土壤容重對(duì)棉花根系作用模擬的知識(shí)管理研究

昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500

昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500

1 引言

作物根系是作物吸收和傳輸養(yǎng)分的主要器官，是土壤資源的直接利用者和產(chǎn)量的重要貢獻(xiàn)者。土壤容重的大小影響根系在土壤中的形態(tài)和分布從而改變根系構(gòu)型，良好的根構(gòu)型能提高根系對(duì)土壤養(yǎng)分和水分的利用率[1-2]。為研究土壤容重對(duì)作物根構(gòu)型的影響，采用盆栽、根窖容器或田間挖掘測(cè)定法，研究了不同土壤容重下根量、根長(zhǎng)、根直徑、根間夾角等根構(gòu)型參數(shù)的生長(zhǎng)情況，但并未量化土壤容重和作物根構(gòu)型參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，不能實(shí)現(xiàn)特定土壤容重下根系生長(zhǎng)的預(yù)測(cè)[3]。作物管理專家系統(tǒng)和模擬模型的發(fā)展為作物生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化和信息化提供了新的方法和手段[4-5]。為定量分析油菜生育指標(biāo)和栽培技術(shù)以及玉米分階段定量灌溉與環(huán)境影響因子之間的關(guān)系，應(yīng)用系統(tǒng)分析原理和數(shù)學(xué)建模技術(shù)構(gòu)建油菜栽培管理和玉米水分管理動(dòng)態(tài)知識(shí)模型，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和管理決策的有機(jī)耦合與綜合協(xié)調(diào)[6-7]。為直觀描述作物根系生長(zhǎng)形態(tài)，采用L系統(tǒng)法結(jié)合OpenGL圖形庫(kù)實(shí)現(xiàn)了作物根系的三維可視化模擬，但該方法注重提取作物根系的幾何形態(tài)結(jié)構(gòu)，忽略了根系形態(tài)結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)關(guān)系[8-11]。

本文分析土壤容重與棉花主根軸向生長(zhǎng)速度之間的量化關(guān)系并建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用C++編程語(yǔ)言和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)將根構(gòu)型參數(shù)傳遞給SimRoot模擬模型實(shí)現(xiàn)不同土壤容重下棉花根系構(gòu)型的可視化模擬，構(gòu)建土壤容重對(duì)棉花根系作用模擬的知識(shí)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同土壤容重下棉花根系動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)的知識(shí)管理、預(yù)測(cè)和可視化。

2 棉花根系的形態(tài)特征和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 棉花根系的形態(tài)特征

棉花（Gossypium hirsutum L.）屬直根系作物，分為主根和側(cè)根。種子萌發(fā)時(shí)，先生初生根，初生根發(fā)育成主根，向下伸長(zhǎng)。約在地面下3 cm左右處，從主根的四周發(fā)生出一級(jí)側(cè)根，起初近乎水平生長(zhǎng)，以后斜向下層生長(zhǎng)，多呈四原型，與主根近乎成直角。在一級(jí)側(cè)根生長(zhǎng)點(diǎn)約5 cm處可分生出二級(jí)側(cè)根，適宜條件下，還可繼續(xù)分生出三級(jí)、四級(jí)乃至五級(jí)側(cè)根，整個(gè)根系呈倒圓錐形。如圖1所示。

圖1 棉花根系形態(tài)特征

2.2 棉花根系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在描述作物根系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[12]時(shí)，通常使用圖論上一個(gè)倒向放置的軸向樹(shù)來(lái)進(jìn)行分析（如圖2所示）。棉花根系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以用此軸向樹(shù)表示。將棉花根系設(shè)定為一組根軸，根軸由主根和無(wú)數(shù)個(gè)次級(jí)根軸組成，并具有一定的分根等級(jí)。每一級(jí)根的形成又遵循一個(gè)同樣的方式：在第i級(jí)根的分枝結(jié)點(diǎn)處分枝出第i+1級(jí)根(i≥0)，一級(jí)級(jí)不斷分枝衍生，直至根終止結(jié)點(diǎn)處結(jié)束。棉花根系在其形態(tài)的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程中就是按照基本相似的根系生長(zhǎng)發(fā)育參數(shù)進(jìn)行[13]。

