施肥量對生菜養(yǎng)分與長勢的影響及模型模擬

高洪燕，毛罕平，倪紀恒，公麗艷，張曉東

(1. 江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013； 2. 沈陽師范大學(xué)糧食學(xué)院，遼寧 沈陽110034)

生菜是重要的綠葉蔬菜之一，因營養(yǎng)豐富、生熟食俱佳等優(yōu)點，栽培面積逐年擴大.據(jù)統(tǒng)計，中國生菜產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的56%左右，而北京市的生菜年需求量達20萬t.生菜屬于潛根系作物，生長發(fā)育期短，一般40 d左右就可采收食用，因而對肥料的需求很敏感[1].實際生產(chǎn)中越來越多的農(nóng)民通過增加化肥的投入來提高生菜產(chǎn)量和經(jīng)濟效益，這不僅會造成土壤板結(jié)，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)降低，酶活性減弱，也會引起生菜品質(zhì)下降，甚至減產(chǎn)[2].因此，研究不同施肥量下設(shè)施生菜養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)、長勢及產(chǎn)量三者的關(guān)系，是提高肥料利用率、有效發(fā)揮化肥在生菜生產(chǎn)中的作用的關(guān)鍵因素.

不同施肥制度對生菜長勢及產(chǎn)量的影響有強弱和主次之分.通常采用多元回歸分析、多級通徑分析、主成分分析及相關(guān)分析等方法確定影響強度.MAH-LANGU等[3]研究了水培條件下不同施氮量對生菜長勢及品質(zhì)的影響.GALIENI 等[4]分析了氮磷元素缺乏對生菜葉片形態(tài)和生理特性的影響.這些方法均基于“白色系統(tǒng)”，即需要大量數(shù)據(jù)，且要求數(shù)據(jù)具有典型的概率分布，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中很難滿足這2個條件[5].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)本身是一種灰色系統(tǒng)[6]，不同施肥制度與長勢和產(chǎn)量間具有一定的灰色關(guān)聯(lián)性[7].在養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)與長勢關(guān)系研究方面，大多是針對整個生長期建模，未考慮作物生長規(guī)律與養(yǎng)分吸收規(guī)律.

因此，文中利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法研究生菜養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)、長勢及產(chǎn)量三者間的關(guān)系，擬解決因數(shù)據(jù)量少及分布不典型的難題，明確影響生菜長勢及產(chǎn)量的主次因素.在此基礎(chǔ)上，進一步研究養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)與產(chǎn)量關(guān)系，并根據(jù)生菜長勢，建立不同時期養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)與長勢的關(guān)系模型，為設(shè)施生菜科學(xué)施肥提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗在江蘇大學(xué)Venlo型溫室內(nèi)進行，試驗品種為意大利全年耐抽苔半結(jié)球生菜(南京沃蔬種業(yè)有限公司).采用營養(yǎng)液加珍珠巖的無土栽培模式，將長勢狀況相似的五葉一心幼苗定植到花盆中.研究選用山崎營養(yǎng)液配方，共分為13個施肥處理，分別為標準配方中氮(N)、磷(P)和鉀(K)質(zhì)量分數(shù)的25%，50%，75%，100%和125%.標準配方中含Ca(NO3)2·4H2O，236.00 mg/L；KNO3，404.00 mg/L；NH4H2PO4，57.00 mg/L；MgSO4·7H2O，123.00 mg/L；Fe-EDTA，16.00 mg/L；MnCl2·4H2O，1.20 mg/L；H3BO3，0.72 mg/L；ZnSO4·4H2O， 0.09 mg/L；CuSO4·5H2O，0.04 mg/L；(NO4)2MoO4，0.01 mg/L.其中NO3-濃度為6.0 mmol/L，NH4+濃度為0.5 mmol/L，K+濃度為4.0 mmol/L，PO43-濃度為0.5 mmol/L.在保證其他營養(yǎng)元素濃度不變的情況下，缺失和過量處理按照標準配方中氮磷鉀質(zhì)量分數(shù)進行等比例減少或增加，不同水平氮磷鉀元素營養(yǎng)液配方離子濃度c如表1所示.試驗在春季進行，共栽種生菜3批，每隔7 d栽種1批，每個處理6個樣本.根據(jù)天氣變化，通過控制風(fēng)機、濕簾、遮陽網(wǎng)等設(shè)備調(diào)控溫室環(huán)境信息，使夜溫不低于15 ℃，晝溫不高于30 ℃，光強為200～400 μmol/(m2·s).

