蓖麻籽粒油分含量预测模型构建

徐寿军，王 磊，德木其格，王金波，齐海祥，朱国立，5

（1.内蒙古民族大学 农学院，内蒙古通辽028043；2.内蒙古自治区高校蓖麻产业工程技术研究中心，内蒙古 通辽028043；3.内蒙古自治区蓖麻育种重点实验室，内蒙古 通辽028043；4.内蒙古自治区蓖麻产业协同创新培育中心，内蒙古 通辽028043；5.内蒙古 通辽市农科院，内蒙古 通辽028015）

蓖麻属大戟科蓖麻属（Ricinus communisL.），是生物质能开发的首选作物，在工业、军事和医药中占有重要的位置.因适应性强、耐瘠薄、抗旱，在我国曾被广泛种植.蓖麻油是一种高级植物油，其经济价值高，用途大，广泛应用于国防、医药和化学工业，在农业生产和国民经济中占有一定地位.但因蓖麻是分枝型作物，果穗着生部位分散且不能集中成熟，导致栽培管理粗放，费时费工，严重影响了蓖麻的生产水平.因此，轻简化、机械化、现代化和精细化已成为当前蓖麻生产栽培技术的研究热点.农业信息技术是现代农业的重要支撑，作为其突出代表的作物模拟技术是作物生产实现现代化和精细化的重要基础.目前，作物模拟技术研究已在水稻［1］、玉米［2］、小麦［3］、大豆［4］、油菜［5］、大麦［6］、棉花［7］等作物取得较多成果.关于蓖麻生长发育的模拟研究，仅见徐寿军等的蓖麻生育物质生产、分配的模拟研究［8-9］.油分含量是蓖麻重要品质指标，关于蓖麻籽粒油分形成的模拟模型研究，迄今为止尚未见报道.构建蓖麻籽粒油分含量预测模型，是利用量化工具精确预测蓖麻籽粒油分含量、构建蓖麻生产管理决策支持系统、实现蓖麻生产的精确化和数字化迫切需要解决的关键技术之一.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年和2018年在内蒙古通辽市科尔沁区农牧业高新科技示范园区（43°63′N，122°25′E）进行，试验地年平均气温为6.3 ℃，≥10 ℃活动积温为3 164 ℃，日照时数为3 112 h，年平均降水量350 mm.

1.2 试验材料

试验选取在内蒙古地区广泛种植的籽粒油分含量差异较大的蓖麻品种4个，即通蓖9号、通蓖10号、通蓖11号和通蓖13号，均由内蒙古通辽市农业科学研究院提供.

1.3 试验设计

试验设4个氮肥处理，分别为0，60，120，180 kg·hm-2（分别用N0、N60、N120、N180表示）.肥料分2次施入，基肥在播种时施入，追肥在现蕾前施用，基追比为7∶3.磷、钾肥作为基肥一次性施用，磷肥30 kg·hm-2，钾肥60 kg·hm-2.试验采用随机区组设计，3次重复，小区面积60 m2，行距65 cm，株距60 cm.2017年4月21日播种，2018年4月23日播种.栽培管理措施同大田.

1.4 测定指标及方法

从第一片复叶出现开始，选择长势相同的蓖麻挂牌标记.从开花期开始，每小区每隔10 d取1次样，按叶片、茎秆、籽粒等器官分开，各器官在105 ℃下杀青0.5 h，80 ℃下烘干至恒重，烘干后测各器官干物重、含氮量，测定蓖麻籽粒的粗脂肪含量.含氮量用凯氏定氮-半微量蒸馏法测定［10］；粗脂肪含量采用经优化后的索式提取法测定［11］.

2 结果与分析

2.1 基于异速生长关系的氮肥效应因子模型构建

氮肥用量对蓖麻籽粒油分含量有影响，其影响可用氮肥效应因子来订正，计算如下.

其中，TMNC为蓖麻地上部植株最小含氮量（%），TCNP为植株临界含氮量（%），TANC为植株实际含氮量（%），TBNC为植株最高含氮量（%）.

在本试验条件下，蓖麻植株最高含氮量、临界含氮量和最小含氮量均与植株干物重呈异速生长关系.

上式中，DWP为蓖麻植株干物重.PDT为生理发育时间，其计算见参考文献［8］.

