溫室黃瓜鉀素含量臨界值的模擬

倪紀恒 付為國 朱詠利 毛罕平 羅克勇 鄭紅倩 徐 剛

（1江蘇大學現代農業裝備與技術省部共建教育部重點實驗室，江蘇鎮江 212013；2江蘇省農業科學院原子能利用研究所，江蘇南京 210014；3江蘇省農業科學院園藝研究所，江蘇南京 210014）

黃瓜是我國溫室栽培的主要蔬菜作物之一，在我國的栽培面積已達到52.63萬hm2，約占我國溫室栽培面積的60%～70%（張生飛 等，2009）。鉀對溫室黃瓜葉綠素的形成具有重要作用，鉀素的豐缺與植物葉片結構、水分等狀況密切相關（王德鵬 等，2011）。目前利用光譜、圖像技術對溫室黃瓜鉀素狀況進行無損檢測已成為研究的熱點（劉岱松 等，2010；石媛媛等，2010；易時來 等，2010）。但目前的研究大多集中在如何精確獲取溫室黃瓜的鉀含量方面，而對鉀含量評價的標準即鉀素的養分臨界值一般作為一個定值或者不同生育期的定值。由于作物對鉀素的吸收分配受溫度和輻射的影響，在不同光溫條件下生長的溫室黃瓜鉀素的臨界值也不相同。裴孝伯等（2002a，2002b）的研究表明，在鉀供應充足的條件下，不同茬口的溫室黃瓜葉片的鉀含量不同。因此將溫室黃瓜鉀素養分含量臨界值作為一個定值或不同生育期的定值，在對作物養分狀況進行評價時必然會帶來這樣那樣的評價誤差。因此，加強對溫室黃瓜葉片鉀素養分含量臨界值模擬的研究，建立溫室黃瓜鉀素的評價標準，為溫室黃瓜鉀素的無損檢測提供技術支持，對提高我國溫室作物無損檢測水平具有重要的意義。

關于元素臨界含量模擬的研究主要集中在氮素研究方面，其中主要有CERES（Ritchie et al.，1988）、ORYZA（Drenth et al.，1994）、WHEATGRO（Aggarwal，1994）。這些模型采用作物生長模型預測的各器官生物量與養分吸收模型預測的各器官養分吸收量的比值進行作物養分臨界含量的模擬。但這些模型主要針對大田作物，而對溫室作物養分含量臨界值的模擬至今尚未見報道。鑒于此，本試驗通過定量分析不同光溫條件與黃瓜鉀素吸收和分配的對應關系，建立了基于輻熱積（倪紀恒 等，2006，2009）的溫室黃瓜鉀素吸收與分配模型，為構建鉀素養分評價指標提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗基本情況

試驗于2009年10月至2010年7月在江蘇大學venlo型試驗溫室中進行。溫室東西走向，長45 m，跨度6 m，脊高3.2 m。溫室內加熱系統、簾幕系統、通風系統均由計算機自動控制。試驗分為2個部分，供試黃瓜品種均為津優1號。采用穴盤育苗，兩葉一心時移栽，栽培基質為珍珠巖。試驗過程中管理措施同常規生產。

試驗1于2009年10月至2010年1月進行，10月7日育苗，10月21日移栽，密度為3.2株·m-2。移栽后采用常規營養液灌溉，營養液采用陳永山等（2008）推薦的營養液，營養液pH值為5.6～6.2，EC值2.2 mS·cm-1，離子質量濃度NO3-+NH4+為 160 mg·L-1，H2PO4-為 94 mg·L-1，K+312 mg·L-1，Ca2+160 mg·L-1，Mg2+48 mg·L-1，SO42-192 mg·L-1，每株黃瓜每天分別在10：00和15：00澆灌2次，每次澆灌300 mL。

試驗2于2010年2～7月進行，2月20日育苗，3月5日移栽，密度為3.0株·m-2。移栽后采用常規營養液灌溉。營養液各元素離子質量濃度同試驗1。試驗2為建模數據，試驗1的數據用來驗證。

1.2 測定項目和方法

1.2.1 作物數據獲取 苗期每隔3 d、其他生育期每隔7 d，進行破壞性取樣，每次取樣3株。將植株分為根、莖、葉、果實（包括花）4部分，首先用精度0.1 g的電子天平稱取各部分鮮質量，然后在105 ℃下殺青15 min，再以80 ℃干燥至恒質量。采用精度0.001 g的電子天平稱量各部分干質量。用粉碎機分別磨碎各部分干樣，過60目篩后，用濃H2SO4+H2O2消煮，然后利用火焰光度計測定各器官鉀素含量。

1.2.2 環境數據獲取 溫室內溫度和輻射量由溫室自動控制系統自動采集，記錄的數據為每小時的平均值。溫度探頭位于試驗區中部，距離地面1.5 m處。輻射探頭位于溫度探頭上部，距離地面2.0 m處。

2 模型的描述

2.1 輻熱積的計算

溫度和輻射直接影響作物的生長發育和鉀素的吸收運轉。本試驗采用綜合的光溫指標-輻熱積來量化溫光條件對黃瓜鉀素吸收和運轉的影響。輻熱積為相對熱效應和光合有效輻射的乘積。其計算過程為：首先計算每小時的相對熱效應（RTE，Relative Thermal Effectiveness），然后將每小時的相對熱效應乘以相應小時內的總光合有效輻射（PAR，Photosynthetically Active Radiation），得到每小時的輻熱積（HTEP，Hourly Product of Thermal effectiveness and PAR）。將一天內各小時輻熱積累加得到日輻熱積（DTEP，Daily Total product of Thermal effectiveness and PAR）。某個生育階段的累積輻熱積（TEP）為該階段日總輻熱積之和。具體計算公式參見李永秀等（2005）的公式。

