徐海斌　陳富平　王麗平　姜曉劍

摘要 根據(jù)江蘇淮安地區(qū)設(shè)施黃瓜栽培的生產(chǎn)實(shí)踐，基于黃瓜生理發(fā)育時(shí)間構(gòu)建黃瓜發(fā)育模擬模型。試驗(yàn)期間每天對(duì)黃瓜發(fā)育狀況進(jìn)行觀測(cè)，并記錄各個(gè)生育階段的起始日期；通過監(jiān)測(cè)設(shè)備采集光溫?cái)?shù)據(jù)，每5 min自動(dòng)記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫中；采用編程的方式讀取光溫?cái)?shù)據(jù)并根據(jù)溫度變化繪制曲線，逐日計(jì)算生理發(fā)育時(shí)間，對(duì)黃瓜設(shè)施生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和模擬。結(jié)果表明，從播種到發(fā)芽期、苗期、開花期，模型預(yù)測(cè)與實(shí)際觀測(cè)的生育期天數(shù)誤差較小，分別為-1、-2和-3 d，總體上可以較好地模擬預(yù)測(cè)黃瓜的生育期進(jìn)程。該模型充分利用了設(shè)施農(nóng)業(yè)精確的光溫監(jiān)測(cè)，改進(jìn)了生育期模擬模型中的熱效應(yīng)積累算法，提高了黃瓜生理發(fā)育時(shí)間的計(jì)算精度，不僅可以用于預(yù)測(cè)、調(diào)控設(shè)施黃瓜生產(chǎn)中的生育期，而且可以為其生產(chǎn)環(huán)境的智能調(diào)控提供決策支持。

關(guān)鍵詞 黃瓜；光溫；生長模型

中圖分類號(hào) S214.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2016）05-325-03

Abstract According to production practice of cucumber cultivation in Huaian Region， Jiangsu Province， cucumber growth model was built based on physiological development time. During the period， the growth status of cucumber was observed， the initial date of each growth period was recorded； light temperature data was collected through monitoring equipment， recording data and storing in database every 5 min automatically； by using programming way to read and according to temperature variation， change curve was made， daily physiological development time was calculated， cucumber production was predicted and simulated. The results showed that from sowing to germination period， seedling period， flowering period， the error between model simulation and actual observation are -1， -2， and -3 d. The model makes full use of precise light temperature， improves the calculation accuracy of physiological development time， not only can be used to predict and regulate growth period in cucumber production， but also provide policymaking support for intelligent regulation of production environment.

Key words Cucumber； Light temperature； Growth model

設(shè)施蔬菜以其高效生產(chǎn)和反季節(jié)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向，利用日光能溫室生產(chǎn)反季節(jié)黃瓜是國內(nèi)溫室栽培的主要項(xiàng)目之一，因其投入產(chǎn)出高、市場穩(wěn)定性好而深受國內(nèi)外生產(chǎn)者青睞。國外設(shè)施黃瓜生產(chǎn)自動(dòng)化水平高，可控性強(qiáng)，通過建立黃瓜作物生長模型[1-3]，模擬、預(yù)測(cè)和控制設(shè)施黃瓜取得了較好的效果。我國設(shè)施黃瓜受經(jīng)濟(jì)條件限制，短期內(nèi)很難達(dá)到國外設(shè)施自動(dòng)化水平，各地結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件和經(jīng)濟(jì)水平建立了符合地方特色的日光能溫室[4]和相對(duì)應(yīng)的栽培技術(shù)體系。江蘇省以淮安市淮陰區(qū)丁集鎮(zhèn)為中心，建立了上萬畝（666.67 hm2）的日光能溫室設(shè)施生產(chǎn)黃瓜，在生產(chǎn)實(shí)踐中，基于生理發(fā)育時(shí)間建立黃瓜生長模型來預(yù)測(cè)和指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，具有較強(qiáng)的可行性和實(shí)用性。筆者選用“冬美906”黃瓜品種，根據(jù)2014 年9月 ～ 2015年4 月在江蘇省淮安市丁集鎮(zhèn)娘莊村黃瓜日光能溫室中的逐日觀察數(shù)據(jù)，通過監(jiān)測(cè)設(shè)備采集光溫?cái)?shù)據(jù)，采用編程的方式讀取并根據(jù)溫度變化繪制曲線，逐日計(jì)算生理發(fā)育時(shí)間，對(duì)黃瓜設(shè)施生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和模擬，可為根據(jù)黃瓜上市時(shí)間適當(dāng)調(diào)整生產(chǎn)進(jìn)程提供決策支持，從而獲取較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1 日光溫室

