趙坤，柳平增，張澤，張艷，馬峰

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東泰安,271018; 2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)研究中心,山東泰安,271018; 3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實驗室,山東泰安,271018; 4. 山東省德州市陵城區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,山東德州,253000)

0 引言

番茄是我國設(shè)施園藝的主栽作物之一,其種植面積、銷量、規(guī)模位居世界蔬菜之首[1-2]。近年來,由于設(shè)施番茄栽培覆蓋面的擴(kuò)大,番茄的精細(xì)化種植技術(shù)也廣泛地應(yīng)用至其生產(chǎn)過程中。Logistic生長模型是目前最經(jīng)典的S形曲線,廣泛應(yīng)用于各類自然生長過程的模擬性研究,例如動物飼養(yǎng)和植物栽培等。然而當(dāng)前指導(dǎo)番茄種植生產(chǎn)水平較低,因此使用Logistic生長模型開展設(shè)施番茄生長過程數(shù)字化研究,對指導(dǎo)番茄精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化種植具有十分重要的意義。

針對設(shè)施番茄生長過程研究,魏曉然等[3]以設(shè)施番茄作為實驗對象,分析研究不同灌溉量在番茄開花坐果期間對生長和水肥利用效能的影響,為促進(jìn)番茄高產(chǎn)打下了基礎(chǔ);雷濤等[4]利用Logistic回歸方法分析、深入研究不同水分、沸石量、埋深條件下的番茄生長特性,對其生長動態(tài)過程進(jìn)行模擬和效果評價;侯加林等[5]通過研究番茄生長發(fā)育過程,將其生長階段以及生育期的形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)劃分;荷蘭的Spitters等[6]對番茄植株不同冠層的光照程度、葉面積指數(shù)、其他生理效應(yīng)及溫室環(huán)境等因素開展深入研究,構(gòu)建TOMSIM番茄生長模型;以色列學(xué)者Heuvelink[7]構(gòu)建的TOMGRO模型對番茄生產(chǎn)進(jìn)行科學(xué)的管理,并對其進(jìn)行預(yù)測,荷蘭與以色列學(xué)者聯(lián)合開發(fā)的HORTISIM系統(tǒng)可以為溫室園藝作物的環(huán)境管理和決策提供科學(xué)的參考[8]。學(xué)者在研究番茄生長過程時采用的方法也不盡相同,如杜婭丹等[9]采用主觀層次法和客觀熵權(quán)法,對番茄苗期營養(yǎng)生長進(jìn)行全面的評估;張傳帥等[10]建立番茄果實直徑預(yù)測模型,為溫室番茄的環(huán)境調(diào)控、環(huán)境監(jiān)測提供解決方案;王麗艷等[11]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測番茄干重,為溫室的環(huán)境調(diào)控提供可靠的科學(xué)依據(jù);Zuo等[12]基于線性回歸構(gòu)建番茄莖粗生長速率預(yù)測模型;賴琳玲等[13]深入研究番茄各器官生長發(fā)育動態(tài),并構(gòu)建番茄生長發(fā)育動態(tài)模擬模型;員玉良等[14]構(gòu)建基于主成分回歸的番茄莖直徑動態(tài)變化預(yù)測模型,通過測量環(huán)境數(shù)據(jù)以及土壤含水量實現(xiàn)番茄直徑的動態(tài)變化預(yù)測。在設(shè)施番茄數(shù)字化研究方面,Li等[15]對溫室環(huán)境下盆栽番茄植株的數(shù)字化和可視化進(jìn)行研究,基于Kinect提出了一種能夠自動檢測和分割番茄植株莖段的4步法,并結(jié)合可視化構(gòu)建逼真的三維虛擬番茄植株模型。

綜合現(xiàn)有研究,國內(nèi)外學(xué)者在研究以生長模型探究設(shè)施番茄生長發(fā)育過程時,研究建立的模型針對性強(qiáng),普適性與通用性方面存在較大差異。且國內(nèi)外學(xué)者對設(shè)施番茄的數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化研究處于萌芽時期,對番茄生產(chǎn)過程中的環(huán)境調(diào)控、農(nóng)事操作等領(lǐng)域的研究具有一定的局限性,需要對設(shè)施番茄全生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行深入研究。本研究擬充分利用番茄生長數(shù)據(jù),并采用Logistic模型擬合了番茄地上部分株高、莖粗、葉片的葉長、葉寬、葉面積指數(shù)、果實縱莖以及果實橫莖的生長動態(tài)過程,從而構(gòu)建設(shè)施番茄生長發(fā)育模型,探究番茄植株營養(yǎng)生長與生殖生長的關(guān)系,剖析其生長發(fā)育規(guī)律,為番茄的生產(chǎn)精細(xì)化管理和標(biāo)準(zhǔn)化栽培提供理論依據(jù)。