表1 不同水平氮磷鉀元素營養(yǎng)液配方離子濃度

1.2 設(shè)施生菜長勢信息獲取

自緩苗成功起，每隔3 d上午8：00開始獲取生菜冠層俯視及主視圖像.在圖像采集前，對相機進行白平衡標定，并使用光圈優(yōu)先模式，光圈設(shè)定在F8，ISO為100，保證采集的圖像色彩還原準確且有足夠的景深使生菜成像清晰，圖像分辨率為3 888×2 592.采用延遲拍攝模式，消除手動操作帶來的微小抖動.采用標準坐標紙為后期圖像處理的參考標尺.采集主視圖像時，將花盆順時針旋轉(zhuǎn)90°，再次采集生菜的主視圖像，用以消除因個別葉片長勢突出引起的偶然誤差.

1.3 設(shè)施生菜產(chǎn)量及氮磷鉀質(zhì)量分數(shù)測定

采集的生菜去根后，立即用精度為0.1 mg的天平稱取質(zhì)量，單位為g.然后放入烘箱在105 °C下殺青1 h，再以75 °C烘干至恒重.利用H2SO4-H2O2消解0.1～0.2 g(過0.25～0.50 mm篩)磨細烘干后的生菜葉片樣本，氮和磷質(zhì)量分數(shù)測定采用Auto Analyzer 3型連續(xù)流動分析儀，鉀質(zhì)量分數(shù)的測定采用火焰光度計.營養(yǎng)質(zhì)量分數(shù)以單位干質(zhì)量的百分比(%)形式表示.

1.4 設(shè)施生菜長勢特征提取

在不同施肥制度下，生菜長勢會發(fā)生明顯變化.缺氮時，生菜生長緩慢且外觀呈仿錐形；缺磷時，生菜葉片伸展度下降且葉片數(shù)減少；缺鉀時，生菜組織失去膨壓并萎蔫.STORY等[8]通過提取俯視圖像中冠幅投影面積ATPC(top projected canopy area)和冠幅周長PTPC(top projected canopy perimeter)反映生菜缺肥情況.文中在此基礎(chǔ)上，結(jié)合營養(yǎng)脅迫形態(tài)特征的變化，增加提取主視圖像中的株高HP(plant height)信息描述生菜的長勢情況，并將2次主視圖像獲取HP的均值作為最終結(jié)果.

在Matlab軟件中運用“2G-R-B”算子的分割冠幅區(qū)域，該方法計算量小且在較寬范圍光照條件下，能夠很好地提取生菜冠幅[9].圖1為生菜冠層俯視圖像和主視圖像二值化圖像，圖2為背景分割圖像.采用Roberts，Prewitt，Sobel，LoG，Zerocross和Canny算子對生菜進行邊緣提取，通過分析不同算子提取結(jié)果可知，Roberts算子因定位不準確，提取的邊緣較粗；Prewitt和Sobel算子提取的結(jié)果相近，在降低噪聲和偽邊緣的同時也平滑了真正邊緣；LoG算子和Zerocross算子提取結(jié)果相近，定位精度高，對噪聲較敏感，在一定的程度上模糊了目標圖像邊緣[10]；而Canny算子對圖像進行了“非極大值抑制”和形態(tài)學(xué)連接操作，所獲得邊緣特征輪廓清晰，且封閉性好.因此，文中采用Canny算子提取生菜周長，提取結(jié)果如圖3所示，圖中i,j分別為長度和高度方向像素個數(shù).最終得到ATPC,PTPC和HP隨時間變化曲線如圖4所示.

