水培绿叶菜生长模型参数的季节变异规律研究

严振宁,李兴杰,尹艺璐,张样平,李东波,苏连泰,奥岩松

(1上海交通大学农业与生物学院,上海 200240;2宜春学院生命科学与资源环境学院,宜春 336000;3上海市绿立方农业发展有限公司,上海200120)

我国绿叶菜消费量巨大,在蔬菜生产中占据重要地位[1]。传统的绿叶菜生产属于劳动密集型产业,近年来劳动力成本提高等问题日渐凸显,制约了产业发展[2]。植物工厂作为现代农业的典型代表[3],能够有效缓解用工问题。因此,我国植物工厂无土栽培绿叶菜的种植面积正在快速增加[4]。水培绿叶菜工厂化种植具有环境条件便于调控、养分精准供给等优势,是实现叶菜高效生产的有效途径。然而,要实现水培绿叶菜工厂化生产也存在诸多问题[5],例如前期建设与运维投资大,病虫害易于在水培条件下快速传播,环境调控等技术要求高,这其中环境自动化调控技术的提高对于其持续高产最为关键。而计算机专家系统可以代替传统的人工管理方式,对叶菜生长发育过程中的环境要素进行调控[6]。其中的作物生长模型则是植物工厂生产智能化操作与管理的核心逻辑[7]。

作物生长模型根据其功能的不同,可分为描述性模型和解释性模型两大类[8-9]。描述性模型以田间数据为基础,是对作物生长简单直观的反映,模型参数较少且实用,常见的描述性模型有作物生长发育与产量模型。解释性模型则有利于对复杂系统的理解,更加注重基础理论研究的结合。作物生长模型在农业生产中的应用前景广泛,但是模型的研究仍处于初级阶段,面临的问题较多[10]。比如模型适应性较低,当环境条件的变化超出模型的规定时,模型的可靠性下降,导致模型难以解决生产中的实际问题[11]。过去的作物生长模型没有达成统一性规律,有的模型是以个别季节茬口数据为基础获得的[12],数据标准不同,环境条件单一。因此,作物生长模型还需要在普适性和准确性等方面进一步完善[13],充分发挥其指导作用。

本试验以散叶莴苣、不结球白菜中的杭白菜、青菜为研究对象,在水培条件下进行周年多茬口栽培。采用描述性模型对作物的生长过程进行过程模拟,建立周年基本生长模型和不同季节生长模型,研究季节对生长模型参数变异的影响规律。以期通过参数与实际气温的相对应,讨论不同温度条件下绿叶菜生长环境的调控,达到优化种植的目标。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为散叶莴苣(Lactuca sativaL.)‘巴达维亚’(北京鼎丰现代农业发展有限公司提供),不结球白菜(Brassica campestrisssp.chinensis)中的青菜‘艳春’(上海市农业科学院提供)和杭白菜‘京研4号’(北京京研益农种业有限公司提供)。

1.2 试验方法

试验于2018年12月至2019年12月,在上海市孙桥现代农业园的植物工厂内进行。每月安排1个茬口栽培试验。每个品种的绿叶菜种植36个种植盘(43.4 cm×24.2 cm),每盘8株叶菜。根据定植时间安排提前15 d在人工气候箱育苗,基质为白泥炭与珍珠岩按9∶1体积比混拌均匀。每月1日选取健康且大小均匀一致(三叶一心)的幼苗定植,营养液配方采用公司自主研发的绿叶菜专用营养液,营养液中各元素构成和含量见表1。工作液通过O3消毒后,进行不间断小流量供液。保持营养液pH稳定在6.5—6.7,EC稳定在1.6—2.0 mS∕cm。生长期采用的轨道式浅液流移动推盘栽培系统如图1所示。生长期统一管理,从定植开始,每隔7 d进行1次数据测定,直到植株达到采收标准后进行采收,3种绿叶菜的采收标准如表2所示。

