能源草莖葉生物量·干鮮比及產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

李曉明，劉學(xué)忠，閆 亮，張曉琳

(海南神州新能源建設(shè)開發(fā)有限公司，海南?？?571100)

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能源草莖葉生物量·干鮮比及產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

李曉明，劉學(xué)忠*，閆 亮，張曉琳

(海南神州新能源建設(shè)開發(fā)有限公司，海南?？?571100)

[目的]為能源草莖葉生物量、干鮮比及產(chǎn)氣量的估算提供簡(jiǎn)便、快捷、準(zhǔn)確的非破壞性方法。[方法]研究能源草植后90 d至首次刈割時(shí)期，莖葉生物量、干鮮比及產(chǎn)氣量與植后天數(shù)的關(guān)系。[結(jié)果]通過模型擬合和擇優(yōu)得到莖葉生物量的預(yù)測(cè)模型W=2.338d1.735、莖葉干鮮比的預(yù)測(cè)模型V=20.79-4 174 726Exp(-0.158 2d)及莖葉產(chǎn)氣量的預(yù)測(cè)模型G=2.209d1.73；生長(zhǎng)后期莖葉干鮮比增速緩慢并逐步趨于穩(wěn)定，預(yù)測(cè)曲線顯示其最終穩(wěn)定在20.77%；莖葉產(chǎn)氣速度隨著植后天數(shù)的增加呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，二者之間呈顯著的負(fù)相關(guān)。[結(jié)論]該研究通過模型擬合和擇優(yōu)得到莖葉生物量、干鮮比和產(chǎn)氣量的預(yù)測(cè)模型，擬合優(yōu)度很高。

能源草；莖葉生物量；干鮮比；產(chǎn)氣量；預(yù)測(cè)模型

作物生物量是光合作用和呼吸作用的共同結(jié)果，調(diào)查作物生物量及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律對(duì)于研究干物質(zhì)積累分配、產(chǎn)量形成、光合與呼吸特性等具有重要意義。能源草莖葉生物量、干鮮比及產(chǎn)氣量指標(biāo)是利用能源草作為原料進(jìn)行沼氣生產(chǎn)的重要指標(biāo)，它影響著沼氣生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和能源草的刈割時(shí)間、次數(shù)，因此建立非破壞性的估測(cè)方法非常必要。

應(yīng)用異速生長(zhǎng)關(guān)系間接估測(cè)植物的生物量具有非破壞性、節(jié)省勞動(dòng)力和提高效率等優(yōu)點(diǎn)，已在木薯、苗木及灌木等方面得到了較為廣泛的應(yīng)用[1-5]，但迄今為止尚未見有利用能源草植后天數(shù)預(yù)測(cè)莖葉生物量、干鮮比及產(chǎn)氣量的報(bào)道。該研究探討了能源草植后90 d至首次刈割時(shí)期莖葉生物量、干鮮比及產(chǎn)氣量與植后天數(shù)的關(guān)系，構(gòu)建能源草的回歸模型，旨在為能源草莖葉生物量、干鮮比及產(chǎn)氣量的估算提供簡(jiǎn)便、快捷、準(zhǔn)確的非破壞性方法。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)概況試驗(yàn)于2016年在海南神州新能源建設(shè)開發(fā)有限公司澄邁羅驛村能源草種植基地進(jìn)行。供試材料為熱研4號(hào)王草和巨菌草2個(gè)能源草品種，1月7日定植，5月12日首次刈割。能源草定植時(shí)將每條種莖截?cái)酁槿舾啥?，每?個(gè)芽眼，水平擺放于溝內(nèi)，用溝土覆蓋。能源草種植密度為株距50 cm、行距60 cm(株距是指相鄰2段種莖的2個(gè)中心點(diǎn)之間的距離)，種莖芽眼總數(shù)為66 690個(gè)/hm2，每個(gè)芽眼的種植面積為0.15 m2。

