杏鲍菇生长模型的建立与分析

杏鲍菇生长模型的建立与分析

0杏鲍菇栽培特点及存在问题30年来，中国食品产业快速发展。除蘑菇、平阳、耳液、双壳蘑菇等大型蘑菇外，杏鲍蘑菇、白灵蘑菇和斑点肉等珍稀蘑菇的种植量迅速增加。目前,报道可人工栽培的食用菌品种100余种,不同食用菌生物学特性各不相同,生长发育过程复杂,不仅受到物种自身的生理特性的控制,而且受到各种环境条件以及周围其他生物竞争的影响,比如水分和温度、光照条件等。目前国内外关于植物生长与环境之间数量关系的模型研究比较系统的是番茄,对食用菌生长发育与环境因子关系的相关研究基较少。2006年,沈阳农业大学的林静等研究了培养料松散密度、含水率和pH对滑菇产量的影响,建立了各因子和试验指标的回归数学模型。2007年袁俊杰等以鸡腿菇为研究对象,在栽培室内的温湿度对食用菌生长影响的基础上,采取英国统计学家皮尔逊(Pearson)提出的积差相关分析法,建立了子实体高度模型、直径模型和质量模型,得出了鸡腿菇在栽培室内在温度12℃~28℃,相对湿度70%~95%能正常生长;生长的最适宜温湿度组合为20℃,90%,并在此基础上建立了食用菌子实体基于温湿度变化的动态生长模型。但总体上看,相关研究报道少,尚未建立明确的食用菌生长发育数学模型。杏鲍菇(Pleurotuseryngii)是一种优质大型肉质伞菌,菌肉肥厚似鲍鱼,菇柄色泽雪白,质地脆嫩,营养丰富,素有“平菇王”美誉。杏鲍菇人工栽培研究起始于法国、意大利和印度。Kalmar(1958)首次开展人工栽培试验。日本、中国台湾等在20世纪90年代实现杏鲍菇规模化、工厂化生产,年产量2万t以上。中国大陆1993年开始引进栽培,近10年来快速发展,涌现了一大批日产量1t以上的杏鲍菇工厂化、规模化生产企业。此外,季节性在栽培杏鲍菇在河北、山东、山西、河南、内蒙等地发展迅速。据中国食用菌协会统计,2009年中国杏鲍菇总产量达32.2万t。然而,杏鲍菇生长发育状况和环境控制因子之间的内在关系缺乏系统研究,一方面由于缺乏理论指导,在生产管理中生产者仅仅凭借栽培经验来确定杏鲍菇不同生长阶段所需要的温度、湿度及其他环境条件;另一方面,生产者由于不清楚食用菌不同生长阶段最佳的生长状况,在环境调控过程中缺乏控制目标参数标准,造成生产稳定性差,导致杏鲍菇生产高耗能低效益。因此,在推进杏鲍菇设施化栽培的过程中,需要开展对杏鲍菇生长发育的数量化研究,确定生长发育的最佳条件,制定不同生长阶段的参数标准,从而从理论上指导杏鲍菇栽培,实现节能高效和环境优化控制,最终提高栽培企业的整体经济效益。本研究采用生长度日法,通过采集大量数据并系统分析,建立数控菇房中杏鲍菇的生长发育模拟模型,为杏鲍菇栽培过程中的出菇管理、环境调控和设施条件下的茬口安排的优化提供理论依据和决策支持,为其他食用菌生产提供参考依据,促进食用菌栽培技术水平的提高。1材料和方法1.1品种进品种杏鲍菇‘日引一号’,福建省漳州市农业科学研究所从日本引进品种。培养料配方:棉籽壳15%、木屑15%、玉米芯15%、麸皮30%、玉米粉5%、蔗渣17.5%、碳酸氢钙1.5%、石灰1%,培养基含水量64%。1.2杏鲍菇的制备工艺试验在福建省漳州市农业科学研究所进行。菌棒所用栽培袋规格为17cm×35cm聚丙烯塑料栽培专用袋。每个栽培袋装料量为400g(干料)。灭菌方式采用高压灭菌方式(灭菌时间2.5h)。