基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室紅椒發(fā)育模擬模型

姜曉劍　曹繼文　王磊明　劉乃森　徐海斌

摘要：以江蘇淮安紅椒對(duì)溫光條件的生理反應(yīng)為基礎(chǔ)，針對(duì)淮安紅椒設(shè)施栽培裝備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際生產(chǎn)條件，采用生產(chǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建基于生理發(fā)育時(shí)間的淮安紅椒發(fā)育模型。該模型充分利用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控體系，改進(jìn)生育期模擬模型中的熱效應(yīng)積累算法，提高生理發(fā)育時(shí)間的計(jì)算精度，不僅可以用于預(yù)測(cè)、調(diào)控紅椒的生育期，而且可為其生產(chǎn)環(huán)境的智能調(diào)控提供決策支持。

關(guān)鍵詞：紅椒；生理發(fā)育時(shí)間；生育期；模擬模型；智能調(diào)控；物聯(lián)網(wǎng)；溫室；溫光調(diào)控

中圖分類號(hào)： S126；TP391.92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）10-0507-03

淮安紅椒是江蘇省首個(gè)成功注冊(cè)國(guó)家地理標(biāo)志證明商標(biāo)的設(shè)施蔬菜，果實(shí)色澤呈水紅色，微帶淡黃摘要：以江蘇淮安紅椒對(duì)溫光條件的生理反應(yīng)為基礎(chǔ)，針對(duì)淮安紅椒設(shè)施栽培裝備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際生產(chǎn)條件，采用生產(chǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建基于生理發(fā)育時(shí)間的淮安紅椒發(fā)育模型。該模型充分利用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控體系，改進(jìn)生育期模擬模型中的熱效應(yīng)積累算法，提高生理發(fā)育時(shí)間的計(jì)算精度，不僅可以用于預(yù)測(cè)、調(diào)控紅椒的生育期，而且可為其生產(chǎn)環(huán)境的智能調(diào)控提供決策支持。

關(guān)鍵詞：紅椒；生理發(fā)育時(shí)間；生育期；模擬模型；智能調(diào)控；物聯(lián)網(wǎng)；溫室；溫光調(diào)控

中圖分類號(hào)： S126；TP391.92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）10-0507-03

，辣味適中，維生素C含量高，適用于炒食和花色搭配，深受市場(chǎng)消費(fèi)者喜愛(ài)，在江蘇淮安地區(qū)廣泛種植，成為當(dāng)?shù)靥厣a(chǎn)業(yè)[1-5]。近年來(lái)，淮安紅椒生產(chǎn)逐步裝備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，可使用多種終端（計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備等）對(duì)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化管理，提高紅椒產(chǎn)量，有效減少用工以及水電成本，提升淮安紅椒的經(jīng)濟(jì)效益?；窗布t椒上市價(jià)格在不同時(shí)期差異較大，尤其在春節(jié)前，市場(chǎng)價(jià)格達(dá)到最高，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大。因此，如何充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)管理淮安紅椒生育期、調(diào)控上市時(shí)間，成為淮安紅椒生產(chǎn)中獲取較高經(jīng)濟(jì)效益特別重要的問(wèn)題，也是紅椒作物生產(chǎn)模型研究中的基礎(chǔ)內(nèi)容之一。

