基于輻熱積的日光溫室嫁接茄子養(yǎng)分積累模型

王澤鵬 梁志國(guó) 范鳳翠 杜鳳煥 劉勝堯 賈宋楠 趙 楠張 哲 秦 勇郭文忠

（1 河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與經(jīng)濟(jì)研究所，河北石家莊 050051；2 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；3 國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097）

設(shè)施農(nóng)業(yè)的興起有效減少了外界環(huán)境條件對(duì)作物生產(chǎn)的制約，作物生長(zhǎng)主要受溫室內(nèi)溫度和光照輻射的影響（李莉和郭斌，2019；李天來(lái) 等，2022）。因此，精確調(diào)控溫室內(nèi)溫度和光照輻射對(duì)作物生產(chǎn)至關(guān)重要（周杰 等，2021）。

茄子（Solanum melongenaL.）作為設(shè)施栽培的主要蔬菜種類之一，如果溫室內(nèi)環(huán)境控制不當(dāng)，影響植株生長(zhǎng)和果實(shí)發(fā)育，最終會(huì)對(duì)茄子產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生影響（王惠哲 等，2005）。如今作物模型作為新的研究方法和技術(shù)是農(nóng)業(yè)信息化的重要基礎(chǔ)，在環(huán)境優(yōu)化控制、智能化管理等方面發(fā)揮關(guān)鍵性作用，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)（陳永快 等，2021）。采用適宜的作物生長(zhǎng)模型能夠精準(zhǔn)的調(diào)控作物生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)優(yōu)質(zhì)高效的生產(chǎn)（李化龍 等，2003；石小虎和李超，2021；李書田 等，2022）。

干物質(zhì)生產(chǎn)模型以及養(yǎng)分積累模型對(duì)于作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成等方面的研究具有重要意義。前人的研究取得了一系列的成果，但大部分集中于大田作物。李世娟等（2019）通過(guò)有效積溫和干物質(zhì)量構(gòu)建了小麥葉片、莖稈、穗等器官的幾何特征模擬模型，結(jié)果表明穗干物質(zhì)量分配指數(shù)模擬效果最好，可以為實(shí)現(xiàn)小麥功能模型與結(jié)構(gòu)模型實(shí)際結(jié)合提供參考。蔡甲冰等（2020）建立了基于不同有效積溫的玉米干物質(zhì)積累模型，結(jié)果表明基于有效冠層積溫的Logistic 歸一化模型模擬效果較優(yōu)，可為灌區(qū)玉米精量灌溉管理提供決策依據(jù)。付江鵬等（2021）構(gòu)建了基于冠層覆蓋度的玉米植株臨界氮濃度模型，模型穩(wěn)定性較好，能診斷出玉米適宜的施氮量，為玉米生長(zhǎng)過(guò)程中的氮肥精確管理和產(chǎn)量預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。在蔬菜作物方面，前人主要進(jìn)行了葉面積（刁明 等，2008；岳延濱 等，2020）、光合作用（李娟 等，2003；徐剛 等，2005；李化龍 等，2006；施澤平 等，2006）以及干物質(zhì)生產(chǎn)分配（王新 等，2014；馬紅軍 等，2016；石小虎 等，2016；程陳 等，2021）等方面的研究。但是有關(guān)作物養(yǎng)分積累模型的研究較少，對(duì)茄子的研究更少。

本試驗(yàn)在前人的研究基礎(chǔ)上，依據(jù)溫度和光照變化，構(gòu)建基于輻熱積的日光溫室嫁接茄子養(yǎng)分積累模型，可以實(shí)現(xiàn)按需定量供肥，以期為日光溫室嫁接茄子的精準(zhǔn)施肥管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試茄子品種為茄雜2 號(hào)，采用嫁接栽培，砧木為托魯巴姆，均由河北省農(nóng)林科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供。供試肥料為尿素（石家莊柏坡正元化肥公司生產(chǎn)，含N 46%）、磷酸一銨（河北萌幫水溶肥料有限公司生產(chǎn)，含P2O561%、N 12%）、硫酸鉀（國(guó)投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司生產(chǎn)，含K2O 52%）。