灭菌、冷却后接种,采用枝条加麦粒菌种。接种后菌丝培养30天后,菌棒被移入数控菇房进行出菇管理。菇房采用环境控制系统加执行机构(制冷机组、排气扇和加湿器等)控制环境。杏鲍菇的整个生育周期为50天左右。随机抽取3个大小、布局完全一样的数控菇房,测定整个生长期温度,抽样测定出菇阶段子实体大小。1.3测量项目2结果与分析2.1第1阶段形态特征根据杏鲍菇的形态变化,将杏鲍菇的生育期归结为菌丝生长期、原基形成期、菇蕾形成期、子实体伸长期和子实体成熟期这5个生育阶段。根据实际观察得到的杏鲍菇菌丝和子实体生长特性,对各个生育阶段的形态特征进行描述。(Ⅰ)菌丝生长期,生长时间为33天,菌丝长满菌袋,菌丝白且浓密,菌袋坚硬;(Ⅱ)原基形成期,生长时间为3天,菌袋面出现半圆形小突起,顶端有针状菌盖;(Ⅲ)菇蕾形成期,生长时间为3天,菌柄和菇蕾菌盖刚刚完全形成,未看到菌褶形成;(Ⅳ)子实体伸长期,生长时间为9天,菌柄快速伸长,菌盖逐渐展开,菌褶逐渐形成;(Ⅴ)子实体成熟期,生长时间为2天,子实体完全形成,菌盖边缘稍微内卷,菌褶开立,孢子尚未弹射。在不同生育阶段,生长度日有所不同,杏鲍菇子实体高度和子实体菌盖直径也会随生育进程的发展而发生相应的变化(表1)。2.2子实体高度生长规律及拟合结果利用DPS6.50软件,对杏鲍菇的子实体高度与生长度日进行计算机曲线拟合,依次选择Logistic模型、指数函数、负指数函数、Weibull函数、二次多项式曲线、Density模型、Log-Modified模型、MorganMercerFlorin模型等一元非线性回归模型,拟合结果及相关系数分析见表2。从表2各拟合模型的结果可以看出,Weibull函数和Logistic模型拟合得到的R2均比其他拟合模型大,其值分别达到0.9990和0.9988,即拟合效果最好,能够真实的模拟杏鲍菇子实体高度生长发育过程。从图2可以看出,杏鲍菇子实体高度增长呈单“S”曲线,子实体高度生长过程大体上可分为3个生长时期:第一个生长时期包括诱导出菇期和菇蕾形成期(生长第34天至第39天),属于缓慢生长期;第二个生长时期是子实体伸长期(生长第40天至第48天),属于快速生长期;第三个生长时期是子实体成熟期(生长第49天至第50天),也属于缓慢生长期。根据试验数据统计杏鲍菇在各生育阶段的累积生长度日值,对杏鲍菇的子实体高度进行模拟,并与生产过程中实际观测值进行比较,结果如表3所示。从模拟值与试验观测值的误差来看,模拟值与观测值的误差较小,说明Weibull函数模型和Logistic模型能较好地反映和预测杏鲍菇子实体高度的变化。2.3拟合模型的筛选同样,利用DPS6.50软件对杏鲍菇的子实体菌盖直径与累积生长度日进行曲线拟合,根据试验数据观测结果,依次选择Logistic模型、指数函数、负指数函数、Weibull函数、二次多项式曲线、Density模型、Log-Modified模型、MorganMercerFlorin模型等拟合模型,拟合结果及相关系数分析见表4。3杏鲍菇生长过程中的“s型”曲线生长规律植物生长曲线表示植物在生长周期中的生长变化趋势,它反映了植物整体或各个体组成部分生长成熟的内在动力与这种动力进行表达时生长环境之间的相互关系。在植物的整个生长过程中,生长速率都表现出“慢-快-慢”的基本规律,即开始时生长相对缓慢,以后逐渐加快,生长速率达到最高点;然后生长速率又逐渐减慢以至停止,也就是植物生长呈“S型”曲线形状。