1 試驗概況與研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

本次試點(diǎn)的研究園區(qū)分別建立于山東省德州市陵城區(qū)糜鎮(zhèn)智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園7號溫室及山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新園日光溫室中。

溫室一為東西走向,長125 m,寬10 m,北側(cè)墻體厚度為7.5 m,試驗材料為秋冬茬番茄“凱德87170”,定植時幼苗5葉1心,株距30 cm,行距35 cm,龔寬0.65 m,溝寬0.55 m,種植3 600顆,以龔內(nèi)雙列形式進(jìn)行栽培,種植模式采用龔作滴灌方式施肥,溫室上方棚膜采用專業(yè)的無滴膜,從而減少了溫室內(nèi)棚膜水蒸氣直接下落對番茄植株及花果所帶來的危害。

溫室二為東西走向,脊高5.5 m,內(nèi)跨10 m,東西長42 m,溫室種植面積為340 m2,試驗材料為秋冬茬番茄品種“圣羅蘭”,首批番茄定植于2020年8月6日,定植時5葉1心真葉幼苗,第四批定植于2020年10月13日,每批種植120株,行距80 cm,株距30 cm,番茄的種植方式為無土基質(zhì)盆栽。滴管為雙行滴灌帶,滴箭插至幼苗根部附近。試驗實施統(tǒng)一的水肥管理,用量參照園區(qū)常規(guī)管理方式,溫室二的試驗不做特殊處理。

1.2 指標(biāo)測定

試驗所需番茄地上部分生長數(shù)據(jù)為試驗區(qū)內(nèi)每7天采集一次,每次隨機(jī)取10株長勢相同的樣本,采集株高(cm)、莖粗(mm)、葉片數(shù)(片)、葉片長(cm)、葉片寬(cm)、葉面積(cm2)、果實縱莖(mm)以及果實橫莖(mm)等指標(biāo)。其中番茄的株高采用直尺或者卷尺進(jìn)行測定,莖粗使用的測量工具為作物莖粗測量儀,番茄植株葉面積的測量工具使用CI-202便攜式葉面積儀,葉面積指數(shù)LAI是指單位土地面積上植物葉片總面積占地面積的倍數(shù),計算公式如式(1)、式(2)所示。

LAI=LAt×d×10-6

(1)

(2)

式中:LAt——番茄植株第1～n節(jié)位總面積,mm2;

LAi——第i個節(jié)位葉面積,mm2;

d——種植密度,株/m2。

前期多次試驗表明,設(shè)施番茄地上部鮮重、葉面積、果長、果寬和果重的生長速率表現(xiàn)為開始時生長緩慢,以后逐漸加快,接近線性生長后進(jìn)入線性生長期,達(dá)到一定界限后,生長速率趨于緩慢,生長規(guī)律符合S形生長曲線慢—快—慢的特點(diǎn),可用Logistic模型進(jìn)行擬合[16]。

Logistic模型公式由式(3)計算分析,以生長時間t為自變量,植株生長的累積生長量y為因變量,構(gòu)建設(shè)施番茄生長模型。某時段內(nèi)番茄生長特征平均生長速率可由式(4)進(jìn)行計算。番茄物候期參數(shù)包括:線性生長起點(diǎn)t1、線性生長終點(diǎn)t2和線性生長期LGD。番茄生長參數(shù)包括:最大線性生長速率MGR、平均線性生長速率LGR和線性生長量TLG。番茄物候期參數(shù)及生長參數(shù)計算方法參照相關(guān)學(xué)者研究,具體如式(3)～式(10)所示。本試驗區(qū)內(nèi)的番茄生長動態(tài)模擬效果主要通過決定系數(shù)R2指標(biāo)進(jìn)行評價,計算式如式(11)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

LGD=t2-t1

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中:t——番茄定植后天數(shù),d;

t0——生長起點(diǎn);

tz——番茄生長某一時段;

v——番茄生長速率;

k——番茄生長極限即最大生長量;

a、b——待定系數(shù);

WLi——番茄各生長指標(biāo)預(yù)測值,cm;