2.2 鉀素總吸收量的計算

鉀素總吸收量按公式（1）進行計算：

公式中，Q為鉀素總吸收量（g·株-1），WR、WL、WS、WF分別為根、葉、莖、果實干質量（g·株-1），RK、LK、SK、FK分別為根系、葉、莖、果實鉀素的含量（百分含量）。

通過試驗2的數據，則鉀素總吸收量Q與輻熱積TEP之間的關系（圖1）為公式（2）：

圖1 鉀素吸收量與累積輻熱積的關系

公式中，Q為鉀素吸收量，TEP為某一階段的輻熱積，a、b、c、d為模型參數，取值分別為-0.04、0.85、200.03、60.52。

2.3 元素分配指數的計算

本試驗假設作物根系從營養液中吸取鉀后，首先在根系和地上部之間分配，然后再在地上部各器官之間分配，則根、地上部、葉、莖、果實的養分分配指數可以通過下面的公式計算：

公式中，PIRK、PISHK、PISK、PILK、PIFK分別為根系、地上部、莖、葉、果實鉀素的分配指數。

通過試驗2的數據，各器官鉀素分配指數與輻熱積之間的關系（圖2）為公式（8）、（9）、（10）、（11）、（12）：

圖2 地上部、根系和地上部各器官鉀素分配指數與輻熱積的關系

2.4 鉀素總吸收量的模擬

公式中Q（i）為第i天溫室黃瓜的單株鉀素總吸收量，TEP（i）為第i天的輻熱積。

2.5 各器官鉀百分含量的模擬

公式中RK（i）、SK（i）、LK（i）、FK（i）分別為第i天的根、莖、葉、果實的鉀素含量，PIRK（i）、PISHK（i）、PISK（i）、PILK（i）、PIFK（i）分別為第i天根、地上部、莖、葉和果實的鉀元素分配指數，WR（i）、WS（i）、WL（i）、WF（i）分別為第i天根、莖、葉和果實干質量，可以通過溫室黃瓜干物質生產模型和干物質分配模型計算得出。由于溫室黃瓜干物質生產模型（李永秀 等，2005）和溫室黃瓜干物質分配模型預測出的各器官干質量（李永秀 等，2006）的單位是kg·hm-2，在使用中除以溫室黃瓜種植密度，將其轉化為g·株-1。

3 模型的檢驗方法

采用均方根差RMSE（Root Mean Squared Error）對模型進行檢驗。RMSE值越小，表明模擬值與觀測值間的偏差越小，模擬精度越高。

式中OBSi為實測值，SIMi為模型模擬值，n是樣本容量。

4 結果與分析

4.1 鉀素吸收量的模擬

利用溫室內的溫度和輻射資料，首先計算出試驗1的累積輻熱積，然后根據公式（1）和（2）計算出與建模數據（試驗2）相獨立的試驗1中黃瓜在任意一天的鉀素吸收量，并與實際觀測值進行比較，結果如圖3所示。由圖3可知，模型能夠較好地預測溫室黃瓜單株鉀素的吸收量，鉀素的預測結果與1∶1直線之間的R2分別為0.96，RMSE為0.25 g·株-1，較好地預測了溫室黃瓜的單株鉀素吸收量。

4.2 各器官鉀素含量的模擬結果

利用溫室內部的溫度和輻射資料，計算出試驗 1的溫室黃瓜的累積輻熱積，然后利用公式（1）～（17）計算出與建模數據（試驗2）相獨立的試驗1的各器官鉀素含量，并與實測值進行比較，結果如圖4所示。由圖4可知，根、莖、葉、果實鉀素含量實測值與模擬值之間符合較好，模型對根、莖、葉、果各器官鉀素含量的預測結果與1∶1直線之間R2分別為0.71、0.78，0.85、0.87。RMSE分別為0.12%、0.09%、0.04%、0.05%。

圖3 鉀元素吸收量實測值與模擬值的比較

圖4 各器官鉀素含量實測值與模擬值之間的比較

5 結論與討論

溫室黃瓜對養分的吸收主要取決于作物的生長速率，作物的生長速率主要受溫度和輻射的影響（Lea-cox et al.，2001）。本試驗采用綜合溫度和輻射的指標-輻熱積，動態地預測了溫室黃瓜對鉀素的吸收量和各個器官的鉀素含量。同前人的研究相比，模型參數少、預測精度高，可以為溫室黃瓜鉀肥營養評價提供理論依據和決策支持。例如，筆者首先采用光譜或者圖像測得某生育時期溫室黃瓜葉片的鉀含量為a%。然后將溫室黃瓜前期的溫度和輻射資料輸入模型中，利用模型預測的溫室黃瓜葉片鉀含量與 a%比較，如果大于 a%，則說明鉀肥供應充足；反之，則需要加大鉀肥供應量。

本試驗建立的模型適合水肥供應充足的黃瓜作物養分吸收與分配和輻熱積關系的定量分析，模型在其他類型黃瓜品種和地點的適用性還需要進一步多品種和多地點的試驗資料來校正和檢驗。但是本模型的建模思路為建立其他品種和地點的溫室黃瓜養分吸收、分配與溫度、光照的關系模型提供了參考。

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