CN101950321B - 一种建立日光温室长季节栽培番茄植株叶片数模型用于控制番茄长势的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种建立日光温室长季节栽培番茄植株叶片数模型用于控制番茄长势的方法，其技术方案包括固定样本、采集数据，建立番茄叶片形成模拟模型，根据模拟模型进行控制长势管理。本发明确定了番茄叶片衰老与温室环境的对应关系，优化了环境设备对温室环境如温度、湿度的调控，从而使日光温室内的番茄能在一个比较适宜的环境中生长发育，实现高产优质栽培的目的。

Description

一种建立日光温室长季节栽培番茄植株叶片数模型用于控制番茄长势的方法

技术领域

本发明属于一种现代农业生产技术领域，特别涉及一种建立日光温室长季节栽培番茄植株叶片数模型用于控制番茄长势的方法。

背景技术

温室是一个集合结构、机电、生物与环境为一体的综合系统。温室环境控制重点在于协调地控制作物生长的微气候，使作物正常地生长与繁殖，并获得高产和优质。而作物对环境的基本要求是所有环境控制系统设计的基础。由于作物对环境条件的反应非常复杂，因此温室内生产的最大效益需借助复合环控装置及控制方法才能得以完全发挥。即所谓的“复合”除了多项环境调节设备的选择之外，还要建立科学的控制方法，其前提是对作物生长状况与生长阶段与环境关系的了解，并确立作物生长发育模型，以此基础来完善和提升环境控制系统。

作物生长发育模型是综合作物生理学、生态学、栽培学、农业气象学、土壤肥料学和计算机等相关学科，通过建立数学模型来描述作物生长发育、器官建成和产量形成等生理生态过程与环境之间的数量关系，并在计算机上实现，来模拟作物生产全过程的系统。它是农业多学科基础性研究的结晶，将农业科学和计算机技术紧密结合，定量而系统地描述作物生长发育及其与农业环境相互作用的关系。

目前国外已经建立了用于温室内环境控制的许多作物的生长模型，其中番茄生长发育模型是研究重点之一。目前我国日光温室的番茄生长发育模型研究尚缺乏系统研究。本发明在北方日光温室番茄长季节栽培方式下，提出了建立番茄生长发育中的重要性状之一-叶片数的生长模型的方法，以此用于日光温室番茄栽培日常生产管理和温室环境调控。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过北方日光温室内栽培番茄试验结果建立番茄叶片数的模拟模型，并以此用于日光温室番茄栽培打老叶日常生产管理中和温室环境调控管理，实现提高番茄产量和品质、增加经济效益的目的。此方法可操作性强，易于普及。

本发明提供的技术方案如下：

1、固定样本，在温室田间确定一定数量的植株，进行定植，即把番茄秧苗栽到温室中并进行标记。

2、采集数据，自定植当天起开始第一次对3～5株样本植株上着生的叶片数、穗数进行观测记录，长度达到或超过2cm的叶片均要记录，以后每间隔7～10天进行样本植株的观测记录，直至自下向上第十穗果成熟或番茄植株死亡为止；

3、进行节点最大出现速率的计算，

首先进行第n-1次观测到第n次观测期间的节点出现速率的计算：①先计算第n次观测的植株节点数减去第n-2次观测的植株节点数所得的差值，用该差值除以第n次观测到第n-2次观测的间隔天数，所得的比值称为速率_n～n-2；②再计算第n+1次观测的植株节点数减去第n-1次观测的植株节点数所得的差值，用该差值除以第n+1次观测到第n-1次观测的间隔天数，所得的比值称为速率_n+1～n-1；③则速率_n～n-2与速率_n+1～n-1的平均值即为第n-1次观测到第n次观测期的节点出现速率。

将各个观测时期的新节点出现速率比较，从中选出最大的值即为节点最大出现速率(Initrate)；

4、建立叶片衰老与环境温度间对应关系

根据试验中活体植株观测结果，在自下而上第8穗果出现后，第一穗果下部叶片开始衰老或因果实采收而被摘掉。叶片衰老的速率与温室内日平均气温及叶片所处的年龄级有关：

当叶片所处年龄级小于8时，叶片不衰老，当叶片所处年龄级达到或超过8时，叶片的衰老速度与最下部叶片的衰老程度及温室的日平均气温有关。因此我们提出这样一个方法来确定叶片的衰老速率(P_L(T，i，ageclass))与环境温度(T)之间的对应关系：