WRi——番茄各生長指標(biāo)實測值,cm;

W——番茄株高實測值的平均值,cm;

N——試驗樣本個數(shù);

Vmax——番茄最大生長速率。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于Logistic理論的生長模型構(gòu)建

對番茄植株生長性狀進(jìn)行Logistic回歸分析,得到番茄株高的回歸方程為

莖粗的回歸方程為

葉長的回歸方程為

葉寬的回歸方程為

葉面積指數(shù)的回歸方程為

為分析設(shè)施番茄株高、莖粗、葉長、葉寬和葉面積指數(shù)的生長規(guī)律,將其生長階段劃分為生長前期、速生期和生長后期,番茄地上部株高、莖粗、葉片長、葉片寬以及葉面積指數(shù)隨定植天數(shù)變化的生長模擬曲線如圖1所示。

(b) 莖粗

(c) 葉長

(d) 葉寬

(e) 葉面積指數(shù)圖1 基于Logistic番茄植株生長的曲線模型圖Fig. 1 Curve model diagram of tomato plant growth based on Logistic

2.2 模型的驗證

對番茄植株主要性狀的生長數(shù)據(jù)進(jìn)行Logistic擬合,得到生長曲線方程的擬合參數(shù)如表1所示,建立番茄植株生長的曲線模型。由表1可看出,番茄各性狀的Logistic曲線回歸方程經(jīng)統(tǒng)計檢驗達(dá)極顯著水平(P<0.01),觀測值與Logistic模型擬合曲線符合程度較高,應(yīng)用Logistic曲線擬合番茄植株生長規(guī)律。番茄各性狀與定植天數(shù)的相關(guān)系數(shù)R為0.923～0.961,表明番茄各性狀與定植天數(shù)存在顯著相關(guān)關(guān)系,以定植天數(shù)衡量番茄的生長數(shù)據(jù)可靠;番茄各性狀Logistic擬合方程的決定系數(shù)R2為0.853～0.924,表明采用Logistic曲線方程可分別解釋因變量變化的85.3%～92.4%。

表1 番茄生長性狀Logistic生長曲線方程的擬合參數(shù)表Tab. 1 Fitting parameter table of Logistic growth curve equation for tomato growth traits

2.3 生長模型應(yīng)用結(jié)果與指導(dǎo)分析

對番茄植株生長特征的擬合方程進(jìn)行分析推導(dǎo)得出物候期參數(shù)t1、t2和LGD和生長參數(shù)MGR、TLG、LGR和GT如表2所示,將番茄植株生長期劃分為生長前期(0～t1)、速生期(t1～t2)和生長后期(t2～生長季末)3個時期。

表2 番茄生長性狀Logistic參數(shù)表Tab. 2 Logistic parameters of tomato growth traits

通過模型擬合參數(shù)分析可得如下結(jié)論。

1) 莖粗的速生期起始時間為18.626 d、終止時間為53.746 d,持續(xù)28.021 d,在定植后36.187 d出現(xiàn)最大生長速率0.278 cm/d,其線性生長量為10.466 cm,平均生長速度達(dá)0.246 cm/d,生長特征值為9.741 cm;為了確保番茄莖粗的合理增粗,一方面,在農(nóng)事管理時,應(yīng)注意番茄種植密度的合理配置,使植株有充分生長發(fā)育的空間,同時還要在栽培時施足底肥,并且在生長期適當(dāng)追肥,從根部為其生長提供營養(yǎng);另一方面,在環(huán)境管理水平上,空氣溫度和有效光輻射對番茄生長的影響較大[17-18],在合理范圍內(nèi)增加溫度可促進(jìn)番茄生長帶來的莖粗變化,同時會提高植株體內(nèi)酶的活性,促進(jìn)生理活動。

通過對設(shè)施番茄的實際生產(chǎn)地進(jìn)行調(diào)研,并結(jié)合專家咨詢和查閱文獻(xiàn)等方式[19],通過對Logistic模型進(jìn)行分析,構(gòu)建設(shè)施番茄數(shù)字化模型。在番茄生長的苗期階段,對苗期番茄進(jìn)行精準(zhǔn)化種植管理時,在環(huán)境調(diào)控、農(nóng)事管理、水肥管理等方面的規(guī)范化如表3～表5所示。

表3 環(huán)境參數(shù)參考表Tab. 3 Reference table of environmental parameters

表4 農(nóng)事管理參數(shù)參考表Tab. 4 Reference table of agricultural management parameters