图1 轨道式浅液流移动推盘栽培系统Fig.1 Shallow flow and mobile plate track cultivation system

表1 营养液中的元素配方Table 1 Formulation and content in nutrient solution mg·L-1

表2 绿叶菜采收标准Table 2 Leafy vegetables harvest standard

1.3 测定项目和方法

1.3.1 鲜重、干重和叶面积的测定

从定植的第1天起,每隔7 d,在3种绿叶菜中随机选取5株长势均匀且健康的植株,用纯净水冲洗3次,然后用滤纸吸干表面水分。使用叶面积仪测定叶面积、电子分析天平测定单株鲜重,之后在烘箱内105℃杀青60 min,然后在80℃下通风干燥至恒重,使用电子分析天平称取干重。

1.3.2 温度的监测

采用短程无线传输便携式自动气象站(HOBO-U30)定时监测温室环境,每隔10 min记录温室温度和光照度。数据用于作物生长模型的验证工作。

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2016进行数据整理和分析,采用Sigmaplot 10.0进行绘图。

生长分析的叶面积指数(LAI)及作物生长率(CGR)的计算公式为:

式中:A g表示所测定植物群体所占用的土地面积(m2),本试验中的占用土地面积为种植盘面积的1∕8,即0.013 m2;A l为单位土地上的总叶面积(m2)。

式中:W1及W2分别为第1次和第2次测定时的干重(g);A为土地面积(m2),t1和t2分别为第1次和第2次测定间隔的时间(d),C GR的单位为g∕(m2·d)。

2 结果与分析

2.1 绿叶菜的基本生长模型建立

利用已获得的12个茬口散叶莴苣、不结球白菜的杭白菜和青菜的生长过程数据,进行作物生长模型拟合。一般园艺作物整个生长周期的生长曲线基本上符合Logistic曲线。但本试验中的绿叶菜生长到整个作物生长周期的中期时就已经达到商品采收标准,并且回归分析发现指数函数模型拟合度高于Logistic函数模型,因此选择指数模型作为本试验作物生长的函数模型。定植后的时间t(d)与鲜重y(g)关系的表达式为:

式中,y为整株鲜重(g),t为定植时间(d),e为自然常数,a、b为常数。对于获得的函数方程取对数,得到关于y′=lna+bt的函数,然后通过对方程的lna,b求均值,最后得到可代表绿叶菜周年中平均生长发育过程的基本生长方程:

式中,¯y为平均鲜重,t、e同公式(3),¯a,¯b为常数a,b的周年平均值。

散叶莴苣和不结球白菜的杭白菜和青菜12个茬口生长模型的参数a,b如表3所示,鲜重数据及周年基本生长模型如图2所示。

表3 3种绿叶菜生长模型参数随季节变化情况Table 3 The parameters of three leafy vegetables growth model change with seasons

图2 3种绿叶菜的基本生长模型Fig.2 The average growth model of three leafy vegetables

通过拟合,建立3种绿叶菜定植后天数(d)与鲜重的回归关系式:散叶莴苣基本生长模型方程为¯y=0.242e0.192t;杭白菜基本生长模型方程为¯y=0.360e0.190t;青菜基本生长模型方程为¯y=0.410e0.137t。

2.2 季节对绿叶菜生长模型参数的影响

月平均气温是根据气象工作站监测的气温数据在月内求平均获得的,它代表了当月气温的整体水平。植物工厂内的月平均气温变化如图3所示,拟合曲线为y=20.02+9.55sin(0.524x+4.35),R2=0.966。不同季节对绿叶菜生长模型的参数b具有显著的影响。总体上,从1—12月份,b值先随平均气温升高而升高,后随平均气温降低而降低,如此周年循环。通过对特定品种多茬口模型参数a比较,发现参数a变化较小,因为a值大小受定植时的鲜重值影响较大,因此求得¯a作为模型的参数a。根据不同绿叶菜的不同月份参数b进行回归处理。

图3 植物工厂内的月平均气温Fig.3 The monthly average temperature of plant factory

将一年366 d转化为2π的表达形式,表达式为:

式中:T是常数,t代表一周年中的某天。

图4为通过12个茬口栽培试验拟合出的3种绿叶蔬菜的生长模型b随季节的变化情况。从总体态势看,3种叶菜生长模型参数b的变化趋势相似。前期变化规律符合三角函数,b值随时间的增加而增加。中期则符合二次函数变化规律(灰色线段),b值随时间的增加先下降后增加。后期依旧符合前期三角函数模型,b值随时间的增加而降低。

图4 3种绿叶菜生长模型参数b随季节的变化Fig.4 The effect of seasons on the parameter b of three leafy vegetables growth model

从品种角度分析,3种绿叶菜的生长模型参数b变化存在差异。散叶莴苣b值在(0,2π]区间:在(0,和区间符合三角函数规律,随着时间的变化在增加,降低;在区间符合二次函数的规律,表现为先降低、后升高的变化趋势。散叶莴苣参数b的变化拟合为方程(5)。杭白菜b值在(0,2π]区间:在和区间内符合三角函数规律,随着时间的增加,在前一个区间增加,后一个区间降低;在区间内则符合二次函数的规律,表现为随时间的增加先降低、后升高的变化趋势。杭白菜参数b的变化拟合为方程(6)。青菜b值变化规律跟杭白菜相似,在(0,2π]区间:b值在和区间符合三角函数规律,随时间增加,在前一个区间增加,后一个区间降低;在区间内符合二次函数的规律,表现为随时间的增加先降低,后升高的变化趋势。青菜参数b的变化拟合为方程(7)。

2.3 绿叶菜生长分析

生长分析就是将作物的生长过程以干重增长为对象,以干物质的积累和分配来衡量作物产量形成的一种方法。植物生长以干物质积累为基础,而干物质90%以上是通过光合作用形成。光合产物的多少决定于光合面积、光合速率与光合时间等因素[14]。对于绿叶菜而言,叶片是主要的光合场所。通过拟合,发现时间(t)和叶面积指数LAI(y)之间的关系满足指数模型。3种绿叶菜LAI指数模型的参数b与时间的关系如图5所示。3种绿叶菜LAI模型的参数b在周年中的变化情况与3种绿叶菜产量随季节变化趋势相似,随时间的增加,呈现先增大后减小的趋势,中间则出现先降低后升高的现象,且参数b杭白菜>b散叶莴苣>b青菜。

图5 3种绿叶菜LAI函数的参数b随季节的变化情况Fig.5 The parameter b of the LAI function of three leafy vegetables change with season

作物生长率(CGR)反映了作物干物质积累的快慢。选取具有代表性的1月、4月和7月,拟合随时间变化的CGR曲线,如图6所示。绿叶菜在不同季节CGR曲线都是指数函数,但因为b值不同,曲线差异较大,这与不同季节绿叶菜的生长模型曲线规律相似。从3种叶菜整体态势来看,CGR杭白菜>CGR散叶莴苣>CGR青菜。这也与3种叶菜的生长速度相符。

图6 3种绿叶菜CGR函数的参数b随季节的变化Fig.6 The parameter b of the CGR function of three leafy vegetables change with season

3 讨论与结论

试验表明,不同季节条件下水培绿叶菜生长总体态势均符合指数模型,生长速度受季节变化影响较大。在一定温度范围内,3种绿叶菜的生长速度与月平均气温的变化成正相关[15]。但均在一定时间出现异常。散叶莴苣在7—9月、不结球白菜的杭白菜和青菜在6—9月份均出现随着气温继续升高,植株生长速度下降,后随气温下降生长速度升高,这与绿叶菜生长速度与温度成正相关的结论相悖。主要是这些月份的气温过高,超过了3种绿叶菜生长最适温度[16]。