圖1 二值化圖

圖2 背景分割圖

圖3 邊緣提取

圖4 ATPC,PTPC和HP隨時間變化曲線

生菜ATPC，PTPC和HP的單位分別為cm2，cm和cm，計算公式為

(1)

(2)

(3)

式中：NL為俯視圖像中生菜區(qū)域的總像素數(shù)；NP為俯視圖像中生菜外邊緣的總像素數(shù)；NH為主視圖像中生菜高度方向的總像素數(shù)；f1為比例因子，表示俯視圖像中1 cm2內(nèi)所含像素數(shù)量；f2為比例因子，表示主視圖像中1 cm長度內(nèi)包含的像素數(shù)量.

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)、長勢及產(chǎn)量間灰色關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析理論，構(gòu)建養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)與長勢信息間灰色系統(tǒng)，其中比較數(shù)列為生菜冠層氮、磷、鉀質(zhì)量分數(shù)，參考數(shù)列為各時刻長勢信息，得到r1-r3為養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)與長勢信息的關(guān)聯(lián)度.通過關(guān)聯(lián)度大小確定影響強度.計算結(jié)果如表2所示.影響生菜長勢變化的元素從大到小依次為氮，磷，鉀.這主要是由于氮元素參與生菜各種生命活動，促進蛋白質(zhì)和葉綠素等大分子及器官形成[11].磷元素在生菜體內(nèi)以有機和無機態(tài)的形式存在，有機磷是核酸和磷酸酯的必要組成部分，無機磷可激活酶的活性，幫助碳水化合物合成、分解和運輸[12].鉀元素起到提高品質(zhì)的作用，增施鉀肥可以改善生菜的顏色及內(nèi)在品質(zhì)[13].因此，鉀元素對生菜長勢影響要小于氮磷2種元素.對長勢的影響從大到小依次為ATPC，PTPC，HP.這主要是由于當缺肥時，生菜葉片組織失去膨壓，葉片伸展度下降，葉球緊實度降低，所以ATPC和PTPC比HP變化敏感.

表2 養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)與長勢間灰色關(guān)聯(lián)度

構(gòu)建長勢與產(chǎn)量間灰色系統(tǒng)，其中比較數(shù)列為ATPC，PTPC，HP，參考數(shù)列為生菜產(chǎn)量，r1-r3分別為ATPC，PTPC，HP對產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度，計算后得到r1=0.748，r2=0.674，r3=0.707.得到ATPC，HP是影響生菜產(chǎn)量的主要因素.通過篩選影響作物產(chǎn)量的主要農(nóng)藝性狀，為作物高產(chǎn)培育提供了理論基礎(chǔ).

2.2 養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)與產(chǎn)量關(guān)系研究

由上可知，與磷鉀元素相比，氮素是影響生菜長勢和產(chǎn)量的主要因素.因此，文中著重分析磷鉀質(zhì)量分數(shù)及產(chǎn)量在不同施氮條件下的變化規(guī)律.圖5為收獲期氮、鉀質(zhì)量分數(shù)wK,wN對生菜產(chǎn)量Y影響等高線圖.結(jié)果表明，不同施氮量對生菜體內(nèi)鉀質(zhì)量分數(shù)影響顯著，氮鉀元素間具有促進吸收作用[14]，鉀質(zhì)量分數(shù)隨著施氮量的增加而增加，但生菜產(chǎn)量最大值并非出現(xiàn)在氮鉀質(zhì)量分數(shù)最大時.

圖5 氮鉀質(zhì)量分數(shù)對生菜產(chǎn)量影響等高線圖

圖6為收獲期不同氮、磷質(zhì)量分數(shù)wP，wN對生菜產(chǎn)量影響等高線圖.研究結(jié)果表明，氮素質(zhì)量分數(shù)較低時，生菜產(chǎn)量與含氮量存在正相關(guān)關(guān)系；氮素質(zhì)量分數(shù)較高時，產(chǎn)量反而降低.隨著生菜體內(nèi)含氮量的增加，生菜的含磷量是逐漸升高，同時磷在作物體內(nèi)靠主動吸收，環(huán)境因素溫度、光照等條件都會影響植物對磷的吸收.生菜最大產(chǎn)量達235.15 g，此時體內(nèi)氮磷鉀3種元素質(zhì)量分數(shù)分別為4.83%，0.63%和2.82%.

