溫室番茄光合熱輻射積與干物質(zhì)累積模型分析

劉 燕,云興福,王 永

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學,呼和浩特 010019;2.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院,呼和浩特 010031)

0 引言

番茄以其酸甜口感[1]受到廣大群眾的喜愛,因此具有較高的經(jīng)濟價值,在我國范圍內(nèi)種植廣泛[2]。在廣大北方地區(qū),番茄以溫室栽培為主[3],由于溫度、光照和水分控制不合理,造成口感欠佳[4-5]。番茄通過光合作用實現(xiàn)有機物積累[6],從而實現(xiàn)生長。因此,建立番茄生長與光合作用之間的模型,可以指導番茄培育,提升番茄商品價值[7]。目前,對于光合作用與番茄生長模型的研究,主要集中在溫度[8]、光照[9]或水分等單個因素上[10],缺乏多因素耦合的考慮;對于光合作用建模,采用不同生長時期獨立建模[11],這是因為番茄生長周期分為緩苗期和苗期、開花期和成熟期,跨度較大,且在苗期由于環(huán)境條件不合理會影響整個生長周期中干物質(zhì)累積量[12]。為此,引入熱輻射積,綜合考慮番茄生長周期中光照輻射量與溫度的累積對于干物質(zhì)累積的影響,建立了不同水分情況下二者的關(guān)系模型。同時,考量不同生長時期干物質(zhì)累積量去向,具體分為兩個階段:①分析地表植株與根系生長分配系數(shù),建立在不同熱輻射積值下的模型;②分析葉片、莖和果實在不同熱輻射積值的情況下干物質(zhì)累積情況。本模型充分考慮陽光輻射在整個番茄生長周期中的累積情況,具有較高的可靠性。

1 系統(tǒng)組成

由于光合作用要在一定溫度、水分和光照條件下進行,且番茄生長周期較長,因此引入輻射熱積概念,表征光照輻射和溫度累積作用。本系統(tǒng)包括應用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層等3層結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of system

感知層檢測番茄溫室中溫度、供水量和光照強度;網(wǎng)絡(luò)層分為傳感器局域組網(wǎng)和遠程數(shù)據(jù)傳輸,局域組網(wǎng)采用WSN技術(shù)[13],將傳感檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰酚善鞴?jié)點,后采用GPRS技術(shù)[14]實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)椒治鲋行膽脤?應用層主要包括輻射熱積與干物質(zhì)累積模型和干物質(zhì)分配模型,利用傳感器上傳數(shù)據(jù)進行分析擬合。

2 番茄輻射熱積與干物質(zhì)累積模型

番茄作物通過光合作用,在葉綠體中將根系吸收的水分、氮磷鉀等元素和CO2合成為植株與果實生長所需的有機物[15]。有機物生成的多少以干物質(zhì)累積量作為衡量標準。光合作用以陽光輻射為能源,在一定的溫度下進行。設(shè)第i小時照射到番茄上的總輻射量為Qi,則作用光合作用動力的陽光輻射量Quse為

Qusei=η·Qi

(1)

其中,取有效系數(shù)η=0.5。

在最適宜溫度T0時,番茄光合作用最強;當?shù)陀诜焉L最低溫度Tmin或高于番茄生長最高溫度Tmax時,光合作用受到嚴重抑制。設(shè)mi為番茄總生命周期中第i小時對于溫度的適宜系數(shù),則

(2)

番茄生長過程分為苗期、開花期和果實成熟期,不同時期太陽輻射強度不同,溫度也不同。由于光合作用強度和太陽輻射強度與溫度相關(guān),則第i小時內(nèi)光合作用強度用輻射熱表示,即

Qre=Qusei·mi·10-6

(3)

由于光合作用貫穿整個生長周期,因此定義番茄輻射熱積為番茄整個生命周期光照強度與相應時刻溫度的函數(shù)累積值,用輻射熱積Qz表示,即

(4)