前人已對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育模擬開(kāi)展了大量的研究[6-8]，并已廣泛用于大田作物及設(shè)施園藝作物生產(chǎn)中[9-13]。利用生長(zhǎng)度日（growing degree days，GDD）和生理發(fā)育時(shí)間（physiological development time，PDT）進(jìn)行生育期預(yù)測(cè)模擬是常用的2種方法。其中，生長(zhǎng)度日法假定作物發(fā)育速率與氣溫在發(fā)育的上限和下限溫度之間呈同一線性關(guān)系，采用實(shí)際環(huán)境條件下完成某一生育階段所經(jīng)歷的累積有效積溫值來(lái)表示作物生長(zhǎng)發(fā)育的進(jìn)程[14]，但未考慮日長(zhǎng)對(duì)作物發(fā)育的影響；生理發(fā)育時(shí)間法考慮了日長(zhǎng)和溫度對(duì)作物發(fā)育的影響，并且認(rèn)為在不同的溫度階段作物發(fā)育的速率不同，該方法在田間作物模擬模型中應(yīng)用較為常見(jiàn)[15-20]，并逐漸應(yīng)用于設(shè)施作物的模擬模型中。上述方法在構(gòu)建以及應(yīng)用中，大多以自然日的平均溫度作為計(jì)算尺度，存在一定的誤差。本研究采用系統(tǒng)分析的方法，以生理發(fā)育時(shí)間為發(fā)育尺度，結(jié)合紅椒生產(chǎn)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)際，改進(jìn)生理發(fā)育時(shí)間的計(jì)算方式，根據(jù)淮安紅椒生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)光溫的反應(yīng)規(guī)律，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的淮安紅椒的發(fā)育模型，為淮安紅椒的生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控以及上市時(shí)間控制提供管理決策支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)一：供試材料為經(jīng)過(guò)改良的紅椒品種超越2009。試驗(yàn)于2012年7月在江蘇省淮安市清浦區(qū)寶成蔬菜種植專業(yè)合作社設(shè)施大棚內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)期間每天觀測(cè)紅椒的發(fā)育狀況，并記載各生育期日期。2012年7月12日進(jìn)行播種，7月20日出苗，8月6日定植。

試驗(yàn)二：供試材料為紅椒14號(hào)。試驗(yàn)于2013年7月在江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所八聯(lián)棟日光溫室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)期間每天觀測(cè)紅椒的發(fā)育狀況，并記載各生育期日期。2013年7月11日進(jìn)行播種，7月17日出苗，7月31日定植。

1.2 栽培管理與環(huán)境監(jiān)測(cè)

紅椒生長(zhǎng)播種后生長(zhǎng)管理、病蟲(chóng)害防治以及灌溉采用常規(guī)生產(chǎn)管理。定植前施用稻殼糞肥2 t，輔以50 kg復(fù)合肥（N ∶ P2O5 ∶ K2O為15 ∶ 15 ∶ 15）。定植行距為58 cm，株距為28 cm。定植時(shí)連續(xù)2 d進(jìn)行灌溉澆水，此后每2 d灌溉1次，保證水分供應(yīng)充足。設(shè)施大棚內(nèi)氣溫低于0 ℃后在大棚中覆蓋小號(hào)棚，每天06：00—07：00揭開(kāi)兩側(cè)裙膜，14：00—15：00關(guān)膜。

大棚以及日光溫室內(nèi)均部署了基于物聯(lián)網(wǎng)的溫度、濕度以及光照度傳感器，通過(guò)ZigBee及GPRS組網(wǎng)，24 h監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)環(huán)境條件，環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)供用戶查詢分析，作為環(huán)境調(diào)節(jié)的依據(jù)。

2 模型描述

2.1 紅椒生育期的劃分

參考前人的研究，將紅椒生育期劃分為發(fā)芽期、苗期、開(kāi)花坐果期以及成熟期[9-10，21-22]。由于紅椒在苗期進(jìn)行定植，沒(méi)有明顯的生理變化特征，因此本研究未將定植作為發(fā)育期的劃分標(biāo)準(zhǔn)[9]。具體生育期劃分如表1所示。

2.2 生理發(fā)育時(shí)間的計(jì)算

有研究認(rèn)為，作物的發(fā)育主要受品種的遺傳特性和光溫等環(huán)境條件的影響，其發(fā)育主要受溫度和光照條件的影響[6，8，10，17，21，23-27]。作物生理發(fā)育時(shí)間是作物在最適宜的溫度和光照條件下完成生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程所需的時(shí)間。對(duì)于特定基因型品種，完成生育階段所需的生理發(fā)育時(shí)間基本恒定，其完成某一特定的發(fā)育階段所需的生理發(fā)育時(shí)間為該階段每日相對(duì)生理發(fā)育效應(yīng)的累積總和[10，23]。根據(jù)生理發(fā)育時(shí)間的定義，作物生長(zhǎng)處于最適宜的溫度和光照條件時(shí)，該自然日的生理發(fā)育效應(yīng)為1 個(gè)生理發(fā)育日（1 d）。作物在特定溫度和光照條件下實(shí)際生長(zhǎng)1 d的效應(yīng)與理想狀態(tài)下1 d生理發(fā)育時(shí)間的比例定義為每日相對(duì)生理發(fā)育效應(yīng)（relative physiological development effectiveness，RPDE）[23]。在其他生長(zhǎng)條件適宜并相同的情況下，特定光照中作物生長(zhǎng)1 d 與最適光照中生長(zhǎng) 1 d 的效應(yīng)比值定義為每日相對(duì)光周期效應(yīng)（relative photoperiod effectiveness，RPE）；特定溫度中作物生長(zhǎng)1 d與最適宜溫度條件中生長(zhǎng)1 d的效應(yīng)比值定義為每日相對(duì)熱效應(yīng)（relative thermal effectiveness，RTE）[23]。而每日相對(duì)生理發(fā)育時(shí)間可以根據(jù)作物發(fā)育所需的三基點(diǎn)溫度、臨界光周期以及最適宜光周期來(lái)計(jì)算。endprint

