西瓜幼苗發(fā)育階段熱量需求及模型模擬

李彭麗 ，陳罡曉 ，牛慶良 ，黃丹楓 ，孫治強(qiáng)

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，鄭州，450002；2.上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院）

溫度或者說熱量是影響西瓜（Citrullus lanatusM.）種苗生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素，根據(jù)育苗環(huán)境準(zhǔn)確預(yù)測(cè)幼苗發(fā)育階段進(jìn)而改進(jìn)育苗環(huán)境管理水平，對(duì)提高種苗質(zhì)量和生產(chǎn)水平具有重要意義。通過5次試驗(yàn)，對(duì)西瓜幼苗發(fā)育階段和熱量需求進(jìn)行了細(xì)分和量化，初步構(gòu)建了西瓜幼苗發(fā)育階段模擬模型，旨在為西瓜種苗精量化生產(chǎn)管理提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 育苗試驗(yàn)

試驗(yàn)于2014年2～7月在上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院玻璃溫室進(jìn)行。5次試驗(yàn)分別于2月22日、4月29日、5月22日、6月23日、7月12日播種，分別用 E1、E2、E3、E4、E5表示，72 孔穴盤基質(zhì)（草炭∶珍珠巖∶蛭石=9∶3∶1） 育苗。西瓜品種選用早佳8424，單因素隨機(jī)設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。子葉展平前清水灌溉，子葉展平后用花無缺瓜類專用育苗肥（15-15-15）配制營(yíng)養(yǎng)液澆灌。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

①溫室小氣候環(huán)境指標(biāo) 采用美國(guó)HOBO自動(dòng)氣象站記錄溫室溫度、光照等小氣候因子，采集間隔時(shí)間為5 min。累積熱量單位（ΣTu）按Baker等[1]的方法計(jì)算。

②幼苗形態(tài)指標(biāo) 每2～5 d隨機(jī)選擇10株幼苗測(cè)量葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積等指標(biāo)。葉面積采用植物生長(zhǎng)分析儀（EPSON PERFECTION V700 PHOTO）測(cè)定。

③生育期觀測(cè)與劃分 西瓜苗期劃分為出苗期、子葉展平期、1片真葉期、2片真葉期、3片真葉期、3葉1心期6個(gè)時(shí)期（表1）。采用上海交通大學(xué)機(jī)動(dòng)學(xué)院自制的植物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀對(duì)幼苗全程拍照監(jiān)測(cè)，并記錄各生育時(shí)期到達(dá)時(shí)間，拍照間隔時(shí)間為2 h。

表1 西瓜穴盤苗生育進(jìn)程與形態(tài)特征

表2 5次育苗試驗(yàn)的溫度參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用 SAS 8.0、Microsoft Excel 2007、Sigma Plot 10.0等軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和繪圖，用t檢驗(yàn)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 育苗環(huán)境因子對(duì)西瓜幼苗生育期的影響

不同育苗時(shí)期的溫度、光照、晝夜溫差等小氣候因子差異明顯（表2）。E1為早春育苗，溫度較低，平均溫度為18.6℃，晝夜溫差大，晝夜溫差和為473.8℃。隨著育苗時(shí)期的延后，平均溫度逐漸升高，晝夜溫差降低。

不同環(huán)境條件下所育西瓜幼苗生育進(jìn)程差異顯著，幼苗達(dá)相同發(fā)育階段所需時(shí)間差異顯著（表3）。5次育苗試驗(yàn)中，成苗平均所需時(shí)間分別為33.0、25.0、20.0、18.5、16.0 d。相鄰播期處理的幼苗成苗時(shí)間差分別為8.0、5.0、1.5、2.5 d，且隨播期延后，溫度升高，各發(fā)育階段完成時(shí)間縮短。

表3 5次試驗(yàn)的西瓜幼苗生育期比較

表4 西瓜幼苗發(fā)育階段所需的累積熱量單位

2.2 西瓜幼苗發(fā)育階段對(duì)累積熱量單位的需求

5次育苗各發(fā)育期完成所需ΣTu的計(jì)算結(jié)果表明（表4），不同育苗時(shí)期西瓜幼苗完成同一生育階段的熱量需求差異顯著，說明幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育還受熱量外的其他環(huán)境因子影響，是綜合作用的結(jié)果；但就任一發(fā)育階段來說，其熱量需求波動(dòng)范圍較小。完成1～6生育進(jìn)程平均所需的ΣTu分別2451.02、639.71、2 240.85、1 916.65、1 802.19、670.22 ℃·h，完成整個(gè)苗期所需的累積熱量單位為9 720.64℃·h；發(fā)育階段的完成主要取決于熱量條件，這也是構(gòu)建基于ΣTu的發(fā)育模擬模型的重要基礎(chǔ)。

