温室番茄光合热辐射积与干物质累积模型分析

2020-10-19云兴福

农机化研究 2020年12期

刘燕,云兴福,王永

(1.内蒙古农业大学,呼和浩特 010019;2.内蒙古农牧业科学院,呼和浩特 010031)

0 引言

番茄以其酸甜口感[1]受到广大群众的喜爱,因此具有较高的经济价值,在我国范围内种植广泛[2]。在广大北方地区,番茄以温室栽培为主[3],由于温度、光照和水分控制不合理,造成口感欠佳[4-5]。番茄通过光合作用实现有机物积累[6],从而实现生长。因此,建立番茄生长与光合作用之间的模型,可以指导番茄培育,提升番茄商品价值[7]。目前,对于光合作用与番茄生长模型的研究,主要集中在温度[8]、光照[9]或水分等单个因素上[10],缺乏多因素耦合的考虑;对于光合作用建模,采用不同生长时期独立建模[11],这是因为番茄生长周期分为缓苗期和苗期、开花期和成熟期,跨度较大,且在苗期由于环境条件不合理会影响整个生长周期中干物质累积量[12]。为此,引入热辐射积,综合考虑番茄生长周期中光照辐射量与温度的累积对于干物质累积的影响,建立了不同水分情况下二者的关系模型。同时,考量不同生长时期干物质累积量去向,具体分为两个阶段:①分析地表植株与根系生长分配系数,建立在不同热辐射积值下的模型;②分析叶片、茎和果实在不同热辐射积值的情况下干物质累积情况。本模型充分考虑阳光辐射在整个番茄生长周期中的累积情况,具有较高的可靠性。

1 系统组成

由于光合作用要在一定温度、水分和光照条件下进行,且番茄生长周期较长,因此引入辐射热积概念,表征光照辐射和温度累积作用。本系统包括应用层、网络层和感知层等3层结构,如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure of system

感知层检测番茄温室中温度、供水量和光照强度;网络层分为传感器局域组网和远程数据传输,局域组网采用WSN技术[13],将传感检测数据传输到路由器节点,后采用GPRS技术[14]实现数据远程传输到分析中心应用层;应用层主要包括辐射热积与干物质累积模型和干物质分配模型,利用传感器上传数据进行分析拟合。

2 番茄辐射热积与干物质累积模型

番茄作物通过光合作用,在叶绿体中将根系吸收的水分、氮磷钾等元素和CO2合成为植株与果实生长所需的有机物[15]。有机物生成的多少以干物质累积量作为衡量标准。光合作用以阳光辐射为能源,在一定的温度下进行。设第i小时照射到番茄上的总辐射量为Qi,则作用光合作用动力的阳光辐射量Quse为

Qusei=η·Qi

(1)

其中,取有效系数η=0.5。

在最适宜温度T0时,番茄光合作用最强;当低于番茄生长最低温度Tmin或高于番茄生长最高温度Tmax时,光合作用受到严重抑制。设mi为番茄总生命周期中第i小时对于温度的适宜系数,则

(2)

番茄生长过程分为苗期、开花期和果实成熟期,不同时期太阳辐射强度不同,温度也不同。由于光合作用强度和太阳辐射强度与温度相关,则第i小时内光合作用强度用辐射热表示,即

Qre=Qusei·mi·10-6

(3)

由于光合作用贯穿整个生长周期,因此定义番茄辐射热积为番茄整个生命周期光照强度与相应时刻温度的函数累积值,用辐射热积Qz表示,即

(4)

2.1 辐射热积在番茄生长周期中变化

番茄整个生长周期分为缓苗期、苗期、开花期和成熟期等4个时期。由于光合作用以阳光辐射为动力,因此阳光辐射强度直接影响光合作用强度。同时,光合作用中有多种酶参与,且反应过程复杂,而环境温度直接影响酶的活性,因此温度也是影响光合作用的重要因素。番茄整个生长周期较长,作为光合作用产物的干物质累积量应考虑整个生长周期中光照强度和环境温度的累积影响,因此引入辐射热积表征光照强度和环境温度的累积效果。番茄种植时间为2018年8月9日,成熟期为10月3日-12月1日拉秧,整个生长周期较长,光照辐射强度在整个生长周期中呈现出逐步降低趋势,如图2(a)所示。由于生长周期从夏天开始一直延续到深秋,因此温度也呈现出逐步递减趋势,在缓苗期、苗期、开花期等3个时期温度处于光合作用要求的温度区间内;而成熟期时,温度低于光合作用适宜温度下限,此时光合作用受到抑制。番茄生长周期中辐射热积如图2(b)所示。由于整个周期中均有阳光照射和温度,因此辐射热积成逐步递增趋势,但增长速率呈现出现先变大、后减小趋势。当换苗期向苗期过渡时,环境温度更加靠近最适宜生长温度,太阳辐射强度充足,此时辐射热积增长速率最高;随后由于光照强度下降即温度降低,辐射热积增加速率变缓;处于成熟期时,温度低于最适宜生长温度,辐射热积增长速率进一步下降。

2.2 辐射热积与干物质累积模型

番茄通过光合作用达到生产有机物的目的,本模型以干物质累积量表征光合作用生成有机物。光合作用以阳光辐射为动力,且必须在适当的温度下进行,将水和CO2合成有机物,因此要充分考虑光照和温度累积影响作用,引入辐射热积;同时,还要考虑水分供应对于光合作用强度的影响,不同生长时期供水量情况如表1所示。