1.2樣株選取能源草種莖定植后90 d進(jìn)行第1次采樣，以后每間隔8 d采樣1次，首次刈割前共采樣5次，每次隨機(jī)選取5個(gè)樣本，在由2個(gè)種植品種、施用過磷酸鈣及追施沼液形成的5種不同栽培條件下各取1個(gè)樣本。采樣時(shí)隨機(jī)選擇采樣行，然后沿著采樣行隨機(jī)連續(xù)收割能源草植株0.9 m2(6個(gè)芽眼的種植面積)作為1個(gè)樣本，5次采樣共獲得數(shù)據(jù)完整的樣本25個(gè)。

1.3測(cè)定項(xiàng)目

1.3.1莖葉生物量及干鮮比。每次采樣后將能源草投入機(jī)器里切碎，混合均勻后稱量樣本鮮重，選取適量莖葉樣品，稱量樣品鮮重，將莖葉樣品置入80 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)通風(fēng)干燥72 h，冷卻至恒重，稱量莖、葉樣品的干物質(zhì)重量，即莖葉生物量。莖葉樣品的干物質(zhì)重與其鮮重的百分比即為莖葉干鮮比。

1.3.2莖葉產(chǎn)氣量。將莖葉樣品的干物質(zhì)置入箱式電阻爐內(nèi)580 ℃加熱2 h，充分燃燒后冷卻至恒重，稱量莖葉樣品的灰分重量，并計(jì)算莖葉干物質(zhì)的產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣量，即莖葉產(chǎn)氣量。

1.3.3莖葉產(chǎn)氣速度。前、后2次采樣莖葉干物質(zhì)的產(chǎn)氣量之差，除以采樣的間隔天數(shù)，可以得到莖葉干物質(zhì)的產(chǎn)氣速度，即莖葉產(chǎn)氣速度。

1.4數(shù)據(jù)處理該研究采用SAS JMP 10.0.0軟件及Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和模型擬合。

2　結(jié)果與分析

圖1　莖葉生物量與植后天數(shù)的關(guān)系Fig.1　The relationship between stem and leaf biomass and days after planting

2.1莖葉生物量的預(yù)測(cè)模型采用多種直線和曲線方程對(duì)植后天數(shù)與莖葉生物量的關(guān)系進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明乘冪函數(shù)關(guān)系式的擬合效果最好(圖1)。通過模型擬合和擇優(yōu)得到莖葉生物量的預(yù)測(cè)模型：W=2.338d1.735，式中W表示莖葉生物量(kg/hm2)，d表示植后天數(shù)(d)。經(jīng)檢驗(yàn)，均方根誤差RMSE為915.870 0，決定系數(shù)R為0.856 7*，擬合優(yōu)度很高。

2.2莖葉干鮮比的預(yù)測(cè)模型采用多種直線和曲線方程對(duì)植后天數(shù)與莖葉干鮮比的關(guān)系進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明三參數(shù)指數(shù)關(guān)系式的擬合效果最好，其回歸曲線呈“廠”字形(圖2)。通過模型擬合和擇優(yōu)得到莖葉干鮮比的預(yù)測(cè)模型：V=20.79-4 174 726Exp(-0.158 2d)，式中V表示莖葉干鮮比(%)，d表示植后天數(shù)(d)。經(jīng)檢驗(yàn)，均方根誤差RMSE為0.717 4，決定系數(shù)R為0.834 5*，擬合優(yōu)度很高。回歸曲線顯示，生長(zhǎng)后期能源草莖葉干鮮比的增速緩慢并逐步趨于穩(wěn)定。將植后天數(shù)代入預(yù)測(cè)模型，顯示干鮮比最終穩(wěn)定在20.77%。

圖2　莖葉干鮮比與植后天數(shù)的關(guān)系Fig.2　The relationship between dry and fresh ratio of stem and leaf and days after planting