式中：i——年龄级；

ageclass——植株当前总的年龄级数；

PL——最下部叶片每天衰老的数量片·株^-1·天^-1，取值为0.068。

5、建立番茄叶片形成模拟模型，即确定每个年龄级叶片数的净变化率：

①、确定第1个年龄级的叶片个数净变化速率

由这一年龄级叶片的出现速率减去进入叶片下一个年龄级的速率得出：

$\frac{{\mathrm{dN}}_L\left(1\right)}{\mathrm{dt}}=\mathrm{INIT}/(1+\mathrm{TPL})\×\mathrm{DENS}-r_L\left(T\right)\×N_s\left(1\right)$

式中：

N_L(1)——为第1年龄级的每平方米叶片数；

N_S(1)——为第1年龄级的每平方米茎节数

r_L(T)——在CO₂浓度为350ppm时温度为T度时的叶片最大发育速率(1/d)

INIT是受每天的温度和CO₂浓度影响而模拟出的每株结点出现速率。即

INIT＝INITRAT×F_n(T)

其中，INITRAT——节点最大出现速率。

Fn(T)-温度函数，当温度超出植物生长发育适宜温度范围时，该函数可降低节点出现速度；可以用下式计算表示：

$F_n\left(T\right)=\left(\frac{T_{\max }-T}{T_{\max }-T_{\mathrm{opt}}}\right){\left(\frac{T-T_{\min }}{T_{\mathrm{opt}}-T_{\min }}\right)}^{\left(\frac{T_{\mathrm{opt}}-T_{\min }}{T_{\max }-T_{\mathrm{opt}}}\right)}$

其中Tmin、Topt、Tmax分别为番茄生长的最低温度、最适温度和最高温度，分别为10.0、28.0和45.0℃。

②确定每个年龄级叶片数的净变化率dN_L(i)/dt：

$\frac{{\mathrm{dN}}_L\left(i\right)}{\mathrm{dt}}=r_L\left(T\right)\×N_L(i-1)-r_L\left(T\right)\×N_L\left(i\right)-P_L(T,i,\mathrm{ageclass})(i>1)$

式中：

P_L(T，i，ageclass)——叶片衰老函数，与温室内日平均气温、所处的年龄级有关。

N_L(i-1)，N_L(i)——分别为处于第i-1、第i年龄级的叶片数。其它符号的意义同上。

6、根据模拟的叶片数，进行打老叶管理，即根据给定一个确定的定植日期后，根据番茄秧苗定植的密度，温室每天的日平均气温就可以按在计算机上模拟出定植后任意一天的番茄植株上的叶片数，在实际生产中根据不同时期模拟出的叶片数对番茄进行日常打老叶管理，即对植株上所承担的叶片数大于模拟的叶片数时，及时打掉最下面的老叶，增加日光温室栽培番茄群体的通风透光性能、减少这些衰老叶片对光合物质的消耗；如果发现实际生产中番茄植株叶片数小于模拟结果时，启动环境调控装置使温室增温，加快番茄的生长发育进程。

本发明的积极效果：根据北方日光温室内栽培番茄试验结果提出的番茄植株叶片数的模拟方法，确定了番茄叶片衰老与环境温度的对应关系，应用具有广泛的适应性。根据模拟模型的输出结果与温室环境控制管理及栽培管理方法相结合，为环境控制和番茄栽培管理提供了保证。此方法适用于北方日光温室的大果长季节栽培番茄品种。

附图说明

图1是关于番茄年龄级、节点、叶片、果穗的示意图。

具体实施方式

本发明提供的方法具体内容如下，见图1：

1、固定样本，在温室田间定植一定数量的植株(将番茄秧苗栽培在温室中)采用高畦起垄栽培，定植株距为40cm，大行距为80cm，植株定植密度为4.17株·m^-2。在温室中选取长势一致的植株20棵进行标记(防止生长期间样本生长异常或死亡)。

2、采集数据，自定植当天起开始第一次对3～5株样本植株上着生的叶片数、穗数进行观测记录，长度达到或超过2cm的叶片均要记录，以后每间隔7～10天进行样本植株的观测记录，直至自下向上第十穗果成熟或番茄植株死亡为止；