日光溫室坐北朝南，東西長60～80 m，南北寬10 m，溫室脊高2.8 m，后墻高2.6 m，北墻厚0.4 m，東西墻厚0.5 m南沿高0.9 m，棚膜厚為0.08 mm的聚乙烯塑料薄膜，薄膜外有草簾，溫室頂有通風(fēng)口，通風(fēng)時(shí)間軟盤及按照本地日光能溫室黃瓜標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程要求進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2014 年9月 ～ 2015年4 月在江蘇淮安市丁集鎮(zhèn)娘莊村黃瓜日光能溫室中進(jìn)行，供試品種為“冬美906”，建模試驗(yàn)定植日期分別為2014 年11 月11日（試驗(yàn)1）、11 月20 日（試驗(yàn)2），驗(yàn)證試驗(yàn)為2014年11月15 日（試驗(yàn)3），定植時(shí)苗高10 cm，葉片數(shù)4 片。定植方式為起壟覆蓋薄膜種植，壟為馬鞍型，中間留有壟溝用于灌溉，壟間距為0.6 m，壟寬為1.2 m，每壟種植2行，株距0.25 m，管理按照當(dāng)?shù)厝展饽軠厥尹S瓜標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程的要求進(jìn)行。

1.3 數(shù)據(jù)記錄

試驗(yàn)期間每天對(duì)黃瓜發(fā)育狀況進(jìn)行觀測(cè)，并記錄各個(gè)生育階段的起始日期。定植后選取長勢(shì)相當(dāng)?shù)? 株進(jìn)行定株觀測(cè)記錄，觀測(cè)每隔2 d 進(jìn)行1 次。觀測(cè)指標(biāo)包括株高、葉片數(shù)、結(jié)瓜數(shù)和結(jié)瓜重。其中株高為地面到頂?shù)睦遍L度，株高、葉長和葉寬均采用卷尺測(cè)量。

試驗(yàn)溫室氣象數(shù)據(jù)利用江蘇省徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所研制的作物生長記錄儀自動(dòng)采集。儀器采集離地1.8 m 的氣溫、CO2濃度、太陽輻射、相對(duì)濕度等項(xiàng)目，采集頻率為每5 min一次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

光溫?cái)?shù)據(jù)通過監(jiān)測(cè)設(shè)備采集，每5 min自動(dòng)記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫中。該研究采用編程的方式讀取并根據(jù)溫度變化繪制曲線，逐日計(jì)算生理發(fā)育時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃瓜生育期劃分

根據(jù)黃瓜生物學(xué)特性，結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)實(shí)際及相關(guān)文獻(xiàn)資料[5-8]，將黃瓜的整個(gè)生長過程劃分為4個(gè)生育階段，經(jīng)試驗(yàn)觀測(cè)得到各個(gè)生育期相應(yīng)的形態(tài)特征。

2.2 黃瓜輻熱積生長模型建立與擬合

2.2.1 溫光指標(biāo)建立與輻熱積的計(jì)算。黃瓜生長模型建模中，主要有積溫法、比面積法、輻熱積法以及生理發(fā)育時(shí)間等方法，生理發(fā)育時(shí)間法以溫度和光照作為模型的輸入因子，模擬作物的生長發(fā)育過程，具有較強(qiáng)的機(jī)理性和較高的精度。

黃瓜生產(chǎn)中，尤其是栽培標(biāo)準(zhǔn)化后，溫度和光輻射周期是影響黃瓜生育進(jìn)程的重要因子，將黃瓜在實(shí)際的溫度和光照條件下生長所需的時(shí)間轉(zhuǎn)換成其在最適宜的溫度和光照條件下生長所需的時(shí)間。作物在實(shí)際溫光條件下生長1 d相當(dāng)于1個(gè)生理發(fā)育日的比例定義為每日相對(duì)生理發(fā)育效應(yīng)RPDE[9]；作物完成某一特定的發(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；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)溫度與臨界光周期和最適宜光周期來計(jì)算；作物在實(shí)際溫度條件下生長1 d相當(dāng)于在最適宜溫度條件下生長1 d的比例定義為每日相對(duì)熱效應(yīng)RTE[10]；作物在實(shí)際光照條件下生長1 d相當(dāng)于在最適宜光照條件下生長1 d的比例定義為每日相對(duì)光周期效應(yīng)RPE。

該模型參照三段線形函數(shù)描述每日溫度與RTE的關(guān)系，即實(shí)際溫度在臨界溫度外時(shí)（低于發(fā)育下限時(shí)和超過上限時(shí)）效應(yīng)值為0，在最適溫度時(shí)（在最適上限溫度之間）效應(yīng)值為1，溫度在最適溫度之外和臨界溫度之內(nèi)，熱效應(yīng)隨著溫度的升高而線性增加或線性下降，效應(yīng)值是實(shí)際溫度與臨近臨界值的差值與臨近最最適溫度上下值之比，具體相對(duì)熱效應(yīng)RTE與溫度T 的關(guān)系用公式表示為：