2.3莖葉產(chǎn)氣量的預(yù)測(cè)模型采用多種直線和曲線方程對(duì)植后天數(shù)與莖葉產(chǎn)氣量的關(guān)系進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明乘冪函數(shù)關(guān)系式的擬合效果最好(圖3)。通過模型擬合和擇優(yōu)得到莖葉產(chǎn)氣量的預(yù)測(cè)模型：G=2.209d1.73，式中G表示莖葉產(chǎn)氣量(kg/hm2)，d表示植后天數(shù)(d)。經(jīng)檢驗(yàn)，均方根誤差RMSE為868.41，決定系數(shù)R為0.847 9*，擬合優(yōu)度很高。

圖3　莖葉產(chǎn)氣量與植后天數(shù)的關(guān)系Fig.3　The relationship between stem and leaf gas production and days after planting

2.4莖葉產(chǎn)氣速度的動(dòng)態(tài)變化莖葉產(chǎn)氣速度的動(dòng)態(tài)變化如圖4所示，能源草生長(zhǎng)后期莖葉產(chǎn)氣速度隨著植后天數(shù)的增加呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)r=-0.460 7，P=0.040 9，二者之間呈顯著負(fù)相關(guān)。

圖4　莖葉產(chǎn)氣速度的動(dòng)態(tài)變化Fig.4　The dynamic change of stem and leaf gas production rate

3　結(jié)論與討論

(1)該研究在由2個(gè)種植品種、多個(gè)施磷和沼液水平形成的不同栽培條件下取得樣本，每次采樣數(shù)量以及不同種植品種之間、不同施磷和沼液水平之間的采樣數(shù)量相同，通過模型擬合和擇優(yōu)得到莖葉生物量和產(chǎn)氣量的預(yù)測(cè)模型，決定系數(shù)R分別為0.856 7和0.847 9，擬合優(yōu)度很高。該預(yù)測(cè)模型是在能源草種莖定植后90 d至首次刈割時(shí)期構(gòu)建的，首茬能源草的生長(zhǎng)前期由于干物質(zhì)積累速度較快，莖葉生物量和產(chǎn)氣量的動(dòng)態(tài)變化有可能與生長(zhǎng)后期產(chǎn)生差異；第2茬能源草由于分蘗數(shù)的持續(xù)增加，其莖葉生物量和產(chǎn)氣量的動(dòng)態(tài)變化也有可能與第1茬不同，這些都有待后續(xù)進(jìn)一步探討。

(2)有研究表明，對(duì)王草生物產(chǎn)量影響最大的是刈割頻率[6]，而種植密度和施肥水平對(duì)其產(chǎn)量的影響不顯著。也有報(bào)道指出，各牧草品種低海拔區(qū)的刈割次數(shù)為6次，中、高海拔區(qū)的刈割次數(shù)分別為5次和4次[7]。適時(shí)進(jìn)行刈割，合理確定年刈割次數(shù)，對(duì)提高能源草莖葉生物產(chǎn)量及產(chǎn)氣量具有積極的意義。該研究結(jié)果顯示，首茬能源草莖葉干鮮比的回歸曲線呈“廠”字形，生長(zhǎng)后期干鮮比增速緩慢并逐步趨于穩(wěn)定。將植后天數(shù)代入莖葉干鮮比的預(yù)測(cè)模型，顯示干鮮比最終穩(wěn)定在20.77%的水平，表明能源草干鮮比達(dá)20.77%時(shí)不再增加，此時(shí)進(jìn)入適宜刈割期。

(3)該研究發(fā)現(xiàn)，能源草生長(zhǎng)后期莖葉產(chǎn)氣速度隨著植后天數(shù)的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，二者之間呈顯著的負(fù)相關(guān)，表

明能源草刈割時(shí)間推遲會(huì)減少產(chǎn)氣數(shù)量。該研究受試驗(yàn)條件的限制并沒有確定能源草產(chǎn)氣速度從上升轉(zhuǎn)為下降時(shí)的拐點(diǎn)，有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