表1 不同生长时期供水量Table 1 Water supply in different growth stage mm/d

表1中:w1为全生长周期充足水分供应,w2为控制苗期和缓苗期水分供应量,w3为苗期和开花期控制供水量,w4为全生长周期控制供水量。

不同供水量情况下,辐射热积与干物质累积关系如图3所示。

图3 辐射热积与干物质累积模型Fig.3 The model for dry matter accumulation and thermal radiation accumulation

当辐射热积小于65时,4种供水量情况下干物质累积量M和辐射热积呈线性关系,拟合结果如式(5)所示,表明该阶段辐射热积为主要限制因素。

M=0.215Qz+2.04

(5)

当62≤Qz<170区间时,不同供水量情况下,干物质累积量M和辐射热积拟合结果如式(6)所示。w2、w3和w4情况下拟合结果基本保持一致,表明苗期供水量会影响干物质累积。

(6)

当170≤Qz<360区间时,不同供水量情况下干物质累积量M和辐射热积拟合结果如式(7)所示。w1、w2情况下拟合模型保持不变,w3和w4情况下拟合结果基本保持一致且继续降低。

(7)

当Qz≥60区间时,不同供水量情况下干物质累积量M和辐射热积拟合结果如式(8)所示。w1、w2情况下拟合模型保持不变,w3情况下干物质累积量得到提高,w4情况下则继续降低。

(8)

综上所述,当Qz<65时,干物质累积量M和辐射热积拟合结果,呈线性关系;当Qz>65时,干物质累积量M和辐射热积拟合结果形式如式(9)所示。当供水量初期不足时,模型呈现统一规律;当花期和成熟期供水不足时,模型发生变化;在不同供水量情况下,模型形式不发生变化。

M=alnQz-b

(9)

3 干物质累积分配方式

番茄生长周期分为缓苗期、苗期、开花期和成熟期等4个不同时期,且不同时期发育重点不同,本文探究了不同时期的热辐射积情况下干物质累积在哪些主要部位。其主要分为两个阶段:①探究不同热辐射积情况下地表干物质累积量和地下根系干物质累积量变化关系;②探究番茄地表以上叶片、茎部和果实等重要部位干物质累积变化趋势,从而全面掌握不同热辐射积情况下光合作用产生有机物去向。

3.1 地面上与根系干物质分配

番茄光合作用产生有机物主要去向为地面以上的茎叶、果实和地下根系部分。叶片进行光合作用是有机物合成的场所,茎是水分、化肥元素的运输通道,根系是番茄采集水分及氮磷钾等元素的器官,同时维持番茄的直立生长。现将干物质去向主要分为地面和地下两部分,拟合结果如图4所示。地下部分分配比例随辐射热积增长而逐步降低,呈指数关系,表明番茄在生长前期以根系发育为重;叶片等相比根系发育相对滞后,开花期和结果期以地上部分发育为主。

图4 干物质累积分配Fig. 4 Distribution coefficient for thermal radiation accumulation

3.2 地上各器官干物质分配

番茄地上部分主要包括茎部、叶片和番茄果实等器官,各器官干物质累积顺序不同,随热辐射积Qz而变化,如图5所示。由图5可知:在苗期植株茎部干物质累积量最多,处于下降趋势,植株叶片呈显著上升趋势,而果实在苗期没有发育,干物质累积量为0。在开花期,植株茎部干物质累积下降,且下降速率开始减慢;叶片干物质累积量开始下降,同时果实干物质累积开始增长,且逐步成为干物质累积主要去处。在成熟期叶片,茎部和果实干物质累积趋于稳定,且果实干物质累积占主要地位。综上所述,茎部干物质累积分配系数随着热辐射积值呈逐步下降趋势,下降速率逐渐降低;叶片干物质累积分配系数在苗期开始增长,但在开花期生殖生长开始后逐渐下降;果实在苗期不发生干物质累积在开花期生殖生长开始后,分配比例系数显著提高,且在开花期中期以后占主导地位。

图5 主要器官干物质累积Fig.5 The distribution coefficient of thermal radiation accumulation for primary organ

4 系统测试

4.1 干物质累积模型验证

采用统计学的方法对模型可靠性进行验证,验证指标为平均绝对误差和拟合决定系数R2。平均绝对误差是整个模型样本点预测值和真实值差值的平均值,反映模型拟合精度;R2衡量的是回归方程整体的拟合度,是表达因变量与所有自变量之间的总体关系,越接近1拟合效果越好。不同供水量情况下干物质累积模型验证结果如图6所示。由图6可知:平均绝对误差范围为1.6～2.7g/棵,在w2供水量情况下平均绝对误差最小,在w3情况下最大。拟合决定系数范围为0.87～0.92,最高值出现在w1供水量条件下,最低值出现在w3供水量条件下。测试结果表明,模型具有较高的可靠性。

图6 干物质累积模型验证Fig.6 Test for thermal radiation accumulation model

4.2 干物质累分配模型验证

在不同供水量情况下,对地面上方植株与根系干物质累积模型进行测试,结果如图7所示。

图7 干物质分配模型验证Fig.7 Test for distribution coefficient

由图7可知:平均绝对误差控制在0.0043～0.0056之间,相对于分配系数0～1范围具有较高的精度;在供水量为w2情况下平均绝对误差精度最高,在供水量为w3情况下模型精度最低。模型的拟合决定系数R2在0.91～0.945之间,具有较高的精度,供水量为w2情况下R2最高,供水量为w3时决定系数R2最低,表明模型可靠性较高。