基于辐热积的日光温室嫁接茄子养分积累模型

王泽鹏 梁志国 范凤翠 杜凤焕 刘胜尧 贾宋楠 赵 楠张 哲 秦 勇郭文忠

（1 河北省农林科学院农业信息与经济研究所，河北石家庄 050051；2 新疆农业大学园艺学院，新疆乌鲁木齐 830052；3 国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097）

设施农业的兴起有效减少了外界环境条件对作物生产的制约，作物生长主要受温室内温度和光照辐射的影响（李莉和郭斌，2019；李天来 等，2022）。因此，精确调控温室内温度和光照辐射对作物生产至关重要（周杰 等，2021）。

茄子（Solanum melongenaL.）作为设施栽培的主要蔬菜种类之一，如果温室内环境控制不当，影响植株生长和果实发育，最终会对茄子产量和品质产生影响（王惠哲 等，2005）。如今作物模型作为新的研究方法和技术是农业信息化的重要基础，在环境优化控制、智能化管理等方面发挥关键性作用，已经广泛应用于实际生产（陈永快 等，2021）。采用适宜的作物生长模型能够精准的调控作物生长环境，促进设施农业优质高效的生产（李化龙 等，2003；石小虎和李超，2021；李书田 等，2022）。

干物质生产模型以及养分积累模型对于作物的生长发育和产量形成等方面的研究具有重要意义。前人的研究取得了一系列的成果，但大部分集中于大田作物。李世娟等（2019）通过有效积温和干物质量构建了小麦叶片、茎秆、穗等器官的几何特征模拟模型，结果表明穗干物质量分配指数模拟效果最好，可以为实现小麦功能模型与结构模型实际结合提供参考。蔡甲冰等（2020）建立了基于不同有效积温的玉米干物质积累模型，结果表明基于有效冠层积温的Logistic 归一化模型模拟效果较优，可为灌区玉米精量灌溉管理提供决策依据。付江鹏等（2021）构建了基于冠层覆盖度的玉米植株临界氮浓度模型，模型稳定性较好，能诊断出玉米适宜的施氮量，为玉米生长过程中的氮肥精确管理和产量预测提供理论依据。在蔬菜作物方面，前人主要进行了叶面积（刁明 等，2008；岳延滨 等，2020）、光合作用（李娟 等，2003；徐刚 等，2005；李化龙 等，2006；施泽平 等，2006）以及干物质生产分配（王新 等，2014；马红军 等，2016；石小虎 等，2016；程陈 等，2021）等方面的研究。但是有关作物养分积累模型的研究较少，对茄子的研究更少。

本试验在前人的研究基础上，依据温度和光照变化，构建基于辐热积的日光温室嫁接茄子养分积累模型，可以实现按需定量供肥，以期为日光温室嫁接茄子的精准施肥管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试茄子品种为茄杂2 号，采用嫁接栽培，砧木为托鲁巴姆，均由河北省农林科学院经济作物研究所提供。供试肥料为尿素（石家庄柏坡正元化肥公司生产，含N 46%）、磷酸一铵（河北萌帮水溶肥料有限公司生产，含P2O561%、N 12%）、硫酸钾（国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司生产，含K2O 52%）。

1.2 试验区概况

试验在河北省农林科学院农业信息与经济研究所大河试验站进行，该试验站地处东经114°22′，北纬38°07′，年均气温14.1 ℃。试验温室长度70 m，跨度7 m，后墙高2.5 m，后墙底宽4.5 m、顶宽2.0 m，采光面拱圆形，主采光面角度30°～35°。土壤质地为黏壤质石灰性褐土，容重1.38 g·cm-3，有机质含量为18.3 g·kg-1，碱解氮含量为113 mg ·kg-1，速效钾含量为134 mg·kg-1，速效磷含量为77 mg·kg-1，pH 值为7.32。