1.2 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與經(jīng)濟(jì)研究所大河試驗(yàn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)站地處東經(jīng)114°22′，北緯38°07′，年均氣溫14.1 ℃。試驗(yàn)溫室長(zhǎng)度70 m，跨度7 m，后墻高2.5 m，后墻底寬4.5 m、頂寬2.0 m，采光面拱圓形，主采光面角度30°～35°。土壤質(zhì)地為黏壤質(zhì)石灰性褐土，容重1.38 g·cm-3，有機(jī)質(zhì)含量為18.3 g·kg-1，堿解氮含量為113 mg ·kg-1，速效鉀含量為134 mg·kg-1，速效磷含量為77 mg·kg-1，pH 值為7.32。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用滴灌施肥方式，茄子嫁接苗于2020 年4月1 日定植，7 月25 日拉秧，分別在苗期施肥1 次，結(jié)果期每10 d 施肥1 次，共計(jì)施肥6 次。試驗(yàn)以保持土壤養(yǎng)分供需平衡為理念，以氮肥為基準(zhǔn)，共設(shè)5 個(gè)處理，F(xiàn)1 處理不施肥，F(xiàn)2、F3、F4、F5 處理氮肥吸收率分別為40%、60%、80%、100%，各處理具體施肥量詳見(jiàn)表1。每處理3 次重復(fù)，小區(qū)面積8.25 m2。采用寬窄行栽培，寬行距1.0 m，窄行距0.5 m，株距0.6 m，每小區(qū)種植17 株，田間管理措施與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)一致。灌溉依據(jù)日光溫室茄子節(jié)水灌溉指標(biāo)執(zhí)行（杜鳳煥，2019；王賀壘，2019），各處理灌水量相同。

表1 各處理施肥量 kg·hm-2

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

產(chǎn)量：從第1 次采收開(kāi)始至拉秧結(jié)束進(jìn)行累計(jì)測(cè)產(chǎn)。

氣象數(shù)據(jù)測(cè)定：溫室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)由ECAWS01 溫室環(huán)境記錄儀（北京益康農(nóng)科技發(fā)展有限公司）自動(dòng)采集。采集項(xiàng)目均為溫室內(nèi)距地面1.5 m 高處空氣溫度、光合有效輻射PAR，每10 s 采集1 次，存儲(chǔ)10 min 的平均值。采集時(shí)間從定植開(kāi)始至拉秧結(jié)束，記錄茄子生長(zhǎng)全生育期的環(huán)境數(shù)據(jù)。

養(yǎng)分含量測(cè)定：在嫁接茄子苗期每隔7 d 取樣1 次，共取樣4 次；開(kāi)花坐果期至末果期每隔15 d進(jìn)行破壞性取樣1 次，共取樣5 次。每次取3 株生長(zhǎng)健康、均勻一致的植株，將莖、葉片、果實(shí)用清水沖洗干凈，再用吸水紙將表面水分吸干后放入烘箱，于105 ℃殺青30 min 后調(diào)溫至75 ℃烘干為恒重；然后將各生育期各器官干樣分開(kāi)粉碎，過(guò)0.5 mm 篩后用H2SO4-H2O2溶液消煮，消煮液用于養(yǎng)分含量的測(cè)定，參照鮑士旦（2008）的方法：全氮含量采用凱氏定氮儀測(cè)定，全磷含量采用釩鉬黃比色法測(cè)定，全鉀含量采用火焰分光光度計(jì)法測(cè)定。

1.5 輻熱積模型描述

溫度和光合輻射直接影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育和養(yǎng)分吸收，為了綜合溫度和光合輻射對(duì)茄子生長(zhǎng)的影響，本試驗(yàn)采用累積輻熱積（明村豪 等，2012；倪紀(jì)恒 等，2012）來(lái)建立養(yǎng)分積累模擬模型。輻熱積是指溫度熱效應(yīng)和光合有效輻射的乘積，具體計(jì)算方法：求出各小時(shí)內(nèi)的相對(duì)熱效應(yīng)（relative thermal effectiveness，RTE），然后乘以對(duì)應(yīng)小時(shí)內(nèi)的光合有效輻射（photosynthetically active radiation，PAR），即可求得每小時(shí)內(nèi)的輻熱 積（hourly production of thermal effectiveness and PAR，HTEP）。將1 d 內(nèi)各小時(shí)的輻熱積累加即可計(jì)算出日總輻熱積（relative product of thermal effectiveness and PAR，RTEP）。某生長(zhǎng)階段的日總輻熱積之和為該階段的累積輻熱積（accumulated total production of thermal effectiveness and PAR，TEP）。具體計(jì)算公式如下（吳楊煥，2015；王丹丹 等，2018；李莉和郭斌，2019；牛寧，2021）。