圖2 棉花根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

基于棉花根系的形態(tài)特征和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用以下參數(shù)對(duì)棉花根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述：根類型數(shù)量、根類型、每一次生長(zhǎng)的子根數(shù)目、生長(zhǎng)的子根是否隨機(jī)、是否規(guī)則拓?fù)?、父根上基端無(wú)根區(qū)長(zhǎng)度、父根上生根間距、首次分根時(shí)間、父根上生長(zhǎng)子根的時(shí)間間距、分根時(shí)間間隔、分根與主根的軸向夾角和徑向偏移角、軸向生長(zhǎng)速度、徑向生長(zhǎng)速度，并建立土壤容重和主根軸向生長(zhǎng)速度的量化關(guān)系，其他參數(shù)設(shè)為固定值。另外，由于根在生長(zhǎng)過(guò)程中受向地性和隨機(jī)性等因素的影響，其生長(zhǎng)形態(tài)具有極大的不確定性和隨機(jī)性，在建立數(shù)學(xué)模型的過(guò)程中引入隨機(jī)參數(shù)來(lái)表現(xiàn)根系的隨機(jī)性。

3 棉花根系知識(shí)模型的構(gòu)建

3.1 棉花主根軸向生長(zhǎng)速度與土壤容重關(guān)系的數(shù)學(xué)模型

增長(zhǎng)模型和三次多項(xiàng)式均能描述棉花主根軸向生長(zhǎng)速度與土壤容重的定量關(guān)系，但在程序運(yùn)行時(shí)增長(zhǎng)模型的運(yùn)算較復(fù)雜且誤差偏大，利用三次多項(xiàng)式擬合法建立棉花主根軸向生長(zhǎng)速度與土壤容重關(guān)系的數(shù)學(xué)模型步驟為：

（1）取不同土壤容重下四個(gè)生長(zhǎng)周期的棉花主根軸向生長(zhǎng)速度平均值，作為不同土壤容重下的主根軸向生長(zhǎng)速度[14]。

（2）在Matlab中繪制棉花主根軸向生長(zhǎng)速度和土壤容重關(guān)系的散點(diǎn)圖，根據(jù)散點(diǎn)圖的分布情況，進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，即

式中，x為土壤容重（g/cm3），a，b，c，d 為三次多項(xiàng)式系數(shù)，y為棉花主根軸向生長(zhǎng)速度（cm/d）。

（3）求出增長(zhǎng)模型擬合公式為 y=exp(1.839-1.97×x)，殘差平方和為0.857，三次多項(xiàng)式擬合公式為y=22.291 7× x3-89.187 5×x2+117.195 8×x-50.05,殘 差 平 方 和 為0.010 5。結(jié)果表明：三次多項(xiàng)式的擬合效果較好，殘差平方和小于10%。

（4）畫(huà)出三次多項(xiàng)式和增長(zhǎng)模型的擬合效果圖，如圖3所示，三次多項(xiàng)式的擬合效果較好，隨著土壤容重的增加，棉花主根軸向生長(zhǎng)速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大軸向生長(zhǎng)速度的土壤容重為1.17 g/cm3左右。