2.2 基于异速生长理论的蓖麻籽粒油分含量预测模型

异速生长理论指出生物体特征变量和生物量的关系可以用幂函数表示.本研究中，蓖麻籽粒油分含量与籽粒干物重呈典型的幂函数关系，可用异速生长模型表达.此外，蓖麻籽粒在油分形成的过程中，除受氮素营养的影响外，还要受到温度、日长等外界环境条件的影响.当温度小于籽粒灌浆的基点温度时，温度值越高，越有利于籽粒灌浆；当温度大于或等于籽粒灌浆的基点温度时，温度值越低，越有利于籽粒灌浆.当日照时间少于临界日照时间，则严重影响灌浆.当日照时间大于蓖麻生长的临界日照时间，小于最适日照时间时，日照时间越长，越有利于灌浆.

上式中，BOAR（PDT）为PDT时刻蓖麻籽粒油分含量，DWG（PDT）为PDT时刻蓖麻籽粒干物重.F（Tmean）为温度影响因子，取值在0～1之间.当日均温越接近最适温度，F（Tmean）的值越接近1.Tmean为蓖麻在灌浆期间的日平均温度，Tb为蓖麻籽粒灌浆的基点温度，取值15 ℃，Tm为最高温度，取值35 ℃，TO为蓖麻籽粒灌浆的最适温度.本研究中，取值为25 ℃［7］.

SDF为日照对蓖麻籽粒灌浆的影响因子，取值在0～1之间.DL为蓖麻灌浆期间的日平均日照时数（h），DLo为蓖麻灌浆期的最适日照时间，DLc为蓖麻灌浆期间的临界日照时间，根据文献资料［8］及本研究的结果，10 h是蓖麻灌浆的最适日照时间，少于3 h则严重影响蓖麻灌浆.

2.3 模型检验

运用通辽市科尔沁区农牧业高新园区试点2017 年的试验数据，采用绝对预测误差AE、均方根误差RMSE、相对均方根误差RRMSE、模型效率EF和剩余系数CRM等指数对本模型进行检验和评价.

式中，AE为绝对误差.OBSi为观测值，SIMi为模拟值，n为样本容量.RRMSE（percent relative rootmean square error）取值范围0～+∞，0 为最好.EF（modeling efficiency）取值范围-∞～1，1 表示模拟精度最好.CRM（coefficient of residualmass）可为正值或负值，正值表示对观测值模拟偏低，负值表示对观测值模拟偏高，0表示模拟精度最好.RMSE（rootmeansquareerror）取值范围0～+∞，0为最好.

不同品种不同处理蓖麻籽粒灌浆期间油分含量实测值与模拟值的绝对误差见表1.

表1 灌浆期籽粒油分含量实测值与模拟值的绝对误差Tab. 1 Absolute error between measured and simulated value of grain oil content during grain filling period %

表1显示，本模型的绝对预测误差在0.11%～5.22%间.

对不同品种不同处理蓖麻籽粒灌浆期间油分含量实测值与模拟值进行比较，见图1.

图1 不同品种不同处理蓖麻籽粒油分含量实测值与模拟值的比较Fig. 1 Comparison of measured and simulated value of castor grain oil content in different varieties and treatments

运用均方根误差RMSE、相对均方根误差RRMSE、模型效率EF和剩余系数CRM等指数对模型进行评价和检验，结果见表2.显示RMSE在0.413 8～3.032 3 之间，RRMSE在6.813 2～10.847 7 之间，EF在0.052 6～0.858 4之间，CRM在-0.047 3～0.010 4之间，模型表现出较好的预测性.

表2 模型检验相关指数Tab. 2 Model test relevant index

3 讨论

描述个体大小和生理属性关系的规律叫做异速生长.目前，异速生长关系主要应用在树木的生物量分配研究方面.孙蒙柯运用异速生长关系研究了武夷山常绿阔叶林木本植物小枝生物量分配表明小枝重和茎重在乔木中呈异速生长关系［12］.朱江等［13］用异速生长模型研究了山西太岳山华北落叶松生物量分配格局.冷寒冰等用异速生长模型分析了上海两种常绿阔叶树种生物量分配［14］.在大田作物方面，王子胜等［15］运用异速生长理论，建立了东北特早熟棉区不同群体棉花氮临界浓度稀释模型，认为不同种植密度下棉花氮临界浓度与地上部最大生物量间均符合幂函数关系，即异速生长关系.薛晓萍等［16］基于临界氮浓度稀释模型，建立了棉株地上部氮素与干物质累积量之间的异速生长模型和氮营养指数模型.本研究运用异速生长关系，建立了蓖麻植株含氮量随植株干物质积累和蓖麻籽粒油分含量随干物质积累的动态预测模型，模型考虑了氮素营养、温度和日照对灌浆期籽粒油分积累的影响.模型评价和检验结果表明，RMSE在0.413 8～3.032 3之间，RRMSE在6.813 2～10.847 7之间，EF在0.052 6～0.858 4之间，CRM在-0.047 3～0.010 4之间，模型表现出较好的预测性.