黃瓜穴盤苗生長模擬模型研究

針灸育苗技術(shù)是進(jìn)行手術(shù)的重要方法之一。它具有成本低、易交通、機(jī)械化操作等優(yōu)點(diǎn)，對蔬菜工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。實現(xiàn)穴盤育苗過程的精確管理,是穴盤育苗技術(shù)研究和推廣中的重要環(huán)節(jié)。作物生長發(fā)育模擬是實現(xiàn)作物精確管理和生長環(huán)境調(diào)控的重要手段。目前研究者在溫室作物生長發(fā)育模擬方面開展了大量研究,但以往研究主要集中在植物定植后的生長發(fā)育模擬,對作物苗期模擬的研究較少。在苗期作物生長發(fā)育過程中,壯苗指數(shù)被廣泛應(yīng)用于衡量幼苗生長狀況,研究環(huán)境因素對壯苗指數(shù)的影響對優(yōu)化育苗溫室環(huán)境具有重要意義。本研究利用有效積溫法構(gòu)建基于生長度日的黃瓜穴盤苗生長發(fā)育過程模擬模型,并建立基于生長度日的穴盤苗壯苗指數(shù)模擬模型,以期為預(yù)測黃瓜穴盤苗生長提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1材料表面供試黃瓜品種為津優(yōu)1號。用50孔穴盤育苗,育苗基質(zhì)為醋糟、草炭、蛭石按質(zhì)量比2∶1∶1混合。1.2溫室分布及覆蓋區(qū)域試驗于2009年4—5月在江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院的玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行。溫室為Venlo型玻璃溫室,跨度6.4m,共5跨;溫室開間4m,共5間;總面積640m2,天溝高3.8m,溫室分為4個區(qū)域,如圖1所示。溫室4為育苗專用溫室,位于溫室內(nèi)部,長6m,寬5m,高3m,采用玻璃覆蓋。共設(shè)置3個試驗:試驗1,在整個苗期將黃瓜穴盤苗放在溫室4中;試驗2,在整個苗期黃瓜穴盤苗生長在溫室1中;試驗3,白天將黃瓜穴盤苗露天放置,6:00從溫室搬出,日落后搬回溫室。每個處理重復(fù)3次。在黃瓜栽培過程中,根據(jù)黃瓜穴盤苗的生長階段和天氣情況,保證穴盤苗生長的水分供應(yīng)。玻璃溫室覆蓋材料的透光率大于90%,因此3個試驗的光照均能滿足黃瓜穴盤苗的正常生長。1.3黃瓜幼苗生長指標(biāo)采用溫濕度記錄儀(MicroLogEC750,FourierSystemsLtd.)記錄溫度。觀測黃瓜穴盤苗達(dá)到各生長階段的時間,當(dāng)50%以上植株達(dá)到某一階段,即認(rèn)為群體達(dá)到該生長階段。隨機(jī)選擇5株黃瓜幼苗作為觀測樣本,每隔3d觀察1次植株株高、莖粗、葉面積(葉長,葉寬)等指標(biāo),采用直尺(精度1mm)測量植株株高、葉長、葉寬,采用游標(biāo)卡尺(精度0.1mm)測量莖粗,到第2片真葉完全展開(2葉1心)時結(jié)束。采用李建明等的方法計算植株壯苗指數(shù):I=D/H×A(1)式中:I為壯苗指數(shù);D為莖粗;H為株高;A為葉面積。1.4黃瓜穴盤苗發(fā)育進(jìn)程黃瓜穴盤苗的生長發(fā)育是一個連續(xù)過程,但受到自身遺傳特性和環(huán)境因子驅(qū)動,黃瓜穴盤苗生長發(fā)育呈現(xiàn)出明顯的階段性,本研究將溫室黃瓜生育期劃分為發(fā)芽、子葉、1葉期、成苗階段,為便于計算機(jī)運(yùn)算,利用發(fā)育進(jìn)程指數(shù)Dvs(developmentprocess)將各個生長階段數(shù)量化(表1)。2結(jié)果與分析2.1黃瓜穴盤苗生長發(fā)育模擬模型2.1.1黃瓜穴盤苗發(fā)育進(jìn)程的計算在一定范圍內(nèi)黃瓜穴盤苗的發(fā)育進(jìn)程隨溫度升高而加快,發(fā)育速率與累積的熱時間或生長度日密切相關(guān)。為此本研究采用較為常見的生長度日法,即植株完成某一生長階段所需要的累積有效積溫來表示。各生育階段的有效積溫可以表示為:Ai=∑(Td-Tb)(2)式中:Ai表示第i個生長階段的有效積溫,i∈{1,2,3,4};Tb為發(fā)育基點(diǎn)溫度,根據(jù)資料,發(fā)芽期取Tb=15℃,其他時期取Tb=10℃;Td為日平均溫度,利用數(shù)據(jù)記錄儀記錄的數(shù)據(jù)按日平均獲得。發(fā)育速率(Dr)與溫度的關(guān)系為:Dr=Ti?TbAi(3)Dr=Τi-ΤbAi(3)式中:Ti表示一個生育階段的日平均溫度。對于某個品種,Tb和Ai為固定值,Dr隨Ti而變化。發(fā)育進(jìn)程(Ds)表示如下:Ds=i-1+Dr×t(4)式中:t為植株在某生長階段的生長天數(shù)。