2.1 輻射熱積在番茄生長周期中變化

番茄整個生長周期分為緩苗期、苗期、開花期和成熟期等4個時期。由于光合作用以陽光輻射為動力,因此陽光輻射強度直接影響光合作用強度。同時,光合作用中有多種酶參與,且反應過程復雜,而環(huán)境溫度直接影響酶的活性,因此溫度也是影響光合作用的重要因素。番茄整個生長周期較長,作為光合作用產(chǎn)物的干物質(zhì)累積量應考慮整個生長周期中光照強度和環(huán)境溫度的累積影響,因此引入輻射熱積表征光照強度和環(huán)境溫度的累積效果。番茄種植時間為2018年8月9日,成熟期為10月3日-12月1日拉秧,整個生長周期較長,光照輻射強度在整個生長周期中呈現(xiàn)出逐步降低趨勢,如圖2(a)所示。由于生長周期從夏天開始一直延續(xù)到深秋,因此溫度也呈現(xiàn)出逐步遞減趨勢,在緩苗期、苗期、開花期等3個時期溫度處于光合作用要求的溫度區(qū)間內(nèi);而成熟期時,溫度低于光合作用適宜溫度下限,此時光合作用受到抑制。番茄生長周期中輻射熱積如圖2(b)所示。由于整個周期中均有陽光照射和溫度,因此輻射熱積成逐步遞增趨勢,但增長速率呈現(xiàn)出現(xiàn)先變大、后減小趨勢。當換苗期向苗期過渡時,環(huán)境溫度更加靠近最適宜生長溫度,太陽輻射強度充足,此時輻射熱積增長速率最高;隨后由于光照強度下降即溫度降低,輻射熱積增加速率變緩;處于成熟期時,溫度低于最適宜生長溫度,輻射熱積增長速率進一步下降。

2.2 輻射熱積與干物質(zhì)累積模型

番茄通過光合作用達到生產(chǎn)有機物的目的,本模型以干物質(zhì)累積量表征光合作用生成有機物。光合作用以陽光輻射為動力,且必須在適當?shù)臏囟认逻M行,將水和CO2合成有機物,因此要充分考慮光照和溫度累積影響作用,引入輻射熱積;同時,還要考慮水分供應對于光合作用強度的影響,不同生長時期供水量情況如表1所示。

表1 不同生長時期供水量Table 1 Water supply in different growth stage mm/d

表1中:w1為全生長周期充足水分供應,w2為控制苗期和緩苗期水分供應量,w3為苗期和開花期控制供水量,w4為全生長周期控制供水量。

不同供水量情況下,輻射熱積與干物質(zhì)累積關(guān)系如圖3所示。

圖3 輻射熱積與干物質(zhì)累積模型Fig.3 The model for dry matter accumulation and thermal radiation accumulation

當輻射熱積小于65時,4種供水量情況下干物質(zhì)累積量M和輻射熱積呈線性關(guān)系,擬合結(jié)果如式(5)所示,表明該階段輻射熱積為主要限制因素。

M=0.215Qz+2.04

(5)

當62≤Qz<170區(qū)間時,不同供水量情況下,干物質(zhì)累積量M和輻射熱積擬合結(jié)果如式(6)所示。w2、w3和w4情況下擬合結(jié)果基本保持一致,表明苗期供水量會影響干物質(zhì)累積。

(6)

當170≤Qz<360區(qū)間時,不同供水量情況下干物質(zhì)累積量M和輻射熱積擬合結(jié)果如式(7)所示。w1、w2情況下擬合模型保持不變,w3和w4情況下擬合結(jié)果基本保持一致且繼續(xù)降低。

(7)

當Qz≥60區(qū)間時,不同供水量情況下干物質(zhì)累積量M和輻射熱積擬合結(jié)果如式(8)所示。w1、w2情況下擬合模型保持不變,w3情況下干物質(zhì)累積量得到提高,w4情況下則繼續(xù)降低。

(8)

綜上所述,當Qz<65時,干物質(zhì)累積量M和輻射熱積擬合結(jié)果,呈線性關(guān)系;當Qz>65時,干物質(zhì)累積量M和輻射熱積擬合結(jié)果形式如式(9)所示。當供水量初期不足時,模型呈現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)律;當花期和成熟期供水不足時,模型發(fā)生變化;在不同供水量情況下,模型形式不發(fā)生變化。

M=alnQz-b

(9)

3 干物質(zhì)累積分配方式

番茄生長周期分為緩苗期、苗期、開花期和成熟期等4個不同時期,且不同時期發(fā)育重點不同,本文探究了不同時期的熱輻射積情況下干物質(zhì)累積在哪些主要部位。其主要分為兩個階段:①探究不同熱輻射積情況下地表干物質(zhì)累積量和地下根系干物質(zhì)累積量變化關(guān)系;②探究番茄地表以上葉片、莖部和果實等重要部位干物質(zhì)累積變化趨勢,從而全面掌握不同熱輻射積情況下光合作用產(chǎn)生有機物去向。

