西葫蘆LAI動(dòng)態(tài)模擬模型的初步建立與檢驗(yàn)

毛麗萍，任 君

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，山西 太原 030032；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，山西 太原 030032）

精確定量地了解作物生產(chǎn)過程中葉面積指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化是揭示作物產(chǎn)量形成和掌握高產(chǎn)群體調(diào)控指標(biāo)的重要內(nèi)容[1]。

目前，已在玉米、小麥、水稻、番茄和甜椒等作物上建立了葉面積指數(shù)動(dòng)態(tài)模擬模型[2-11]，均能較好地模擬各種作物的葉面積動(dòng)態(tài)變化，并且應(yīng)用于作物的遙感估測[12]。然而，在西葫蘆上還未見有成功的模擬模型的建立與應(yīng)用，為此，本研究建立了西葫蘆葉面積的動(dòng)態(tài)模擬模型，并且進(jìn)行了檢驗(yàn)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

春提早西葫蘆品種為晉葫7號、早青一代、晉葫17號、早豐一代和碧爽。2008年2月17日播種于山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所1號日光溫室內(nèi)，密度為19500株/hm2。3月1日出苗，4月10日開花，4月20日進(jìn)入采收期，6月25日拉秧。

秋延后西葫蘆品種為秋玉、晶瑩、熱抗王、東葫4號和早青一代。2008年8月17日播種于山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所1號日光溫室內(nèi)，密度為19500株/hm2。8月25日出苗，9月25日開花，10月5日進(jìn)入采收期，11月25日拉秧。

越冬茬西葫蘆品種為早青一代、特早王、超越206、冬玉和冬麗。2008年1月5日播種于山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所5號日光溫室內(nèi)，密度為19500株/hm2。1月15日出苗，3月25日開花，4月10日進(jìn)入采收期，5月25日拉秧。

3個(gè)茬口試驗(yàn)均從三葉一心期開始，用遠(yuǎn)程無限環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（中國農(nóng)科院環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所研發(fā)）記錄環(huán)境溫度。

為降低個(gè)體間競爭，試驗(yàn)種植密度相對較低，保證植株不受水分和養(yǎng)分脅迫。每處理選擇有代表性的植株4株，從三葉期開始每7～10 d定株測量各葉位葉片的葉長和最大葉寬。

1.2 數(shù)據(jù)處理

葉面積指數(shù)（LAI）采用回歸相關(guān)法[13]計(jì)算。

作物生育時(shí)期隨品種、播期、地域不同而變化，所以統(tǒng)一模型必須首先統(tǒng)一時(shí)間尺度。本研究用有效積溫（≥10℃）表示生育期長度，對葉面積指數(shù)和生長期作歸一化處理[14]，建立西葫蘆葉面積指數(shù)增長普適模型。將整個(gè)生育期最大葉面積指數(shù)（LAImax）定為1，作物生育期某日相對葉面積指數(shù)（RLAIj）可表示為:RLAIj＝LAIj/LAImax，其中，RLAIj取值為 0～1。

以開花期為界將整個(gè)生育期分為2個(gè)階段，出苗到開花前1 d為第1個(gè)階段，即營養(yǎng)生長階段，積溫用AT1表示；開花日到拉秧日為第2個(gè)階段，即生殖生長階段，積溫用AT2表示。

式中，m和n分別為出苗至開花日和開花日至拉秧的天數(shù)，Tj為逐日平均氣溫，DSj為積溫歸一化后數(shù)值，i為出苗到某次采集數(shù)據(jù)的天數(shù)。DSj取值范圍，營養(yǎng)生長階段為0～1，生殖生長階段為1～2。

以DSj為自變量，RLAIj為因變量，利用Curve Expert 1.38軟件進(jìn)行相對LAI和相對有效積溫的模擬，篩選、建立具有生物學(xué)意義的相對LAI動(dòng)態(tài)模擬模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 西葫蘆LAI動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