式(4)中模擬的黃瓜穴盤苗發(fā)育進(jìn)程所需溫度為某生育階段內(nèi)的逐日平均溫度,因此黃瓜穴盤苗的發(fā)育進(jìn)程也可表示為:Ds=i?1+∑(Td?Tb)Ai(5)Ds=i-1+∑(Τd-Τb)Ai(5)為了連續(xù)模擬黃瓜穴盤苗的發(fā)育進(jìn)程,假設(shè)植株生長到任一階段時的累積生長度日為GDDS(℃·d),則發(fā)育進(jìn)程Ds可表示為:Ds=i?1+GDDS∑k=1iAk(6)Ds=i-1+GDDS∑k=1iAk(6)試驗1中測定了黃瓜穴盤苗不同生育階段的有效積溫Ai。將各生育階段的生長度日分別用A1、A2、A3、A4表示,其值依次為49.4、148.7、240.5、344.7℃·d。GDDS是通過育苗環(huán)境的溫度傳感器記錄數(shù)據(jù)獲得,是通過比較生長度日參數(shù)累加值與GDDS的大小來確定,即有:???????0≤GDDS≤Ai時?i=1∑k=1m=1Ak≤GDDS≤∑k=1mAk時?i=m(7){0≤GDDS≤Ai時?i=1∑k=1m=1Ak≤GDDS≤∑k=1mAk時?i=m(7)式中:m∈{2,3,4}。通過上述生長進(jìn)程模型可以預(yù)測植株所處的生育階段,還可以預(yù)測當(dāng)溫度改變后,植株在任何一個生長階段所經(jīng)歷的天數(shù)。2.1.2黃瓜穴盤苗發(fā)育進(jìn)程的預(yù)測通過試驗1得到黃瓜穴盤苗各生長階段的有效積溫,通過試驗2、3獲得溫度數(shù)據(jù),通過式(7)得出黃瓜穴盤苗的發(fā)育進(jìn)程,從而預(yù)測黃瓜穴盤苗各生長階段所經(jīng)歷的天數(shù)(表2)。2.2黃瓜穴苗壯苗指數(shù)模型2.2.1壯苗指數(shù)與有效積溫的scha-pcr模型表4為黃瓜穴盤苗在不同生長階段的積溫與壯苗指數(shù)值。隨著黃瓜穴盤苗總有效積溫增加,壯苗指數(shù)增大,而且在不同育苗環(huán)境中,積溫和壯苗指數(shù)的關(guān)系表現(xiàn)出相同的趨勢。圖2為黃瓜穴盤苗有效積溫與壯苗指數(shù)的關(guān)系。隨著有效積溫的增加,初期壯苗指數(shù)變化增加較緩,后期則迅速變大。采用Schumacher曲線模型表達(dá)壯苗指數(shù)與有效積溫的關(guān)系:I=P1exp[-P2/(A+P3)](8)式中:I為壯苗指數(shù);P1、P2、P3分別為最大壯苗指數(shù)影響參數(shù)、溫度與光輻射最大影響參數(shù)、其他因素影響參數(shù);A為總有效積溫(℃),為黃瓜穴盤苗各生長階段有效積溫的累積值。利用試驗1、3數(shù)據(jù)對Schumacher曲線模型進(jìn)行回歸分析,估算模型參數(shù),可得P1、P2、P3分別為225.3636、1602.0269、141.4613,R2=98.63,F值檢驗達(dá)到極顯著相關(guān)水平。由此可得黃瓜穴盤苗壯苗指數(shù)模型為:I=225.3636×e(?1602.0269A+141.4613)[JX+2mm](9)(-1602.0269A+141.4613)[JX+2mm](9)2.2.2壯苗指數(shù)的模擬利用試驗2的結(jié)果對模型進(jìn)行驗證。采用國際上慣用的RMSE模型檢驗方法,對模擬值與觀測值的符合程度進(jìn)行分析。RMSE=∑i=1n(OBSi?SIMi)2n???????????√(10)RΜSE=∑i=1n(ΟBSi-SΙΜi)2n(10)式中:OBSi為觀測值;SIMi為模擬值;n為樣本容量。當(dāng)n=5時,RMSE=0.4086,說明該模型可較準(zhǔn)確地模擬黃瓜穴盤苗的壯苗指數(shù)。由圖3可以看出,模擬值和觀測值有較好的一致性(r2=0.9816),模型預(yù)測效果較好。3schamache曲線模型預(yù)測結(jié)果根據(jù)黃瓜穴盤苗生長特性,將黃瓜穴盤苗劃分為發(fā)芽、子葉、1葉期、成苗等4個生長階段,為模擬黃瓜穴盤苗生長奠定了基礎(chǔ)。采用生長度日法構(gòu)建了黃瓜穴盤苗生長階段模型,黃瓜穴盤苗在發(fā)芽、子葉、1葉期、成苗階段的有效積溫分別為49.4、148.7、240.5、344.7℃·d。與觀測值相比,黃瓜穴盤苗生長階段經(jīng)歷天數(shù)的模擬值誤差在2d以內(nèi),表明該模型具有一定的預(yù)測性和可行性。采用Schumacher曲線模型,對不同有效積溫下的黃瓜穴盤苗壯苗指數(shù)進(jìn)行了模擬,并對模型進(jìn)行了驗證,驗證結(jié)果表明該模型具有較高的預(yù)測精度,能實現(xiàn)對穴盤苗生長發(fā)育過程的模擬。本研究主要針對黃瓜育苗生產(chǎn)過程中的溫度參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),建立了黃瓜穴盤苗生長發(fā)育模型,為工廠化