土壤容重對棉花根系作用模擬的知識管理研究

昆明理工大學 現代農業工程學院，昆明 650500

昆明理工大學 現代農業工程學院，昆明 650500

1 引言

作物根系是作物吸收和傳輸養分的主要器官，是土壤資源的直接利用者和產量的重要貢獻者。土壤容重的大小影響根系在土壤中的形態和分布從而改變根系構型，良好的根構型能提高根系對土壤養分和水分的利用率[1-2]。為研究土壤容重對作物根構型的影響，采用盆栽、根窖容器或田間挖掘測定法，研究了不同土壤容重下根量、根長、根直徑、根間夾角等根構型參數的生長情況，但并未量化土壤容重和作物根構型參數之間的動態關系，不能實現特定土壤容重下根系生長的預測[3]。作物管理專家系統和模擬模型的發展為作物生產管理的現代化和信息化提供了新的方法和手段[4-5]。為定量分析油菜生育指標和栽培技術以及玉米分階段定量灌溉與環境影響因子之間的關系，應用系統分析原理和數學建模技術構建油菜栽培管理和玉米水分管理動態知識模型，實現了動態預測和管理決策的有機耦合與綜合協調[6-7]。為直觀描述作物根系生長形態，采用L系統法結合OpenGL圖形庫實現了作物根系的三維可視化模擬，但該方法注重提取作物根系的幾何形態結構，忽略了根系形態結構與生長環境的動態關系[8-11]。

本文分析土壤容重與棉花主根軸向生長速度之間的量化關系并建立數學模型，應用C++編程語言和數據庫技術將根構型參數傳遞給SimRoot模擬模型實現不同土壤容重下棉花根系構型的可視化模擬，構建土壤容重對棉花根系作用模擬的知識管理系統，實現不同土壤容重下棉花根系動態生長的知識管理、預測和可視化。

2 棉花根系的形態特征和拓撲結構

2.1 棉花根系的形態特征

棉花（Gossypium hirsutum L.）屬直根系作物，分為主根和側根。種子萌發時，先生初生根，初生根發育成主根，向下伸長。約在地面下3 cm左右處，從主根的四周發生出一級側根，起初近乎水平生長，以后斜向下層生長，多呈四原型，與主根近乎成直角。在一級側根生長點約5 cm處可分生出二級側根，適宜條件下，還可繼續分生出三級、四級乃至五級側根，整個根系呈倒圓錐形。如圖1所示。

圖1 棉花根系形態特征

2.2 棉花根系的拓撲結構

在描述作物根系的拓撲結構[12]時，通常使用圖論上一個倒向放置的軸向樹來進行分析（如圖2所示）。棉花根系的拓撲結構可以用此軸向樹表示。將棉花根系設定為一組根軸，根軸由主根和無數個次級根軸組成，并具有一定的分根等級。每一級根的形成又遵循一個同樣的方式：在第i級根的分枝結點處分枝出第i+1級根(i≥0)，一級級不斷分枝衍生，直至根終止結點處結束。棉花根系在其形態的發生與發展過程中就是按照基本相似的根系生長發育參數進行[13]。

圖2 棉花根系拓撲結構圖

基于棉花根系的形態特征和拓撲結構，用以下參數對棉花根系拓撲結構和幾何結構進行描述：根類型數量、根類型、每一次生長的子根數目、生長的子根是否隨機、是否規則拓撲、父根上基端無根區長度、父根上生根間距、首次分根時間、父根上生長子根的時間間距、分根時間間隔、分根與主根的軸向夾角和徑向偏移角、軸向生長速度、徑向生長速度，并建立土壤容重和主根軸向生長速度的量化關系，其他參數設為固定值。另外，由于根在生長過程中受向地性和隨機性等因素的影響，其生長形態具有極大的不確定性和隨機性，在建立數學模型的過程中引入隨機參數來表現根系的隨機性。

3 棉花根系知識模型的構建

3.1 棉花主根軸向生長速度與土壤容重關系的數學模型

增長模型和三次多項式均能描述棉花主根軸向生長速度與土壤容重的定量關系，但在程序運行時增長模型的運算較復雜且誤差偏大，利用三次多項式擬合法建立棉花主根軸向生長速度與土壤容重關系的數學模型步驟為：

（1）取不同土壤容重下四個生長周期的棉花主根軸向生長速度平均值，作為不同土壤容重下的主根軸向生長速度[14]。

（2）在Matlab中繪制棉花主根軸向生長速度和土壤容重關系的散點圖，根據散點圖的分布情況，進行三次多項式擬合，即

式中，x為土壤容重（g/cm3），a，b，c，d 為三次多項式系數，y為棉花主根軸向生長速度（cm/d）。

（3）求出增長模型擬合公式為 y=exp(1.839-1.97×x)，殘差平方和為0.857，三次多項式擬合公式為y=22.291 7× x3-89.187 5×x2+117.195 8×x-50.05,殘 差 平 方 和 為0.010 5。結果表明：三次多項式的擬合效果較好，殘差平方和小于10%。