公式①中：RTE（T）為溫度為T時(shí)的相對(duì)熱效應(yīng)；T為每小時(shí)的平均溫度（℃）；Tb為生長(zhǎng)下限溫度（℃）；Tm為生長(zhǎng)上限溫度（℃）；Tob為生長(zhǎng)最適溫度下限（℃）；Tou為生長(zhǎng)最適溫度上限（℃）。

公式②中：Q為1 h 內(nèi) 的 太陽(yáng)總輻射（J ·m-2·h-1）；0.5 為光合有效輻射在太陽(yáng)總輻射中所占的比例。

公式③中：3 600 是把1 h 內(nèi)平均光合有效輻射（J·m-2·s-1）換算成1 h 內(nèi)的總光合有效輻射（J·m-2·h-1）。

公式④中：10-6是將J 換算成MJ 的換算系數(shù)。

公式⑤中：TEPi+1是i+1 天的累積輻熱積（MJ·m-2）；TEPi是i天的累積輻熱積（MJ ·m-2）；RTEPi+1是第i+1 天的日總輻熱積（MJ ·m-2·d-1）。

溫室茄子各生育期的生長(zhǎng)三基點(diǎn)溫度如表2 所示（張亞晶，2015；徐云民，2017）。

表2 溫室茄子生長(zhǎng)三基點(diǎn)溫度 ℃

1.6 模型檢驗(yàn)

模型檢驗(yàn)采用回歸估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差（root mean squared error，RMSE）統(tǒng)計(jì)方法，分析實(shí)測(cè)值與模擬值之間的擬合程度。RMSE 值越小，表明模擬值與實(shí)測(cè)值之間的偏差越小，模型的模擬結(jié)果越準(zhǔn)確，預(yù)測(cè)精度越高。

公式⑥中，OBSi為實(shí)測(cè)值，SIMi為模擬值，n為樣本容量。

另外，還可通過(guò)計(jì)算模型模擬值與實(shí)測(cè)值之間的決定系數(shù)（R2）來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木?，R2越接近1，模型越精確。

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，利用DPS 7.05 軟件進(jìn)行模型關(guān)系構(gòu)建。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對(duì)茄子產(chǎn)量的影響

由圖1 可知，隨著施氮量的增加茄子產(chǎn)量呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)。各施氮處理的茄子產(chǎn)量均顯著高于不施肥處理，F(xiàn)3 處理產(chǎn)量最高，為62 839 kg·hm-2，比 不 施 肥 處 理（F1）增 產(chǎn)36.05%，并且顯著高于其他施氮處理；F4 和F5 處理產(chǎn)量無(wú)顯著性差異?？梢?jiàn)，施用氮肥有利于茄子產(chǎn)量的增加；在本試驗(yàn)條件下，F(xiàn)3 處理獲得茄子最大產(chǎn)量，不施肥或過(guò)量施肥均不利于茄子產(chǎn)量的形成。

圖1 不同施氮量對(duì)茄子產(chǎn)量的影響

2.2 茄子植株養(yǎng)分積累模型

利用DPS 模型構(gòu)建軟件將茄子植株養(yǎng)分積累總量與輻熱積進(jìn)行關(guān)系構(gòu)建，得出不同施氮水平下茄子植株養(yǎng)分積累總量與累積輻熱積的回歸方程及R2見(jiàn)表3。

表3 不同施氮量茄子植株養(yǎng)分積累Logistic 回歸分析

養(yǎng)分吸收總量隨輻熱積的動(dòng)態(tài)變化符合Logistic 生長(zhǎng)曲線，各施氮量處理茄子植株N、P、K 的積累量均高于不施肥處理（F1），且均以F3 處理最高（圖2）。