3.1 地面上與根系干物質(zhì)分配

番茄光合作用產(chǎn)生有機物主要去向為地面以上的莖葉、果實和地下根系部分。葉片進行光合作用是有機物合成的場所,莖是水分、化肥元素的運輸通道,根系是番茄采集水分及氮磷鉀等元素的器官,同時維持番茄的直立生長。現(xiàn)將干物質(zhì)去向主要分為地面和地下兩部分,擬合結(jié)果如圖4所示。地下部分分配比例隨輻射熱積增長而逐步降低,呈指數(shù)關(guān)系,表明番茄在生長前期以根系發(fā)育為重;葉片等相比根系發(fā)育相對滯后,開花期和結(jié)果期以地上部分發(fā)育為主。

圖4 干物質(zhì)累積分配Fig. 4 Distribution coefficient for thermal radiation accumulation

3.2 地上各器官干物質(zhì)分配

番茄地上部分主要包括莖部、葉片和番茄果實等器官,各器官干物質(zhì)累積順序不同,隨熱輻射積Qz而變化,如圖5所示。由圖5可知:在苗期植株莖部干物質(zhì)累積量最多,處于下降趨勢,植株葉片呈顯著上升趨勢,而果實在苗期沒有發(fā)育,干物質(zhì)累積量為0。在開花期,植株莖部干物質(zhì)累積下降,且下降速率開始減慢;葉片干物質(zhì)累積量開始下降,同時果實干物質(zhì)累積開始增長,且逐步成為干物質(zhì)累積主要去處。在成熟期葉片,莖部和果實干物質(zhì)累積趨于穩(wěn)定,且果實干物質(zhì)累積占主要地位。綜上所述,莖部干物質(zhì)累積分配系數(shù)隨著熱輻射積值呈逐步下降趨勢,下降速率逐漸降低;葉片干物質(zhì)累積分配系數(shù)在苗期開始增長,但在開花期生殖生長開始后逐漸下降;果實在苗期不發(fā)生干物質(zhì)累積在開花期生殖生長開始后,分配比例系數(shù)顯著提高,且在開花期中期以后占主導地位。

圖5 主要器官干物質(zhì)累積Fig.5 The distribution coefficient of thermal radiation accumulation for primary organ

4 系統(tǒng)測試

4.1 干物質(zhì)累積模型驗證

采用統(tǒng)計學的方法對模型可靠性進行驗證,驗證指標為平均絕對誤差和擬合決定系數(shù)R2。平均絕對誤差是整個模型樣本點預測值和真實值差值的平均值,反映模型擬合精度;R2衡量的是回歸方程整體的擬合度,是表達因變量與所有自變量之間的總體關(guān)系,越接近1擬合效果越好。不同供水量情況下干物質(zhì)累積模型驗證結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:平均絕對誤差范圍為1.6～2.7g/棵,在w2供水量情況下平均絕對誤差最小,在w3情況下最大。擬合決定系數(shù)范圍為0.87～0.92,最高值出現(xiàn)在w1供水量條件下,最低值出現(xiàn)在w3供水量條件下。測試結(jié)果表明,模型具有較高的可靠性。

圖6 干物質(zhì)累積模型驗證Fig.6 Test for thermal radiation accumulation model

4.2 干物質(zhì)累分配模型驗證

在不同供水量情況下,對地面上方植株與根系干物質(zhì)累積模型進行測試,結(jié)果如圖7所示。

圖7 干物質(zhì)分配模型驗證Fig.7 Test for distribution coefficient

由圖7可知:平均絕對誤差控制在0.0043～0.0056之間,相對于分配系數(shù)0～1范圍具有較高的精度;在供水量為w2情況下平均絕對誤差精度最高,在供水量為w3情況下模型精度最低。模型的擬合決定系數(shù)R2在0.91～0.945之間,具有較高的精度,供水量為w2情況下R2最高,供水量為w3時決定系數(shù)R2最低,表明模型可靠性較高。

5 結(jié)論

1)引入熱輻射積表征光照和溫度累積效果,擬合在不同供水量情況下熱輻射積Qz和干物質(zhì)累積量之間的關(guān)系,結(jié)果表明:當Qz<62時,熱輻射積Qz和干物質(zhì)累積量之間呈線性關(guān)系;當Qz>62時,呈M=alnQz-b對數(shù)形式關(guān)系。

2)擬合地面植株和根系分配系數(shù),結(jié)果表明:根系分配系數(shù)呈指數(shù)關(guān)系,且隨著輻射熱積的增加而降低。

3)地面植株重要包括葉片、莖和果實3部分:葉片分配系數(shù)呈逐步降低趨勢,在成熟期趨于穩(wěn)定;葉片分配系數(shù)在苗期顯著增長,但到開花期后開始下降;果實分配系數(shù)在苗期為0,在開花期開始增長,到成熟期時趨于主導地位。