温与壮苗指数的关系。随着有效积温的增加,初期壮苗指数变化增加较缓,后期则迅速变大。采用Schumacher曲线模型表达壮苗指数与有效积温的关系:I=P1exp[-P2/(A+P3)](8)式中:I为壮苗指数;P1、P2、P3分别为最大壮苗指数影响参数、温度与光辐射最大影响参数、其他因素影响参数;A为总有效积温(℃),为黄瓜穴盘苗各生长阶段有效积温的累积值。利用试验1、3数据对Schumacher曲线模型进行回归分析,估算模型参数,可得P1、P2、P3分别为225.3636、1602.0269、141.4613,R2=98.63,F值检验达到极显著相关水平。由此可得黄瓜穴盘苗壮苗指数模型为:I=225.3636×e(−1602.0269A+141.4613)[JX+2mm](9)(-1602.0269A+141.4613)[JX+2mm](9)2.2.2壮苗指数的模拟利用试验2的结果对模型进行验证。采用国际上惯用的RMSE模型检验方法,对模拟值与观测值的符合程度进行分析。RMSE=∑i=1n(OBSi−SIMi)2n−−−−−−−−−−−√(10)RΜSE=∑i=1n(ΟBSi-SΙΜi)2n(10)式中:OBSi为观测值;SIMi为模拟值;n为样本容量。当n=5时,RMSE=0.4086,说明该模型可较准确地模拟黄瓜穴盘苗的壮苗指数。由图3可以看出,模拟值和观测值有较好的一致性(r2=0.9816),模型预测效果较好。3schamache曲线模型预测结果根据黄瓜穴盘苗生长特性,将黄瓜穴盘苗划分为发芽、子叶、1叶期、成苗等4个生长阶段,为模拟黄瓜穴盘苗生长奠定了基础。采用生长度日法构建了黄瓜穴盘苗生长阶段模型,黄瓜穴盘苗在发芽、子叶、1叶期、成苗阶段的有效积温分别为49.4、148.7、240.5、344.7℃·d。与观测值相比,黄瓜穴盘苗生长阶段经历天数的模拟值误差在2d以内,表明该模型具有一定的预测性和可行性。采用Schumacher曲线模型,对不同有效积温下的黄瓜穴盘苗壮苗指数进行了模拟,并对模型进行了验证,验证结果表明该模型具有较高的预测精度,能实现对穴盘苗生长发育过程的模拟。本研究主要针对黄瓜育苗生产过程中的温度参数进行调节,建立了黄瓜穴盘苗生长发育模型,为工厂化