（4）畫出三次多項式和增長模型的擬合效果圖，如圖3所示，三次多項式的擬合效果較好，隨著土壤容重的增加，棉花主根軸向生長速度呈現先增大后減小的趨勢，最大軸向生長速度的土壤容重為1.17 g/cm3左右。

圖3 土壤容重對棉花主根軸向生長速度的影響

3.2 棉花主根軸向生長速度與土壤容重關系的知識模型

土壤容重對棉花根系作用模擬的知識管理系統是基于Visual C++6.0利用控件技術、計算機編程技術和數據庫技術所構建的。其中，土壤容重對棉花根系作用的數據庫，由主根軸向生長速度和土壤容重關系的三次多項式模型、對應系數、根構型參數組成，且一組模型系數對應一個表，根構型間的關系由表間關系體現；可視化是通過觸發控件調用Simroot仿真模型實現的；編程連接數據庫，一方面使所需定量知識顯示在相應控件中，形成定量知識模型，另一方面將根構型參數傳遞給Simroot仿真模型，形成直觀描述土壤容重與根構型參數動態關系的模擬知識模型。因此，通過構建土壤容重對棉花根系作用模擬的知識管理系統，可實現棉花根系知識的管理、預測和可視化。

圖4 系統實現流程圖

表1 第120天棉花主根長度和一次側根數實測值和模擬值的對比

4 系統設計與實現

圖5 系統實現效果圖

系統以Visual C++6.0為開發平臺，建立人機接口。設置下拉菜單、工具條、圖標、圖形等與用戶進行交互，用戶通過鼠標或快捷鍵完成對信息的查詢、修改、刪除、添加、仿真等功能。具體流程如圖4所示：用戶在界面輸入作物類型、土壤容重、作物生長時間等條件，觸發相關Command控件，系統對數學模型庫進行搜索。若有相關信息，則繼續匹配模型系數，通過程序計算出結果。這部分結果，一方面，以TextBox控件的形式顯示在界面上，另一方面，把此結果傳遞給SimRoot仿真模型[15]，可視化顯示此時棉花根系形態。若數學模型庫中沒有要搜索的根系信息，則需要建立適當的數學模型，然后把此模型導入到數學模型庫，此時，再進行對數學模型庫的搜索。圖5（a）為系統實現界面，圖5（b）和圖5（c）分別表示土壤容重為1.1 g/cm3和1.5 g/cm3時的系統棉花根系模擬圖。

由圖5可知，該系統能夠實現特定土壤容重下棉花根系生長的預測和可視化。土壤容重介于1.1～1.2 g/cm3之間時主根的下扎能力較強，根系分布較稠密，當土壤容重增加到1.5 g/cm3時，主根下扎能力減弱，根系分布逐漸稀疏。

根據上述建模與模擬方法，得出棉花構型參數模擬數據。表1為棉花在砂土中生長第120天主根長度和一次側根數實測值和模擬值的對比，從中可看出，主根長度實測值和模擬值之間誤差介于1.33%～8.87%之間，最大為8.87%，一次側根數實側值和模擬值之間的誤差介于0.51%～7.48%之間，最大為7.48%，因此，模擬值與實際根的生長基本吻合。產生的誤差主要是由以下原因造成的：

（1）三次多項式擬合精度和平均化處理。由于實測數據是第x天的根系長度和一次側根數，三次擬合對象是土壤容重和根系日變量，這樣在[0 x]范圍內的生長速度都是一個平均值，造成一定的誤差。

（2）根系的曲直程度會造成一定的誤差，因為是把它當成一條直線處理的。

（3）一次側根分布密集度。在一次側根的實際分布中，可能是頂端密集，也可能是根尖處密集，而設定的一次側根生長間距是一定的，會造成一定的誤差。

5 結束語

根據棉花根系的拓撲結構和不同土壤容重下棉花根構型參數的變化規律，建立了土壤容重與棉花主根軸向生長速度的定量關系模型，結合SimRoot根構型幾何模擬模型，開發了土壤容重對棉花根系作用模擬的知識管理系統。結果表明：該系統能夠直觀地觀察不同土壤容重下棉花根系的生長狀態，實現對不同土壤容重下根系生長狀態的預測，方便對作物的生長進行調控，為作物的高效生產提供依據。

[1]Bingham I J，Bengough A G，Rees R M.Soil compaction-N interactions in barley：root growth and tissue compaction[J]. Soil&Tillage Research，2010，106：241-246.