從LAI動(dòng)態(tài)變化曲線（圖1）可看出，3個(gè)茬口的西葫蘆LAI的變化趨勢基本一致，均為緩慢增長、快速增長和快速下降的偏峰曲線。但不同茬口西葫蘆的最大葉面積指數(shù)（LAImax）及其到達(dá)時(shí)間不同，春提早、越冬茬西葫蘆在出苗后98 d、秋延后西葫蘆在出苗后46 d左右達(dá)到LAImax值。若將LAImax定為1，用相對有效積溫表示生長期，對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，則可以消除或縮小西葫蘆不同茬口間LAI和生育期天數(shù)的差異，數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散程度會(huì)大大下降。因此，利用歸一化數(shù)據(jù)可以更好地模擬西葫蘆的LAI動(dòng)態(tài)變化，有助于建立一個(gè)適用于不同茬口西葫蘆的LAI普適模型，且多個(gè)實(shí)例可能共用1條擬合曲線。

2.2 作物相對化LAI動(dòng)態(tài)模型的建立

2.2.1 相對化LAI模型的篩選[1]對春提早、秋延后和越冬茬西葫蘆的LAI和有效積溫進(jìn)行歸一化處理后，利用Curve Expert 1.38軟件對相對LAI和相對有效積溫進(jìn)行模擬，得到了10余個(gè)模擬方程。取其中模擬效果較好的前6個(gè)方程，按其相關(guān)系數(shù)大小列于表1。由表1可知，有理方程、余弦曲線和三次多項(xiàng)式的相關(guān)系數(shù)（r）比較高，最高的為0.9720，均可用作西葫蘆LAI動(dòng)態(tài)模擬模型。有理方程y＝（－0.0099＋0.0894x）/（1－1.3778x＋0.5343x2）的相關(guān)系數(shù)最高，所以采用有理方程作為西葫蘆相對化LAI動(dòng)態(tài)模擬方程。

表1 3個(gè)茬口西葫蘆的相對化LAI模型

2.2.2 相對化LAI動(dòng)態(tài)模型的建立 利用2.2.1方法，對3個(gè)茬口西葫蘆的歸一化數(shù)據(jù)分別進(jìn)行模擬（圖2），春提早、秋延后和越冬茬西葫蘆的模擬模型分別為:y＝（-0.0400＋0.0875x）/（1－1.4738x＋0.5882x2）（r＝0.9922**，n＝50），y＝（0.0355＋0.0600x）/（1－1.3905x＋0.5431x2）（r＝0.9919**，n＝22），y＝（－0.0464＋0.1464x）/（1－1.3779x＋ 0.5590x2）（r＝0.9887**，n＝70），其中，相關(guān)系數(shù)均在0.98以上。有理方程通式y(tǒng)＝（a＋bx）/（1＋cx＋dx2）中，y為相對LAI值，x為相對有效積溫，a，b，c和d為常數(shù)。當(dāng)x＝0時(shí)，y＝a，即a值為西葫蘆三葉期的相對LAI；當(dāng)x=1時(shí)，y＝（a＋b）/（1＋c＋d），（a＋b）/（1＋c＋d）即為開花期時(shí)西葫蘆的相對LAI。方程只有1個(gè)峰值，且當(dāng)x→∞時(shí)，y→0，說明有理方程能夠?qū)ξ骱J生長較合理地進(jìn)行解釋，通過該方程可以計(jì)算出任意相對有效積溫時(shí)期的相對LAI。

由圖2可知，根據(jù)LAI動(dòng)態(tài)模型模擬的春提早和秋延后西葫蘆模擬值與實(shí)測值吻合較好，能夠較好地反映這2個(gè)茬口西葫蘆的LAI動(dòng)態(tài)變化；而越冬茬西葫蘆在生長前期的模擬值比實(shí)測值稍低（這是由于播種出苗期氣溫偏低，幼苗生長緩慢，葉面積增長較少所致），但在中后期該模型仍能較好模擬越冬茬的LAI動(dòng)態(tài)變化，且相關(guān)系數(shù)較高（r＝0.9887**）。LAI動(dòng)態(tài)模型對該地區(qū)不同品種不同栽培茬口西葫蘆具有通用性。

2.3 相對化LAI動(dòng)態(tài)模擬模型的檢驗(yàn)