2.2.2 物候期的預(yù)測(cè)。生理發(fā)育時(shí)間具有基因型差異，是一個(gè)品種特定的遺傳參數(shù)。為了統(tǒng)一不同基因型品種的生理時(shí)間尺度，利用基本發(fā)育因子來調(diào)節(jié)生理發(fā)育時(shí)間積累的速率，從而使得生理發(fā)育時(shí)間在不同基因型之間恒定不變，不同品種發(fā)育生理效應(yīng)比較可由（4）式進(jìn)行校正：

PDT=PDT×IDF（4）

式中，IDF表示基本發(fā)育因子，是品種特定的遺傳參數(shù)。最早熟的基因型基本發(fā)育因子為1，最晚熟的基因型基本發(fā)育因子為0.6，其他品種介于二者之間。溫室黃瓜多為早熟品種，其基本發(fā)育因子IDF=1 。

2.3 黃瓜發(fā)育期的預(yù)測(cè)與生產(chǎn)應(yīng)用

2.3.1 黃瓜生育時(shí)期的模擬。根據(jù)當(dāng)?shù)卦O(shè)施蔬菜的生產(chǎn)實(shí)際，記載試驗(yàn)1、試驗(yàn)2各生育期數(shù)據(jù)，根據(jù)表2三基點(diǎn)溫度，利用公式（1）～（4）計(jì)算試驗(yàn)1黃瓜各個(gè)生育階段所需生理發(fā)育時(shí)間，從播種到出苗、開花、結(jié)果及成熟所需生理發(fā)育時(shí)間分別為0.87、9.84、11.98和24.58 d。

2.3.2

黃瓜生育時(shí)期的模擬與檢驗(yàn)。根據(jù)當(dāng)?shù)卦O(shè)施蔬菜的生產(chǎn)實(shí)際，記載試驗(yàn)1、2、3的各生育期數(shù)據(jù)，根據(jù)表2三基點(diǎn)溫度，利用公式（1）～（4）計(jì)算試驗(yàn)1和試驗(yàn)2監(jiān)測(cè)結(jié)果，建立黃瓜生育階段的累積輻熱積模型（成熟期僅以1～5個(gè)瓜成熟作為指標(biāo)，春節(jié)后黃瓜以市場需求與價(jià)格確定采摘時(shí)間，不具參考性），以試驗(yàn)3和公式（5）檢驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)的精確度，結(jié)果見表3。

從表3可知，從播種到發(fā)芽期、苗期、開花期以及成熟期，模型預(yù)測(cè)與實(shí)際觀測(cè)的生育期天數(shù)誤差分別為-1、-2和-3 d，總體上可以較好地模擬預(yù)測(cè)黃瓜的生育期進(jìn)程；而在成熟期，誤差達(dá)到了+10 d。

3 結(jié)論與討論

該研究在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)黃瓜設(shè)施栽培生產(chǎn)中生育期調(diào)控的需求，基于生理發(fā)育時(shí)間構(gòu)建了黃瓜生育模擬模型。該模型充分考慮了黃瓜設(shè)施生產(chǎn)中的生產(chǎn)條件和當(dāng)前已有設(shè)施基礎(chǔ)條件，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控技術(shù)，可對(duì)黃瓜設(shè)施生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和模擬，可為黃瓜上市時(shí)間適當(dāng)調(diào)整生產(chǎn)進(jìn)程提供決策支持，從而獲取較好的經(jīng)濟(jì)效益。

以往的黃瓜生育模擬模型中，主要采用了積溫法、比面積法、輻熱積法以及生理發(fā)育時(shí)間等方法，而生理發(fā)育時(shí)間法以溫度和光照作為模型的輸入因子，模擬作物的生長發(fā)育過程，具有較強(qiáng)的機(jī)理性和較好的精度。同前人的研究結(jié)果相比較，該研究構(gòu)建的模型，從黃瓜播種到發(fā)芽期、苗期、開花期以及成熟期，模型預(yù)測(cè)與實(shí)際觀測(cè)的生育期天數(shù)誤差較小，分別為-1、-2和-3 d，總體上可以較好地模擬預(yù)測(cè)黃瓜的生育期進(jìn)程；而在成熟期，誤差達(dá)到了+10 d，可能是由于在實(shí)際生產(chǎn)中，為了延長黃瓜果實(shí)采摘時(shí)間而達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化。另外，在日光溫室的環(huán)境監(jiān)控過程中，由于設(shè)施基礎(chǔ)條件的不完善，容易發(fā)生斷電等情況導(dǎo)致監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集的中斷和缺失，也是該模型預(yù)測(cè)誤差的一個(gè)來源。

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