圖2 不同施氮量下茄子植株N、P、K 積累量與累積輻熱積的關(guān)系

2.3 茄子各器官養(yǎng)分積累模型

葉片是植株處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)期干物質(zhì)、養(yǎng)分積累的主要器官。在植物開(kāi)始生殖生長(zhǎng)以及結(jié)果時(shí)期，莖、葉片等器官中的碳水化合物和其他化合物開(kāi)始轉(zhuǎn)移到果實(shí)中。

將茄子植株累積輻熱積與同一時(shí)期實(shí)際測(cè)得的莖、葉片、果實(shí)的養(yǎng)分積累量用DPS 軟件進(jìn)行擬合，以產(chǎn)量最高的F3 處理為例進(jìn)行分析，得出不同施氮水平茄子各器官養(yǎng)分積累總量與累積輻熱積的回歸方程及R2見(jiàn)表4。

表4 茄子各器官養(yǎng)分積累Logistic 回歸分析

2.4 茄子養(yǎng)分積累量與累積輻熱積的關(guān)系

以產(chǎn)量最高的F3 處理為例進(jìn)行分析，茄子植株N、P、K 積累量與累積輻熱積的關(guān)系見(jiàn)圖3。茄子對(duì)于N、P 和K 的吸收貫穿整個(gè)生育期，各元素積累量均隨著累積輻熱積的增加呈上升趨勢(shì)，植株全生育期對(duì)K 的積累量最多，N 次之，P 的積累量最少。

如圖4 所示，隨著累積輻熱積的增加，茄子不同器官對(duì)N、P、K 元素的積累量均呈現(xiàn)出上升的變化趨勢(shì)，果實(shí)對(duì)N、P、K 的積累量最高，均大于莖和葉片。從整個(gè)生育期來(lái)看，各器官養(yǎng)分積累量均為K 最高、N 次之、P 最少。整個(gè)生育期莖中K 積累量為80.97 kg·hm-2，是N、P 積累量的3.06 倍和9.19 倍；葉片中K 積累量為110.95 kg ·hm-2，是N、P 積累量的2.73 倍和11.36 倍；果實(shí)中K積累量為214.93 kg·hm-2，是N、P積累量的1.40倍和11.78 倍。

圖4 茄子各器官N、P、K 積累量與累積輻熱積的關(guān)系

2.5 模型檢驗(yàn)

對(duì)不同施氮量的日光溫室茄子植株N、P、K的積累量進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)表2、3 中獲得的模型，對(duì)茄子植株全生育期N、P、K 積累量進(jìn)行模擬，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。由圖5 可以看出，模擬值與實(shí)測(cè)值的符合程度較好。模型對(duì)F1～F5 處理日光溫室茄子全株N 積累量的實(shí)測(cè)值與模擬值的RMSE 分別為3.03、2.15、4.88、4.57、3.45 kg ·hm-2，1∶1直線決定系數(shù)R2分別為0.995 5、0.998 6、0.996 8、0.996 3、0.997 6；P 積累量的實(shí)測(cè)值與模擬值的RMSE 分別為0.34、0.55、0.53、0.42、0.33 kg·hm-2，1∶1 直線決定系數(shù)R2分別為0.997 9、0.997 8、0.998 3、0.998 7、0.999 1；K 積累量的實(shí)測(cè)值與模擬值的RMSE 分別為7.62、7.27、7.85、9.50、6.70 kg·hm-2，1∶1 直線決定系數(shù)R2分別為0.991 9、0.996 6、0.997 1、0.994 9、0.997 1。