通过大量田间试验数据分析,研究结果表明,在适宜的生长环境条件下,杏鲍菇子实体高度和菌盖直径生长发育基本上符合植物的“S型”曲线规律,其子实体生长属于有限生长型。因此,在实际生产中就是可利用了杏鲍菇的“S型”曲线生长规律,在其刚刚完成生长成熟期时收获,避免了生长速率下降或生长衰退导致子实体营养物质消耗,从而获得最高生长效率和生产效率。了解了杏鲍菇生长发育规律,能够更好的有目的性的指导生产,为生产者获得优质、高效和节能的目标服务。1.3.1杏鲍菇有效积温的测定采用温度监测记录仪HOBOProv2DataLoggerU23(美国产)自动采集整个生育期内杏鲍菇菌丝生长的实际温度(图1)。频率为3min采集一个温度数据。采集后的温度数据先整理成日平均温度再计算杏鲍菇的有效积温。利用EXCEL和DPS软件进行绘图和统计分析。1.3.2来自杏鲍蘑菇生长发育数据的收集自杏鲍菇原基发生期开始,每个菇房每天随机挑选正常生长杏鲍菇个体20个,测量其子实体高度(cm)和子实体菌盖直径(cm)。1.4生育阶段有效积温拟合结果在设施栽培条件下,杏鲍菇的发育进程在一定范围内随温度的升高而加快,温度是影响杏鲍菇生长发育的重要环境参数。在现代化菇房自动控制条件下,杏鲍菇在生育期内大部分时间处于生长发育的适宜温度。试验引入常用的生长度日法[10,11,12,13,14,15],即在实际环境条件下,杏鲍菇完成某一生育阶段所经历的累积有效积温值(生长度日,GrowingDegreeDays,GDD)。生长度日(℃·d)的表示方法:式中:Tb是指杏鲍菇发育基点温度,Tb=5℃;Td是指栽培基质中菌丝实际生长日平均温度,一般在生育期内Td>Tb。各生育阶段的有效积温可以表示为:式中,Ai第i个生育阶段的有效积温,i∈{Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}。从上述各拟合模型的拟合结果可以看出,Logistic模型和Weibull函数拟合得到的R2均比其他拟合模型大,其值分别达到0.9989和0.9986,即拟合效果最好,如图3所示。结合图2可知,杏鲍菇子实体菌盖直径的生长变化规律和子实体高度的生长变化规律基本一致,均属于单“S”曲线型变化规律,也具有“慢-快-慢”的生长特性。一一一应用上述杏鲍菇子实体菌盖直径生长模型,根据试验数据统计中杏鲍菇在各生育阶段的累积生长度日值对杏鲍菇的子实体菌盖直径进行模拟,并与实际观测值进行比较,结果如表5所示。从模拟值与试验观一一一测值的误差来看,模拟值与观测值的误差较小,说明Logistic模型和Weibull函数模型能较好地反映和预测杏鲍菇子实体菌盖直径的生长变化规律。虚拟植物生长模型对产量预测、土地生产力评价、资源环境分析、作物栽培指导、作物生长机理研究以及调控作物生长发育及其对环境的反应研究都具有十分重要的意义。笔者采用累积生长度日法,在大量田间试验数据的基础上,分析并建立了设施栽培条件下杏鲍菇子实体长度和菌盖生长模型,分别为Weibull函数,通过观测实际值与数据模型模拟值进行了验证分析,表明所建立的生长模型能够真实地反映该杏鲍菇的生长特性,该研究结果将对杏鲍菇栽培管理和生产产量预测,提供科学依据,也是对大型食用真菌生长规律进行的探索性研究。由于研究是在杏鲍菇特定生长环境下建立的生长模型,忽略了环