圖3 土壤容重對(duì)棉花主根軸向生長(zhǎng)速度的影響

3.2 棉花主根軸向生長(zhǎng)速度與土壤容重關(guān)系的知識(shí)模型

土壤容重對(duì)棉花根系作用模擬的知識(shí)管理系統(tǒng)是基于Visual C++6.0利用控件技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)所構(gòu)建的。其中，土壤容重對(duì)棉花根系作用的數(shù)據(jù)庫(kù)，由主根軸向生長(zhǎng)速度和土壤容重關(guān)系的三次多項(xiàng)式模型、對(duì)應(yīng)系數(shù)、根構(gòu)型參數(shù)組成，且一組模型系數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)表，根構(gòu)型間的關(guān)系由表間關(guān)系體現(xiàn)；可視化是通過(guò)觸發(fā)控件調(diào)用Simroot仿真模型實(shí)現(xiàn)的；編程連接數(shù)據(jù)庫(kù)，一方面使所需定量知識(shí)顯示在相應(yīng)控件中，形成定量知識(shí)模型，另一方面將根構(gòu)型參數(shù)傳遞給Simroot仿真模型，形成直觀描述土壤容重與根構(gòu)型參數(shù)動(dòng)態(tài)關(guān)系的模擬知識(shí)模型。因此，通過(guò)構(gòu)建土壤容重對(duì)棉花根系作用模擬的知識(shí)管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)棉花根系知識(shí)的管理、預(yù)測(cè)和可視化。

圖4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程圖

表1 第120天棉花主根長(zhǎng)度和一次側(cè)根數(shù)實(shí)測(cè)值和模擬值的對(duì)比

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果圖

系統(tǒng)以Visual C++6.0為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，建立人機(jī)接口。設(shè)置下拉菜單、工具條、圖標(biāo)、圖形等與用戶進(jìn)行交互，用戶通過(guò)鼠標(biāo)或快捷鍵完成對(duì)信息的查詢、修改、刪除、添加、仿真等功能。具體流程如圖4所示：用戶在界面輸入作物類型、土壤容重、作物生長(zhǎng)時(shí)間等條件，觸發(fā)相關(guān)Command控件，系統(tǒng)對(duì)數(shù)學(xué)模型庫(kù)進(jìn)行搜索。若有相關(guān)信息，則繼續(xù)匹配模型系數(shù)，通過(guò)程序計(jì)算出結(jié)果。這部分結(jié)果，一方面，以TextBox控件的形式顯示在界面上，另一方面，把此結(jié)果傳遞給SimRoot仿真模型[15]，可視化顯示此時(shí)棉花根系形態(tài)。若數(shù)學(xué)模型庫(kù)中沒(méi)有要搜索的根系信息，則需要建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，然后把此模型導(dǎo)入到數(shù)學(xué)模型庫(kù)，此時(shí)，再進(jìn)行對(duì)數(shù)學(xué)模型庫(kù)的搜索。圖5（a）為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面，圖5（b）和圖5（c）分別表示土壤容重為1.1 g/cm3和1.5 g/cm3時(shí)的系統(tǒng)棉花根系模擬圖。

由圖5可知，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)特定土壤容重下棉花根系生長(zhǎng)的預(yù)測(cè)和可視化。土壤容重介于1.1～1.2 g/cm3之間時(shí)主根的下扎能力較強(qiáng)，根系分布較稠密，當(dāng)土壤容重增加到1.5 g/cm3時(shí)，主根下扎能力減弱，根系分布逐漸稀疏。

根據(jù)上述建模與模擬方法，得出棉花構(gòu)型參數(shù)模擬數(shù)據(jù)。表1為棉花在砂土中生長(zhǎng)第120天主根長(zhǎng)度和一次側(cè)根數(shù)實(shí)測(cè)值和模擬值的對(duì)比，從中可看出，主根長(zhǎng)度實(shí)測(cè)值和模擬值之間誤差介于1.33%～8.87%之間，最大為8.87%，一次側(cè)根數(shù)實(shí)側(cè)值和模擬值之間的誤差介于0.51%～7.48%之間，最大為7.48%，因此，模擬值與實(shí)際根的生長(zhǎng)基本吻合。產(chǎn)生的誤差主要是由以下原因造成的：