1.3 试验设计

采用滴灌施肥方式，茄子嫁接苗于2020 年4月1 日定植，7 月25 日拉秧，分别在苗期施肥1 次，结果期每10 d 施肥1 次，共计施肥6 次。试验以保持土壤养分供需平衡为理念，以氮肥为基准，共设5 个处理，F1 处理不施肥，F2、F3、F4、F5 处理氮肥吸收率分别为40%、60%、80%、100%，各处理具体施肥量详见表1。每处理3 次重复，小区面积8.25 m2。采用宽窄行栽培，宽行距1.0 m，窄行距0.5 m，株距0.6 m，每小区种植17 株，田间管理措施与当地生产一致。灌溉依据日光温室茄子节水灌溉指标执行（杜凤焕，2019；王贺垒，2019），各处理灌水量相同。

表1 各处理施肥量 kg·hm-2

1.4 测定项目及方法

产量：从第1 次采收开始至拉秧结束进行累计测产。

气象数据测定：温室内的环境数据由ECAWS01 温室环境记录仪（北京益康农科技发展有限公司）自动采集。采集项目均为温室内距地面1.5 m 高处空气温度、光合有效辐射PAR，每10 s 采集1 次，存储10 min 的平均值。采集时间从定植开始至拉秧结束，记录茄子生长全生育期的环境数据。

养分含量测定：在嫁接茄子苗期每隔7 d 取样1 次，共取样4 次；开花坐果期至末果期每隔15 d进行破坏性取样1 次，共取样5 次。每次取3 株生长健康、均匀一致的植株，将茎、叶片、果实用清水冲洗干净，再用吸水纸将表面水分吸干后放入烘箱，于105 ℃杀青30 min 后调温至75 ℃烘干为恒重；然后将各生育期各器官干样分开粉碎，过0.5 mm 筛后用H2SO4-H2O2溶液消煮，消煮液用于养分含量的测定，参照鲍士旦（2008）的方法：全氮含量采用凯氏定氮仪测定，全磷含量采用钒钼黄比色法测定，全钾含量采用火焰分光光度计法测定。

1.5 辐热积模型描述

温度和光合辐射直接影响作物的生长发育和养分吸收，为了综合温度和光合辐射对茄子生长的影响，本试验采用累积辐热积（明村豪 等，2012；倪纪恒 等，2012）来建立养分积累模拟模型。辐热积是指温度热效应和光合有效辐射的乘积，具体计算方法：求出各小时内的相对热效应（relative thermal effectiveness，RTE），然后乘以对应小时内的光合有效辐射（photosynthetically active radiation，PAR），即可求得每小时内的辐热 积（hourly production of thermal effectiveness and PAR，HTEP）。将1 d 内各小时的辐热积累加即可计算出日总辐热积（relative product of thermal effectiveness and PAR，RTEP）。某生长阶段的日总辐热积之和为该阶段的累积辐热积（accumulated total production of thermal effectiveness and PAR，TEP）。具体计算公式如下（吴杨焕，2015；王丹丹 等，2018；李莉和郭斌，2019；牛宁，2021）。

公式①中：RTE（T）为温度为T时的相对热效应；T为每小时的平均温度（℃）；Tb为生长下限温度（℃）；Tm为生长上限温度（℃）；Tob为生长最适温度下限（℃）；Tou为生长最适温度上限（℃）。

公式②中：Q为1 h 内 的 太阳总辐射（J ·m-2·h-1）；0.5 为光合有效辐射在太阳总辐射中所占的比例。

公式③中：3 600 是把1 h 内平均光合有效辐射（J·m-2·s-1）换算成1 h 内的总光合有效辐射（J·m-2·h-1）。

公式④中：10-6是将J 换算成MJ 的换算系数。

公式⑤中：TEPi+1是i+1 天的累积辐热积（MJ·m-2）；TEPi是i天的累积辐热积（MJ ·m-2）；RTEPi+1是第i+1 天的日总辐热积（MJ ·m-2·d-1）。

温室茄子各生育期的生长三基点温度如表2 所示（张亚晶，2015；徐云民，2017）。

表2 温室茄子生长三基点温度 ℃

1.6 模型检验

模型检验采用回归估计标准误差（root mean squared error，RMSE）统计方法，分析实测值与模拟值之间的拟合程度。RMSE 值越小，表明模拟值与实测值之间的偏差越小，模型的模拟结果越准确，预测精度越高。