圖6 氮磷質(zhì)量分數(shù)對生菜產(chǎn)量影響等高線圖

2.3 養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)與長勢關(guān)系模型的建立

生菜長勢特征與產(chǎn)量間具有一定的關(guān)聯(lián)性，而相較于產(chǎn)量，長勢信息可利用機器視覺技術(shù)無損獲取.即通過長勢特征間接反映生菜產(chǎn)量，實現(xiàn)對整個生長期的跟蹤.因此，文中期望通過建立養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)與長勢的關(guān)系模型，探明養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)與長勢間的定量關(guān)系.由于環(huán)境溫度對作物的光合、呼吸、蒸騰、水肥的吸收影響顯著，故文中將環(huán)境溫度信息作為影響生菜生長的主要環(huán)境因素.模型的一般形式為

(4)

式中：y為長勢信息(ATPC，PTPC和HP)；β1—β11為回歸方程擬合系數(shù)；x1為環(huán)境溫度信息，℃；x2為生菜氮質(zhì)量分數(shù)，%；x3為生菜磷質(zhì)量分數(shù)(為使磷質(zhì)量分數(shù)與氮鉀質(zhì)量分數(shù)在同一數(shù)據(jù)尺度)，g/kg；x4為生菜鉀質(zhì)量分數(shù)，%.

由圖4可知，作物在生長過程中存在“慢-快-慢”S型生長規(guī)律[15-16]，故文中將分3個階段建模，即生長初期、速生期和緩慢生長期.第一階段生菜生長量較小，生物量累積速率不及養(yǎng)分吸收速率，養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)逐漸上升；第三階段，生菜生長緩慢，為抽薹開花準備，葉片養(yǎng)分吸收量逐漸下降.因此，這兩個階段養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)與長勢間存在線性相關(guān)，但各養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)間存在交互作用，故對這2個階段的模型考慮自變量的一次項和交互項.第二階段生物量迅速增加，養(yǎng)分吸收量在速生點附近出現(xiàn)拐點，故這個同時考慮了自變量的一次項、二次項和交互項.養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)與長勢的關(guān)系模型如表3所示.

3 結(jié) 論

通過機器視覺技術(shù)連續(xù)監(jiān)測生菜長勢情況，獲取冠層主視和俯視圖像，從中提取了能直接反應(yīng)生菜冠層長勢狀況的ATPC，PTPC和HP這3個特征，實現(xiàn)了生菜長勢信息的連續(xù)無損獲取.

通過研究生菜養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)、長勢及產(chǎn)量三者間的灰色關(guān)系，定性分析了施肥對長勢及產(chǎn)量的影響，得到不同營養(yǎng)對生菜長勢影響從大到小依次為氮、磷、鉀，由此進一步分析了不同施氮條件下，生菜體內(nèi)的磷鉀質(zhì)量分數(shù)及產(chǎn)量的變化規(guī)律，當產(chǎn)量達到最大時，氮磷鉀3種元素質(zhì)量分數(shù)分別為4.83%，0.63%和2.82%.

由于長勢與產(chǎn)量具有一定相關(guān)性，長勢信息對產(chǎn)量影響從大到小依次為ATPC，HP，PTPC，其中ATPC和HP是決定生菜產(chǎn)量的主要因素，在實際生產(chǎn)中長勢信息可利用圖像技術(shù)無損連續(xù)獲取，因此進一步結(jié)合環(huán)境信息和生菜生長規(guī)律，建立了不同生長時期養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)與長勢的關(guān)系模型，為指導(dǎo)設(shè)施生菜科學(xué)施肥提供了理論基礎(chǔ).