（1）三次多項(xiàng)式擬合精度和平均化處理。由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是第x天的根系長(zhǎng)度和一次側(cè)根數(shù)，三次擬合對(duì)象是土壤容重和根系日變量，這樣在[0 x]范圍內(nèi)的生長(zhǎng)速度都是一個(gè)平均值，造成一定的誤差。

（2）根系的曲直程度會(huì)造成一定的誤差，因?yàn)槭前阉?dāng)成一條直線處理的。

（3）一次側(cè)根分布密集度。在一次側(cè)根的實(shí)際分布中，可能是頂端密集，也可能是根尖處密集，而設(shè)定的一次側(cè)根生長(zhǎng)間距是一定的，會(huì)造成一定的誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)棉花根系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同土壤容重下棉花根構(gòu)型參數(shù)的變化規(guī)律，建立了土壤容重與棉花主根軸向生長(zhǎng)速度的定量關(guān)系模型，結(jié)合SimRoot根構(gòu)型幾何模擬模型，開(kāi)發(fā)了土壤容重對(duì)棉花根系作用模擬的知識(shí)管理系統(tǒng)。結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠直觀地觀察不同土壤容重下棉花根系的生長(zhǎng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同土壤容重下根系生長(zhǎng)狀態(tài)的預(yù)測(cè)，方便對(duì)作物的生長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)控，為作物的高效生產(chǎn)提供依據(jù)。

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土壤容重對(duì)棉花根系作用模擬的知識(shí)管理研究

孫玉蓮，戈振揚(yáng)，于英杰，齊亞峰

SUN Yulian,GE Zhenyang,YU Yingjie,QI Yafeng

Faculty of Modern Agricultural Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China

In order to effectively manage the knowledge of crop roots growth in the soil,aiming at the problem of different cotton roots morphological features and growth characteristics with different soil bulk density,a method of knowledge management of crop roots-soil system by combined knowledge model with visual simulation is proposed.The mathematical model of the quantitative relationship between the cotton taproot axial growth rate and soil bulk density is developed to build a knowledge management platform of cotton roots as related to soil bulk density by using SimRoot,the roots architecture geometric simulation model,to simulate the variation of taproot axial growth rate with soil bulk density.The results show that the knowledge management method combined with visual simulation can predict cotton roots growth state in different soil bulk density.

knowledge management;soil bulk density;simulation;cotton roots

為了對(duì)作物根系在土壤中生長(zhǎng)的知識(shí)進(jìn)行有效管理，針對(duì)不同土壤容重中棉花根系的形態(tài)特征和生長(zhǎng)特點(diǎn)，提出一種結(jié)合知識(shí)模型和可視化模擬的作物根-土系統(tǒng)知識(shí)管理方法。建立棉花主根軸向生長(zhǎng)速度與土壤容重定量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，搭建土壤容重對(duì)棉花根系作用的知識(shí)管理平臺(tái)，利用SimRoot根構(gòu)型幾何模型模擬棉花根構(gòu)型參數(shù)主根軸向生長(zhǎng)速度隨土壤容重的變化。結(jié)果表明，結(jié)合可視化模擬仿真的知識(shí)管理方法能夠預(yù)測(cè)不同土壤容重中棉花根系生長(zhǎng)狀態(tài)。

知識(shí)管理；土壤容重；模擬；棉花根系

A

TP391

10.3778/j.issn.1002-8331.1212-0340

SUN Yulian,GE Zhenyang,YU Yingjie,et al.Knowledge management of simulated cotton roots as related to soil bulk density.Computer Engineering and Applications,2013,49（11）：216-219.

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.60971115，No.60371047）。

孫玉蓮（1986—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樯锵到y(tǒng)功能系統(tǒng)建模與仿真；戈振揚(yáng)（1959—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)樯锵到y(tǒng)功能建模與仿真；于英杰，女，博士，講師，主要從事精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)具定位及控制研究；齊亞峰（1976—），男，工程師。E-mail：sunyulian2010@126.com

2012-12-28

2013-03-04

1002-8331（2013）11-0216-04