2.3 西瓜幼苗生育期模擬模型的構(gòu)建與檢測(cè)

①模型構(gòu)建 盡管作物發(fā)育速率的描述方法有多種[2～4]，但已有的發(fā)育速率描述方法忽略了溫度變化對(duì)作物發(fā)育的影響。在有效積溫原理的基礎(chǔ)上，本文模型以ΣTu表征溫度對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育的影響，作為模型驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)行模擬模型的構(gòu)建，建模過程如下。

某 生 育 期 所 需 ΣTu為 ：Ti=ΣTun，式中i指生育期，n為時(shí)間，Ti為該生育期內(nèi)每小時(shí)的Tu之和。

某一生育期的生育速率 （Developmental rate，DR）為：DRi=1/Ti；某一生育期第n小時(shí)的DR表示為：DRin=Tun×DRi，式中Tun為第i生育期第n小時(shí)的累積熱量單位。

以小時(shí)為步長(zhǎng)的西瓜幼苗的生育進(jìn)程可以表示為：DPn=DPn-1+DRin，式中DPn為幼苗第n小時(shí)的生育進(jìn)程，DPn-1為幼苗第n-1小時(shí)的生育進(jìn)程。

圖1 溫室西瓜幼苗各發(fā)育階段所需的累積熱量單位

用2014年2、4、6月試驗(yàn)數(shù)據(jù)建模，用5、7月試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。

Ti是該模型中需要確定的參數(shù)。由圖1可知，各批次幼苗生育期所需的ΣTu較為接近，因而以實(shí)測(cè)各生育期ΣTu的平均值作為模型中各生育期所需 ΣTu的參數(shù)值。T1、T2、T3、T4、T5、T6分別為 2 451.02、639.71、2 240.85、1 916.65、1 802.19、670.22 ℃·h。

②模型檢驗(yàn) 計(jì)算2次試驗(yàn)中觀測(cè)的各發(fā)育期對(duì)應(yīng)的累積熱量單位值，采用均方根誤差（Root mean square error，RMSE）分析模擬值與觀測(cè)值的匹配度。

模型模擬的各生育期及整個(gè)苗期的均方根誤差值分別為 3.2、1、6.3、3.6、2.8、2.7、3.9。2 次試驗(yàn)各生育期實(shí)測(cè)值與模擬值的絕對(duì)誤差均≤7.0 h，對(duì)整個(gè)苗期的預(yù)測(cè)誤差均≤4.0 h；2次試驗(yàn)各生育期的Si與Oi的相關(guān)分析結(jié)果（圖2）顯示，相關(guān)直線斜率分均接近于1，R2值均超過0.98，表明模型能較精確模擬西瓜幼苗各發(fā)育期。

表5 發(fā)育期細(xì)分模型的模擬誤差

3 討論與結(jié)論

西瓜幼苗生長(zhǎng)發(fā)育受育苗環(huán)境溫度、熱量影響顯著，幼苗各發(fā)育階段平均所需的ΣTu分別為2451.02、639.71、2 240.85、1 916.65、1 802.19、670.22 ℃·h，播種至3葉1心期平均所需的ΣTu為9 720.64℃·h，生產(chǎn)中可根據(jù)幼苗不同時(shí)期的熱量需求進(jìn)行合理的育苗環(huán)境小氣候因子調(diào)控。

以ΣTu為驅(qū)動(dòng)力，構(gòu)建了西瓜幼苗發(fā)育模擬模型，檢驗(yàn)結(jié)果表明模型精度較高，可用于西瓜幼苗生產(chǎn)精量化、信息化管理。

目前生育期模型通常為描述性模型，通常以熱量作為模擬驅(qū)動(dòng)參數(shù)，簡(jiǎn)單但有局限性[5]。熱量可以看作是日歷時(shí)間的非線性轉(zhuǎn)換，是一個(gè)潛在的隨時(shí)間變化的溫度解釋型變量[6]，調(diào)控著植物器官的生長(zhǎng)和發(fā)育，但植物發(fā)育同樣受積光等其他環(huán)境因子的影響，是綜合環(huán)境因子累積作用的結(jié)果，因此，要更好地模擬和預(yù)測(cè)西瓜幼苗生長(zhǎng)發(fā)育，綜合各環(huán)境因子進(jìn)行模擬更為準(zhǔn)確。

圖2 西瓜幼苗發(fā)育期細(xì)分模型模擬值與實(shí)測(cè)值相關(guān)圖

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