分別利用春提早、秋延后和越冬茬西葫蘆不同生育時(shí)期的LAI測量值進(jìn)行整個(gè)生育期間的LAI動(dòng)態(tài)模擬，模擬值與實(shí)測值的散點(diǎn)圖如圖3所示。

由圖3可知，由相對化LAI模型模擬所得的模擬值與實(shí)測值比較接近，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性（k）的變動(dòng)范圍在0.9996～1.0007之間，近似于1。模擬的精確度（R2）在0.9769～0.9839之間，以對春提早西葫蘆的模擬精確度最高，R2＝0.9839；越冬茬西葫蘆的模擬精確度最低，R2＝0.9769。表明該模型的模擬準(zhǔn)確度較高，模擬結(jié)果能較好地反映西葫蘆LAI動(dòng)態(tài)變化。

3 討論

較早的作物L(fēng)AI動(dòng)態(tài)變化的數(shù)學(xué)模型為Logistic修正模型，后來出現(xiàn)了LAI變化的分段模型[8]，但因各階段的模型或參數(shù)差異較大，應(yīng)用較困難。Pronk等根據(jù)植物與光能利用率的關(guān)系，建立了干物質(zhì)積累和LAI動(dòng)態(tài)模型，但預(yù)測效果較差[11]。張賓等[1]建立的相對化LAI普適性增長模型，比利用測量數(shù)據(jù)直接進(jìn)行模擬前進(jìn)了一步，但沒有考慮品種發(fā)育的積溫和光周期效應(yīng)。王冀川等[2]建立了基于相對發(fā)育期與相對LAI關(guān)系的加工番茄LAI普適性變化模型，模型預(yù)測效果較好。

本研究通過不同品種和茬口試驗(yàn)，以相對有效積溫為自變量，建立了西葫蘆LAI動(dòng)態(tài)變化模擬模型，可以用于不同茬口西葫蘆LAI的動(dòng)態(tài)模擬，比單純以時(shí)間為自變量的葉面積指數(shù)曲線適用性更強(qiáng)[14]。該模型與張賓等[1]以相對時(shí)間表示生育時(shí)間建立小麥、玉米、水稻通用模型相似，而且能夠更準(zhǔn)確地模擬作物L(fēng)AI的動(dòng)態(tài)變化。

本研究模型的建立不需先進(jìn)儀器，只需知道作物生長期的有效積溫和葉面積即可?？朔擞趶?qiáng)等[15]水稻模型和林忠輝等[14]玉米模型只有知道LAImax才能進(jìn)行模擬的缺點(diǎn)，也克服了作物分階段模型模擬LAI的繁瑣過程[8，16]，同時(shí)模型參數(shù)少，計(jì)算簡便。但由于受栽培研究資料的限制，本研究建立的模型在不同生態(tài)區(qū)域下的廣泛測試和驗(yàn)證還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

4 結(jié)論

將春提早、秋延后和越冬茬西葫蘆的LAImax和出苗至開花的有效積溫定為1，對歸一化處理后的相對LAI和相對有效積溫進(jìn)行LAI動(dòng)態(tài)模擬，建立了適用于這3個(gè)茬口的西葫蘆LAI動(dòng)態(tài)模擬的普適模型y＝（a＋bx）/（1＋cx＋dx2）及各自的模型，春提早、秋延后和越冬茬西葫蘆的模擬模型分別為 y＝（－0.0400＋0.0875x）/（1－1.4738x＋0.5882x2）（r＝0.9922**，n＝50），y＝（0.0355＋0.0600x）/（1－1.3905x＋0.5431x2）（r＝0.9919**，n=22）和 y＝（-0.0464＋0.1464x）/（1－1.3779x＋0.5590x2）（r＝0.9887**，n＝70）。準(zhǔn)確度（以k表示）分別為0.9996，1.0007和1.0005，精確度（以R2表示）分別為0.9839，0.9823和0.9769。西葫蘆LAI動(dòng)態(tài)模型從西葫蘆三葉期就能夠比較準(zhǔn)確地進(jìn)行LAI動(dòng)態(tài)預(yù)測，可用于區(qū)域作物生長檢測及遙感估產(chǎn)。

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