公式⑥中，OBSi为实测值，SIMi为模拟值，n为样本容量。

另外，还可通过计算模型模拟值与实测值之间的决定系数（R2）来检验模型的精度，R2越接近1，模型越精确。

1.7 数据处理

采用Microsoft Excel 2013 软件进行数据处理和图表绘制，利用DPS 7.05 软件进行模型关系构建。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对茄子产量的影响

由图1 可知，随着施氮量的增加茄子产量呈现先升高后降低的变化趋势。各施氮处理的茄子产量均显著高于不施肥处理，F3 处理产量最高，为62 839 kg·hm-2，比 不 施 肥 处 理（F1）增 产36.05%，并且显著高于其他施氮处理；F4 和F5 处理产量无显著性差异。可见，施用氮肥有利于茄子产量的增加；在本试验条件下，F3 处理获得茄子最大产量，不施肥或过量施肥均不利于茄子产量的形成。

图1 不同施氮量对茄子产量的影响

2.2 茄子植株养分积累模型

利用DPS 模型构建软件将茄子植株养分积累总量与辐热积进行关系构建，得出不同施氮水平下茄子植株养分积累总量与累积辐热积的回归方程及R2见表3。

表3 不同施氮量茄子植株养分积累Logistic 回归分析

养分吸收总量随辐热积的动态变化符合Logistic 生长曲线，各施氮量处理茄子植株N、P、K 的积累量均高于不施肥处理（F1），且均以F3 处理最高（图2）。

图2 不同施氮量下茄子植株N、P、K 积累量与累积辐热积的关系

2.3 茄子各器官养分积累模型

叶片是植株处于营养生长时期干物质、养分积累的主要器官。在植物开始生殖生长以及结果时期，茎、叶片等器官中的碳水化合物和其他化合物开始转移到果实中。

将茄子植株累积辐热积与同一时期实际测得的茎、叶片、果实的养分积累量用DPS 软件进行拟合，以产量最高的F3 处理为例进行分析，得出不同施氮水平茄子各器官养分积累总量与累积辐热积的回归方程及R2见表4。

表4 茄子各器官养分积累Logistic 回归分析

2.4 茄子养分积累量与累积辐热积的关系

以产量最高的F3 处理为例进行分析，茄子植株N、P、K 积累量与累积辐热积的关系见图3。茄子对于N、P 和K 的吸收贯穿整个生育期，各元素积累量均随着累积辐热积的增加呈上升趋势，植株全生育期对K 的积累量最多，N 次之，P 的积累量最少。

如图4 所示，随着累积辐热积的增加，茄子不同器官对N、P、K 元素的积累量均呈现出上升的变化趋势，果实对N、P、K 的积累量最高，均大于茎和叶片。从整个生育期来看，各器官养分积累量均为K 最高、N 次之、P 最少。整个生育期茎中K 积累量为80.97 kg·hm-2，是N、P 积累量的3.06 倍和9.19 倍；叶片中K 积累量为110.95 kg ·hm-2，是N、P 积累量的2.73 倍和11.36 倍；果实中K积累量为214.93 kg·hm-2，是N、P积累量的1.40倍和11.78 倍。

图4 茄子各器官N、P、K 积累量与累积辐热积的关系

2.5 模型检验

对不同施氮量的日光温室茄子植株N、P、K的积累量进行验证。根据表2、3 中获得的模型，对茄子植株全生育期N、P、K 积累量进行模拟，并与实测值进行对比验证。由图5 可以看出，模拟值与实测值的符合程度较好。模型对F1～F5 处理日光温室茄子全株N 积累量的实测值与模拟值的RMSE 分别为3.03、2.15、4.88、4.57、3.45 kg ·hm-2，1∶1直线决定系数R2分别为0.995 5、0.998 6、0.996 8、0.996 3、0.997 6；P 积累量的实测值与模拟值的RMSE 分别为0.34、0.55、0.53、0.42、0.33 kg·hm-2，1∶1 直线决定系数R2分别为0.997 9、0.997 8、0.998 3、0.998 7、0.999 1；K 积累量的实测值与模拟值的RMSE 分别为7.62、7.27、7.85、9.50、6.70 kg·hm-2，1∶1 直线决定系数R2分别为0.991 9、0.996 6、0.997 1、0.994 9、0.997 1。