[2]Abu-Hamdeh N H.Soil compaction and root distribution for okraasaffected by tillage and vehicle parameters[J].Soil Tillage，2003，74：25-35.

[3]才曉玲，李志洪.土壤容重和施肥條件對玉米根系生長的影響[J].云南農業大學學報，2009，24（3）：470-473.

[4]朱艷，曹衛星，姚霞，等.小麥栽培管理動態知識模型的構建與檢驗[J].中國農業科學，2005，38（2）：283-289.

[5]曹衛星.作物智能栽培學：信息科學與作物栽培學的結合[J].科技導報，2000（1）：37-41.

[6]朱艷，沈維祥，曹衛星，等.油菜栽培管理知識模型及決策支持系統研究[J].農業工程學報，2004，20（6）：141-144.

[7]郭銀巧，李存東，郭新宇，等.玉米水分管理動態知識模型的設計與實現[J].農業工程學報，2007，23（6）：165-169.

[8]鐘南，羅錫文，秦琴.基于生長函數的大豆根系生長的三維可視化模擬[J].農業工程學報，2008，24（7）：151-154.

[9]楊紅云，孫愛珍，何火嬌，等.水稻葉片形態日變化過程可視化模擬研究[J].計算機工程與應用，2009，45（36）：170-173.

[10]黃艷峰，薛占熬，陳濤.基于L系統的植物模擬研究[J].計算機工程與應用，2005，41（19）：53-55.

[11]鐘南，羅錫文，嚴小龍，等.植物根系生長的三維可視化模擬[J].華中農業大學學報，2005，24（5）：516-518.

[12]劉靜，戈振揚，林文如，等.薺菜根系的計算機模擬[J].計算機工程，2010，36（9）：266-270.

[13]鐘南，羅錫文.基于微分L系統理論的植物根系生長模擬的算法[J].系統仿真學報，2006，18（2）：138-143.

[14]宋家祥，莊恒揚，陳后慶，等.不同土壤堅實度對棉花根系生長的影響[J].作物學報，1997，23（6）：719-726.

[15]Ge Zhenyang，Yan Xiaolong，Luo Xiwen.Simulation models of plant root system architecture and application：a review[J]. Transactions of the CSAE，2002，18（3）：154-160.

土壤容重對棉花根系作用模擬的知識管理研究

孫玉蓮，戈振揚，于英杰，齊亞峰

SUN Yulian,GE Zhenyang,YU Yingjie,QI Yafeng

Faculty of Modern Agricultural Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China

In order to effectively manage the knowledge of crop roots growth in the soil,aiming at the problem of different cotton roots morphological features and growth characteristics with different soil bulk density,a method of knowledge management of crop roots-soil system by combined knowledge model with visual simulation is proposed.The mathematical model of the quantitative relationship between the cotton taproot axial growth rate and soil bulk density is developed to build a knowledge management platform of cotton roots as related to soil bulk density by using SimRoot,the roots architecture geometric simulation model,to simulate the variation of taproot axial growth rate with soil bulk density.The results show that the knowledge management method combined with visual simulation can predict cotton roots growth state in different soil bulk density.

knowledge management;soil bulk density;simulation;cotton roots

為了對作物根系在土壤中生長的知識進行有效管理，針對不同土壤容重中棉花根系的形態特征和生長特點，提出一種結合知識模型和可視化模擬的作物根-土系統知識管理方法。建立棉花主根軸向生長速度與土壤容重定量關系的數學模型，搭建土壤容重對棉花根系作用的知識管理平臺，利用SimRoot根構型幾何模型模擬棉花根構型參數主根軸向生長速度隨土壤容重的變化。結果表明，結合可視化模擬仿真的知識管理方法能夠預測不同土壤容重中棉花根系生長狀態。

知識管理；土壤容重；模擬；棉花根系

A

TP391

10.3778/j.issn.1002-8331.1212-0340

SUN Yulian,GE Zhenyang,YU Yingjie,et al.Knowledge management of simulated cotton roots as related to soil bulk density.Computer Engineering and Applications,2013,49（11）：216-219.

國家自然科學基金（No.60971115，No.60371047）。

孫玉蓮（1986—），女，碩士研究生，主要研究方向為生物系統功能系統建模與仿真；戈振揚（1959—），男，博士，教授，主要研究方向為生物系統功能建模與仿真；于英杰，女，博士，講師，主要從事精準農業機具定位及控制研究；齊亞峰（1976—），男，工程師。E-mail：sunyulian2010@126.com

2012-12-28

2013-03-04

1002-8331（2013）11-0216-04