圖5 茄子植株N、P、K 積累量實(shí)測(cè)值與模擬值的比較

對(duì)產(chǎn)量最高的F3 處理茄子莖、葉片、果實(shí)中N、P、K 積累量實(shí)測(cè)值與模擬值間的關(guān)系進(jìn)行分析。由圖6 可知，模擬值與實(shí)測(cè)值之間的符合程度較好。模型對(duì)茄子莖、葉片、果實(shí)中N 積累量的實(shí)測(cè)值與模擬值的RMSE 分別為1.66、2.19、3.92 kg ·hm-2，1∶1直線決定系數(shù)R2分別為0.957 6、0.976 8、0.991 5；P 積累量的實(shí)測(cè)值與模擬值的RMSE 分別為0.59、0.40、0.48 kg·hm-2，1∶1 直線決定系數(shù)R2分別為0.956 1、0.985 3、0.990 2；K 積累量的實(shí)測(cè)值與模擬值的RMSE 分別為3.89、4.06、6.57 kg·hm-2，1∶1 直線決定系數(shù)R2分別為0.982 0、0.988 6、0.985 3。

圖6 茄子各器官養(yǎng)分積累量模擬值與實(shí)測(cè)值的比較

3 討論與結(jié)論

作物的生長(zhǎng)速率取決于其對(duì)養(yǎng)分的吸收能力，而溫度和光合輻射對(duì)作物生長(zhǎng)速率產(chǎn)生影響（倪紀(jì)恒 等，2012）。本試驗(yàn)為綜合溫度和光合輻射對(duì)茄子生長(zhǎng)的影響，采用累積輻熱積動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)了日光溫室嫁接茄子全株對(duì)N、P、K 元素的積累量以及各器官對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的積累量。前人已在多種作物上建立了輻熱積模型，具有較高的精準(zhǔn)度。李永秀等（2006）構(gòu)建了基于輻熱積的溫室水果黃瓜葉面積指數(shù)模型，其標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE 和1∶1 直線決定系數(shù)R2分別為0.398 0 和0.879 2，精度高于用葉面積法和積溫法模擬的葉面積指數(shù)。韓利等（2008）在輻熱積的基礎(chǔ)上建立了氮素對(duì)溫室黃瓜干物質(zhì)分配及產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，模型精度高，可作為溫室黃瓜生產(chǎn)的氮肥精準(zhǔn)優(yōu)化管理決策參考依據(jù)。本試驗(yàn)建立了基于輻熱積的日光溫室嫁接茄子養(yǎng)分積累模型，結(jié)果表明茄子養(yǎng)分積累量與累積輻熱積符合Logistic 曲線關(guān)系，與倪紀(jì)恒等（2011）建立的基于輻熱積的黃瓜磷素吸收模型結(jié)果一致。

本試驗(yàn)建立了不同施氮量處理的日光溫室茄子整個(gè)生育期全株及各器官N、P、K 養(yǎng)分積累模擬模型，以產(chǎn)量最高的F3 處理作為參照，其植株N、P、K 積累量的標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE 和1∶1 直線決定系數(shù)R2分別為4.88 kg·hm-2和0.996 8、0.53 kg ·hm-2和0.998 3、7.85 kg·hm-2和0.997 1。莖中N、P、K 積累量的標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE 和1∶1 直線決定系數(shù)R2分別為1.66 kg·hm-2和0.957 6、0.59 kg ·hm-2和0.956 1、3.89 kg·hm-2和0.982 0；葉片中N、P、K 積累量的標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE 和1∶1 直線決定系數(shù)R2分別為2.19 kg·hm-2和0.976 8、0.40 kg ·hm-2和0.985 3、4.06 kg·hm-2和0.988 6；果實(shí)中N、P、K 積累量的標(biāo)準(zhǔn)誤差RMSE 和1∶1 直線決定系數(shù)R2分別為3.92 kg·hm-2和0.991 5、0.48 kg ·hm-2和0.990 2、6.57 kg·hm-2和0.985 3。該模型精確度高，能夠根據(jù)溫室氣象環(huán)境模擬茄子養(yǎng)分積累變化量，利用模型預(yù)測(cè)的日光溫室茄子植株氮、磷、鉀積累量模擬值與實(shí)測(cè)值比較，明確植株養(yǎng)分積累狀況，實(shí)現(xiàn)按需供肥，為日光溫室茄子高效生產(chǎn)、智能化精準(zhǔn)施肥管理提供了參考依據(jù)。由于作物栽培地點(diǎn)和環(huán)境不固定，還需進(jìn)一步的試驗(yàn)研究來(lái)優(yōu)化模型參數(shù)，提高模型的普適性和精準(zhǔn)度。