表5 水肥管理參數(shù)參考表Tab. 5 Reference table of water and fertilizer management parameters

2) 番茄株高的速生期起始時間為26.309 d,終止時間為74.200 d,持續(xù)47.891 d,在定植后50.524 d出現(xiàn)最大生長速率3.132 cm/d,其線性生長量為161.068 cm,平均生長速度達(dá)2.784 cm/d,生長特征值為149.996 cm。對應(yīng)農(nóng)事記錄,此時為番茄開花坐果的時間段,為確保番茄株高的健壯生長,一方面,在農(nóng)事管理水平上,要注重植株的整枝打岔,防治過多的側(cè)枝爭奪養(yǎng)分,在整枝打岔時,第一花穗下的側(cè)枝長至5 cm左右時抹除,隨著植株的不斷生長,應(yīng)不斷進(jìn)行抹杈處理,見杈就抹。除此之外,還要注重對吊蔓的管理,防止植株畸形生長影響后期坐果;另一方面,在環(huán)境管理水平上,有效光輻射與空氣溫度在此時期對番茄生長的影響較大[20-21],在合理范圍內(nèi)增加有效光輻射的攝入和溫度的有效調(diào)控,可促進(jìn)株高生長。同時也應(yīng)注重對施水量的控制,防止水分過多導(dǎo)致番茄莖節(jié)徒長。

3) 對比發(fā)現(xiàn),番茄葉面積指數(shù)速生期起止時間和線性生長時間分別為30.872～56.696 d和25.824 d,與番茄葉長速生期起止時間30.287～58.308 d和線性生長持續(xù)時間28.021 d以及葉寬速生期起止時間31.321～55.486 d和線性生長持續(xù)時間24.165 d基本一致,番茄葉面積指數(shù)在定植43.784 d時生長最快,該時期接近番茄開花坐果發(fā)育期。在農(nóng)事管理水平上,要及時修正枝葉使葉片之間存在空隙,保證光合作用的有效進(jìn)行,積累更多的有機(jī)物,還應(yīng)注重病蟲害的預(yù)防,如:病毒病等,以免影響植株生長及后期坐果,同時應(yīng)多施加硼肥、鈣肥,保證后期番茄的坐果率;環(huán)境管理水平上,在此時期應(yīng)注重對光照的有效利用,可通過LED補(bǔ)光等措施增加光照時長以提高光合作用,積累有機(jī)物促進(jìn)植株生長。

同時,在番茄生長的開花坐果期階段,通過對番茄實際生產(chǎn)情況進(jìn)行調(diào)研分析,并結(jié)合專家意見、參考資料進(jìn)行總結(jié),分析Logistic擬合曲線,對開花坐果期番茄進(jìn)行精準(zhǔn)化種植管理,在環(huán)境調(diào)控、農(nóng)事管理、水肥管理等方面的規(guī)范化可參考表6～表8所示。

表6 環(huán)境參數(shù)參考表Tab. 6 Reference table of environmental parameters

表7 農(nóng)事管理參數(shù)參考表Tab. 7 Reference table of agricultural management parameters

表8 水肥管理參數(shù)參考表Tab. 8 Reference table of water and fertilizer management parameters

3 結(jié)論

1) 本文構(gòu)建了基于Logistic方程的設(shè)施番茄生長模型,探究了設(shè)施番茄的生長發(fā)育過程。

2) 番茄在不同生長指標(biāo)下的生長規(guī)律均符合S形生長曲線,擬合方程的決定系數(shù)R2均≥0.976,達(dá)極顯著水平(P<0.01),擬合效果較好。依據(jù)Logistic番茄生長動態(tài)曲線,將設(shè)施番茄的生長期劃分為生長前期、速生期和生長后期,建議在番茄速生期強(qiáng)化肥水管理,以延長速生期,提高線性生長率,提高甜番茄產(chǎn)量和品質(zhì)。

3) 本文對基于Logistic模型的設(shè)施番茄生長過程進(jìn)行研究,這為實現(xiàn)番茄生產(chǎn)過程的精細(xì)化和標(biāo)準(zhǔn)化栽培管理奠定基礎(chǔ)。通過生長模型數(shù)字化實現(xiàn)生產(chǎn)過程中環(huán)境、農(nóng)事、水肥等操作的精準(zhǔn)化管理,為設(shè)施番茄生產(chǎn)種植的數(shù)字化管理提供可靠的管理辦法和科學(xué)依據(jù),并進(jìn)而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化。