对于散叶莴苣而言,1—6月份,随温度升高植株生长速度加快,到6月份生长速度达到最快,此时bmax=0.270,月平均气温为26.2℃。从7—8月份温度继续上升,生长速度则出现明显下滑,至最高月平均温度29.4℃时,b值达到极小值,在9—10月份随气温的下降出现升高达到极大值,之后b值逐渐减小。这就说明月平均温度26.2℃是散叶莴苣生长最适温度。对于不结球白菜的杭白菜和青菜而言,从1—5月份,不结球白菜(杭白菜和青菜)生长速度随月平均温度的升高而升高。到5月份生长速度达到最快,此时杭白菜bmax=0.252,青菜bmax=0.174,月平均气温为22.7℃。6—8月份随温度继续上升,b值下降,生长速度出现明显下滑,b值达到极小值,生长受到抑制。9月份温度开始下降,到10月份降至22.2℃时,生长速度又短期增加至极大值;后随着气温的降低,生长速度开始下降。这就说明月平均温度22.7℃是杭白菜和青菜的生长最适温度。3种绿叶菜的生长最适温度表现为散叶莴苣高于青菜和杭白菜,因此在生产条件允许的情况下,可将散叶莴苣与不结球白菜分棚种植,温度调节采取不同的策略,从而达到优化种植。

绿叶菜生长模型参数b随时间呈周期性波动。利用绿叶菜生长最适温度的bmax和基本生长模型的¯b,将生长模型参数b分为3个区间,对应3个时间区组。对于散叶莴苣而言,第1组为从10月下旬到次年的3月下旬,这段时间内生长模型的参数b均小于基本生长模型的¯b,由于气温较低,散叶莴苣的生长较为缓慢。因此,需要采取减少通风、营养液加温等措施来促进散叶莴苣的生长速度。第2组为4月上旬到6月上旬和9月中旬到10月下旬,这段时间内生长模型参数b介于生长最适温度参数bmax和基本生长模型参数¯b,气温较适宜,散叶莴苣的生长总体上保持良好,只要配合正常的生育期管理。第3组是从6月中旬到9月上旬,生长模型的参数b低于生长最适温度参数bmax,而气温高于散叶莴苣生长最适温度。因此,需要采取适当的棚内降温和营养液降温等措施,减少高温对于散叶莴苣生长的抑制作用。对于生长趋势接近的不结球白菜的杭白菜和青菜,第1组为10月下旬到次年3月中旬,这段时间生长模型参数b低于对应基本生长模型的参数¯b,气温较低,不利于不结球白菜的杭白菜和青菜的生长发育。因此需要采取加温措施来促进不结球白菜的正常生长速度。第2组为3月下旬到5月上旬和10月份,这段时间生长模型参数b大小介于基本生长模型¯b与生长最适温度时的参数bmax值,气温适宜杭白菜和青菜生长。因此,配合正常的生长期管理即可,不需要对温度进行主动调节。第3组是5月中旬到10月上旬,生长模型的参数b值低于生长最适温度时的参数bmax,主要由于气温总体上高于杭白菜和青菜的生长最适温度。因此,需要采取适当的棚内降温等措施,减少高温对于不结球白菜生长的影响。

另外,平均气温在5月和10月时大致相当,但是不管是青菜还是杭白菜都出现了10月生长速度低于5月,这可能与日照时长有关[17],上海地区5月的平均日照时长为13.7 h,相较于10月的平均日照时长11.4 h多出2.3 h。此规律对于后期进行不同绿叶蔬菜环境调节和管理都具一定的参考价值。

植物生长以干物质积累为基础。从干物质积累的角度分析作物的生长显得尤为重要。光合产物的多少取决于光合面积、光合速率与光合时间等因素[18]。对于绿叶菜而言,叶片是主要的光合场所,从生长分析发现叶面积指数(LAI)的增长速度与作物鲜重生长速度成正相关,作物在特定茬口中的作物生长率(CGR)的变化与作物生长速度成正相关。这说明可以通过调节增加绿叶菜叶面积和干物质积累的方法来提高绿叶菜的生长速度和产量。

本研究仅对不同季节对绿叶菜生长模型的参数变化进行详细探讨,尚未考虑不同季节对于绿叶菜品质生长模型参数的影响和不同品种绿叶菜在相同条件下对于绿叶菜生长模型参数的影响。下一步研究可以在模型中加入品质参数和品种参数,进一步提高模型的适用性和多维度参考性。同时可重复本试验工作以提高模型参数精确度,从而使该模型能精准预测生长趋势,为调节环境参数提供重要参考。