图5 茄子植株N、P、K 积累量实测值与模拟值的比较

对产量最高的F3 处理茄子茎、叶片、果实中N、P、K 积累量实测值与模拟值间的关系进行分析。由图6 可知，模拟值与实测值之间的符合程度较好。模型对茄子茎、叶片、果实中N 积累量的实测值与模拟值的RMSE 分别为1.66、2.19、3.92 kg ·hm-2，1∶1直线决定系数R2分别为0.957 6、0.976 8、0.991 5；P 积累量的实测值与模拟值的RMSE 分别为0.59、0.40、0.48 kg·hm-2，1∶1 直线决定系数R2分别为0.956 1、0.985 3、0.990 2；K 积累量的实测值与模拟值的RMSE 分别为3.89、4.06、6.57 kg·hm-2，1∶1 直线决定系数R2分别为0.982 0、0.988 6、0.985 3。

图6 茄子各器官养分积累量模拟值与实测值的比较

3 讨论与结论

作物的生长速率取决于其对养分的吸收能力，而温度和光合辐射对作物生长速率产生影响（倪纪恒 等，2012）。本试验为综合温度和光合辐射对茄子生长的影响，采用累积辐热积动态预测了日光温室嫁接茄子全株对N、P、K 元素的积累量以及各器官对营养元素的积累量。前人已在多种作物上建立了辐热积模型，具有较高的精准度。李永秀等（2006）构建了基于辐热积的温室水果黄瓜叶面积指数模型，其标准误差RMSE 和1∶1 直线决定系数R2分别为0.398 0 和0.879 2，精度高于用叶面积法和积温法模拟的叶面积指数。韩利等（2008）在辐热积的基础上建立了氮素对温室黄瓜干物质分配及产量预测模型，模型精度高，可作为温室黄瓜生产的氮肥精准优化管理决策参考依据。本试验建立了基于辐热积的日光温室嫁接茄子养分积累模型，结果表明茄子养分积累量与累积辐热积符合Logistic 曲线关系，与倪纪恒等（2011）建立的基于辐热积的黄瓜磷素吸收模型结果一致。

本试验建立了不同施氮量处理的日光温室茄子整个生育期全株及各器官N、P、K 养分积累模拟模型，以产量最高的F3 处理作为参照，其植株N、P、K 积累量的标准误差RMSE 和1∶1 直线决定系数R2分别为4.88 kg·hm-2和0.996 8、0.53 kg ·hm-2和0.998 3、7.85 kg·hm-2和0.997 1。茎中N、P、K 积累量的标准误差RMSE 和1∶1 直线决定系数R2分别为1.66 kg·hm-2和0.957 6、0.59 kg ·hm-2和0.956 1、3.89 kg·hm-2和0.982 0；叶片中N、P、K 积累量的标准误差RMSE 和1∶1 直线决定系数R2分别为2.19 kg·hm-2和0.976 8、0.40 kg ·hm-2和0.985 3、4.06 kg·hm-2和0.988 6；果实中N、P、K 积累量的标准误差RMSE 和1∶1 直线决定系数R2分别为3.92 kg·hm-2和0.991 5、0.48 kg ·hm-2和0.990 2、6.57 kg·hm-2和0.985 3。该模型精确度高，能够根据温室气象环境模拟茄子养分积累变化量，利用模型预测的日光温室茄子植株氮、磷、钾积累量模拟值与实测值比较，明确植株养分积累状况，实现按需供肥，为日光温室茄子高效生产、智能化精准施肥管理提供了参考依据。由于作物栽培地点和环境不固定，还需进一步的试验研究来优化模型参数，提高模型的普适性和精准度。