(4)通過植后天數(shù)預(yù)測(cè)能源草的莖葉生物量、干鮮比和產(chǎn)氣量具有非破壞性，可以克服刈割實(shí)測(cè)受樣本數(shù)量限制的矛盾，提高了調(diào)查數(shù)據(jù)的精確度，還具有調(diào)查快捷、簡(jiǎn)便，工作量少的特點(diǎn)。該研究構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型是在該試驗(yàn)栽培條件下獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上構(gòu)建的，在此范圍內(nèi)進(jìn)行能源草莖葉生物量、干鮮比及產(chǎn)氣量的估算，結(jié)果精確，若超出該范圍應(yīng)進(jìn)行適合性檢驗(yàn)并確定校正值。

[1]李曉明，楊重法，左應(yīng)梅，等.估測(cè)木薯莖葉生物量的一數(shù)學(xué)模型[J].熱帶作物學(xué)報(bào)，2009，30(4)：440-444.

[2]韓文軒，方精云.冪指數(shù)異速生長(zhǎng)機(jī)制模型綜述[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，32(4)：951-960.

[3]陸霞梅，周長(zhǎng)芳，安樹青，等.植物的表型可塑性、異速生長(zhǎng)及其入侵能力[J].生態(tài)學(xué)雜志，2007，26(9)：1438-1444.

[4]李春萍，李剛，肖春旺.異速生長(zhǎng)關(guān)系在陸地生態(tài)系統(tǒng)生物量估測(cè)中的應(yīng)用[J].世界科技研究與發(fā)展，2007，29(2)：51-57.

[5]曾慧卿，劉琪璟，馬澤清，等.千煙洲灌木生物量模型研究[J].浙江林業(yè)科技，2006，26(1)：13-17.

[6]涂旭川，劉國(guó)道，白昌軍，等.熱研4號(hào)王草栽培技術(shù)初探[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2008(10)：533-535.

[7]張進(jìn)國(guó)，雷荷仙，黎紀(jì)鳳，等.3個(gè)牧草品種在銅仁市不同海拔區(qū)的生長(zhǎng)表現(xiàn)[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014(4)：86-89，93.

Construction of Prediction Model of Stem and Leaf Biomass,Dry-Fresh Ratio and Gas Production of Energy Grass

LI Xiao-ming,LIU Xue-zhong*,YAN Liang et al

(Hainan Shenzhou New Energy Construction and Development Co.Ltd.,Haikou,Hainan 571100)

[Objective]The aim was to provide a simple,rapid,accurate non-constructive method for estimation of stem and leaf biomass,dry-fresh ratio and gas production of energy grass.[Method]This study explored the relationships after planting 90 days to first harvest period between the biomass of stem and leaf,dry-fresh ratio,gas production of energy grass and the number of days after planting.[Result]Through the model fitting and preferred to get the prediction model of stem and leaf biomass W=2.338d1.735,the prediction model of dry-fresh ratio V = 20.79-4 174 726Exp(-0.158 2d) and the prediction model of gas production G=2.209d1.73;The dry-fresh ratio of the stem and leaf growing late grows at a snail’s pace and gradually tends to be stable.The prediction curve shows the final stability is at the level of 20.77%;The gas production rate of stem and leaf shows a downward trend with the increase of the number of days after planting,the significant negative correlation is presented between them.[Conclusion]Through model fitting and preferring,prediction model of stem and leaf biomass,dry-fresh ratio and gas production was obtained with high fitting degree.

Energy grass;Biomass of stem and leaf;Dry-fresh ratio;Gas production;Prediction model

海南省科技廳資助項(xiàng)目(CXY20130052)。

李曉明(1974- )，男，安徽霍邱人，農(nóng)藝師，碩士，從事作物栽培研究。*通訊作者，工程師，從事新能源研究與開發(fā)工作。

2016-06-22

S 543+.9

A

0517-6611(2016)25-010-02