陽(yáng)威等認(rèn)為，辣椒生長(zhǎng)發(fā)育在發(fā)芽期、開(kāi)花期、結(jié)果期和采收期僅受到溫度條件的影響，即發(fā)育速率由RTE決定，而光照與溫度共同影響苗期生長(zhǎng)，該生育期發(fā)育速率由RTE和RPE共同決定[9，21]。因此，辣椒不同生育期的RPDE可以用下述公式計(jì)算：

RPDE=RTE PDT≤GER

RTE×RPE GER

RTE PDT≥FLO。

（1）

式中：GER為發(fā)芽期結(jié)束時(shí)的生理發(fā)育時(shí)間；FLO為播種到開(kāi)花期的生理發(fā)育時(shí)間，均須要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)試。生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的PDT為每日相對(duì)生理發(fā)育效應(yīng)RPDE的累積，采用公式（2）計(jì)算：

PDT=∑RPDE。

（2）

2.3 每日相對(duì)熱效應(yīng)的計(jì)算

刁明等認(rèn)為，每日相對(duì)熱效應(yīng)是指在保持其他條件一致的情況下，作物在實(shí)際溫度條件下生長(zhǎng)1 d所完成的生育進(jìn)度與作物在最適溫度條件下生長(zhǎng)1 d所完成的生育進(jìn)度的比例，數(shù)值在0～1之間變化[10，23，25，27]。許多學(xué)者采用三段線性函數(shù)計(jì)算每日的相對(duì)熱效應(yīng)，參數(shù)為作物生長(zhǎng)溫度下限、發(fā)育最適溫度下限、發(fā)育最適溫度上限以及生長(zhǎng)溫度上限。在生長(zhǎng)溫度下限與最適溫度下限之間，RTE與溫度呈正線性關(guān)系，在最適溫度下限與最適溫度上限之間，RTE達(dá)到最大值1，在最適溫度上限和發(fā)育溫度上限之間，RTE與溫度呈負(fù)線性關(guān)系，溫度低于發(fā)育溫度下限或超過(guò)發(fā)育溫度上限時(shí)，RTE均為0。

本研究針對(duì)部署基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的紅椒生產(chǎn)，可以24 h監(jiān)測(cè)大棚中溫度等環(huán)境條件。由于生產(chǎn)中普遍采用的塑料大棚保溫作用有限，冬季往往只有中午時(shí)分可以保證大棚內(nèi)環(huán)境溫度在淮安紅椒適宜生長(zhǎng)范圍內(nèi)，如果采用溫度日平均值，則會(huì)完全忽略該段時(shí)間的熱效應(yīng)積累?；窗布t椒各生育期三基點(diǎn)溫度如表2所示。

陽(yáng)威等在構(gòu)建辣椒發(fā)育模型時(shí)，考慮了每天的平均溫度忽略了部分熱效應(yīng)的積累，采用每小時(shí)的平均溫度計(jì)算熱效應(yīng)，但是仍無(wú)法精確反映冬季生產(chǎn)中部分時(shí)間段的熱效應(yīng)積累[9]。因此，本研究在計(jì)算每日相對(duì)熱效應(yīng)時(shí)，根據(jù)溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)，使用線性插值的方法，逐秒計(jì)算相對(duì)熱效應(yīng)，換算為每日相對(duì)熱效應(yīng)，從而提高紅椒每天生長(zhǎng)中累積的熱效應(yīng)的計(jì)算精度。

3 結(jié)果與分析

3.1 紅椒各生育期所需生理發(fā)育時(shí)間

根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)的紅椒生長(zhǎng)日期數(shù)據(jù)，計(jì)算出紅椒到達(dá)各個(gè)生育階段所需要的生理發(fā)育時(shí)間，從播種到出苗、開(kāi)花、結(jié)果及成熟所需生理發(fā)育時(shí)間分別為5、27、56、61 d。

3.2 模型檢驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)二的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。從表3中可知，從播種到發(fā)芽期、苗期、開(kāi)花期以及成熟期，模型預(yù)測(cè)與實(shí)際觀測(cè)的生育期時(shí)間誤差分別為-1、-2、-5 d，而在結(jié)果期以及成熟期，誤差分別為4、6 d，總體上可以較好地模擬預(yù)測(cè)紅椒的生育期進(jìn)程。本研究采用了生產(chǎn)中較常見(jiàn)的設(shè)施大棚和聯(lián)棟日光溫室2種類型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩者空間大小差異導(dǎo)致的溫度等環(huán)境調(diào)控能力相差較大，可能是導(dǎo)致結(jié)果期預(yù)測(cè)誤差較大的原因。

4 結(jié)論與討論

本研究根據(jù)前人的研究結(jié)果，針對(duì)淮安紅椒對(duì)光溫的生理反應(yīng)，采用生理發(fā)育時(shí)間模擬淮安紅椒生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程，具有較強(qiáng)的機(jī)理性和解釋性，適用于實(shí)際生產(chǎn)中淮安紅椒生育期的預(yù)測(cè)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控技術(shù)，可以智能調(diào)控淮安紅椒的生產(chǎn)環(huán)境，根據(jù)上市時(shí)間安排淮安紅椒的生產(chǎn)進(jìn)程，從而獲取較好的經(jīng)濟(jì)效益。

以往基于生理發(fā)育時(shí)間的生育期模擬研究中，大多數(shù)學(xué)者采用每日平均溫度計(jì)算熱效應(yīng)積累和生理發(fā)育時(shí)間。而在淮安紅椒等設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中，冬季生產(chǎn)時(shí)往往只有正午前后可以達(dá)到作物生長(zhǎng)的適合溫度，這種情況下，采用較長(zhǎng)時(shí)間尺度的溫度平均值計(jì)算熱效應(yīng)積累，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和推廣，紅椒生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)控逐步智能化，具有連續(xù)監(jiān)測(cè)的能力，特別是可對(duì)溫度進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)測(cè)和記錄，因此本研究針對(duì)部署了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)際，以秒為單位計(jì)算每日熱效應(yīng)，避免了因計(jì)算平均溫度帶來(lái)的相對(duì)熱效應(yīng)積累計(jì)算誤差，提高每日熱效應(yīng)的計(jì)算精度，精確計(jì)算設(shè)施蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程中熱效應(yīng)的積累。

本研究針對(duì)紅椒實(shí)際生產(chǎn)條件（日光溫室以及日光大棚），構(gòu)建紅椒生長(zhǎng)發(fā)育模型，須要采用不同年份、不同生產(chǎn)條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)和校正。另外，由于目前淮安紅椒種植并未有特定的品種，因此本研究在構(gòu)建模型時(shí)未考慮不同品種的遺傳特性，須要進(jìn)一步使用不同品種的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和完善，進(jìn)一步提高模型的普適性和通用性。

本研究針對(duì)紅椒生產(chǎn)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況，基于生理發(fā)育時(shí)間的原理，確定溫室紅椒生長(zhǎng)到達(dá)各生育期的生理發(fā)育時(shí)間，構(gòu)建紅椒發(fā)育模擬模型，具有一定的機(jī)理性；通過(guò)以秒為單位計(jì)算每日熱效應(yīng)、生理發(fā)育時(shí)間的方法，提高模擬模型的精度。該模型的構(gòu)建，為紅椒生產(chǎn)的管理、溫光調(diào)控以及生產(chǎn)時(shí)間的合理安排提供了理論依據(jù)和決策支持，提高了紅椒生產(chǎn)的品質(zhì)，獲得了較高的經(jīng)濟(jì)效益。

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