3、进行节点最大出现速率的计算：节点是叶片、果穗在植株茎上的生长点，节点数是叶片数与果穗数之和。

1)计算第1次观测至第2次观测期间的节点出现速率：

用第3次观测的植株节点数减去第1次观测的植株节点数所得的差值，除以第3次观测到第1次观测的间隔天数；所得的比值即为第1次观测至第2次观测期间的节点出现速率，称为速率1～2；

2)计算第n-1次观测到第n次观测期的节点出现速率(3≤n≤m-1，m为观测总次数)：

①用第n次观测的植株节点数减去第n-2次观测的植株节点数所得的差值，除以第n次观测到第n-2次观测的间隔天数，所得的比值称为速率_n～n-2；

②再用第n+1次观测的植株节点数减去第n-1次观测的植株节点数所得的差值，除以第n+1次观测到第n-1次观测的间隔天数，所得的比值称为速率_n+1～n-1；

③则速率_n～n-2与速率_n+1～n-1的平均值即为第n-1次观测到第n次观测期的节点出现速率，称为。速率_n-1～n。

3)计算倒数第二次观测到最后一次观测期的节点出现速率：

用最后一次观测的植株节点数减去倒数第三次观测的植株节点数所得的差值；除以最后一次观测到倒数第三次观测的间隔天数；所得的比值即为倒数第二次观测至最后一次观测期间的节点出现速率。

在上述各个观测时期的新节点出现速率，从中选出最大的值即为节点最大出现速率(Initrate)。

4、建立叶片衰老与环境温度间对应关系

根据试验中活体植株观测结果，一般在自下而上第8穗果出现后，第一穗果下部叶片开始衰老，叶片衰老的速率与温室内日平均气温及叶片所处的年龄级有关：

当叶片所处年龄级小于8时，叶片不衰老，当叶片所处年龄级达到或超过8时，叶片的衰老速度与最下部叶片的衰老程度及温室的日平均气温有关。因此我们提出这样一个方法来确定叶片的衰老速率(P_L(T，i，ageclass))与环境温度(T)之间的对应关系：

式中：i——年龄级；

ageclass——植株当前总的年龄级数；

PL——最下部叶片每天衰老的数量片·株^-1·天^-1，取值为0.068。

5、建立番茄叶片形成模拟模型，即确定每个年龄级叶片数的净变化率：

番茄植株叶片数量的变化用叶片的出现、脱落以及生理发育指数来表示。叶片出现速率受温度影响，较高浓度的CO₂对叶片出现速率也有一定的调节作用。在第一果穗出现以前新叶出现速率等于节点出现的速率，而后减小为节点出现速率乘以1/(1+TPL)，其中TPL是主茎上每片叶担负的果穗数(平均为0.33)。当新叶片出现时，它的个数(No.·m^-2)、初始质量(g·m^-2)、叶面积(m²leaf·m^-2)要加到第一年龄级的相应状态变量中。

①、确定第1个年龄级的叶片个数净变化速率

由这一年龄级叶片的出现速率减去进入叶片下一个年龄级的速率得出：

$\frac{{\mathrm{dN}}_L\left(1\right)}{\mathrm{dt}}=\mathrm{INIT}/(1+\mathrm{TPL})\×\mathrm{DENS}-r_L\left(T\right)\×N_s\left(1\right)$

式中：

N_L(1)——为第1年龄级的每平方米叶片数；

N_S(1)，N_L(1)，N_F(1)——分别为第1年龄级的每平方米茎、叶、果节数

rL(T)——在CO₂浓度为350ppm时温度为T度时的叶片最大发育速率(1/d)

INIT是受每天的温度和CO₂浓度影响而模拟出的每株结点出现速率。即

INIT＝INITRAT×F_n(T)

其中，INITRAT——节点最大出现速率。

Fn(T)-温度函数，当温度超出植物生长发育适宜温度范围时，该函数可降低节点出现速度；可以用下式计算表示：

$F_n\left(T\right)=\left(\frac{T_{\max }-T}{T_{\max }-T_{\mathrm{opt}}}\right){\left(\frac{T-T_{\min }}{T_{\mathrm{opt}}-T_{\min }}\right)}^{\left(\frac{T_{\mathrm{opt}}-T_{\min }}{T_{\max }-T_{\mathrm{opt}}}\right)}$

其中Tmin、Topt、Tmax分别为番茄生长的最低温度、最适温度和最高温度，分别为10.0、28.0和45.0℃。

②确定每个年龄级叶片数的净变化率dN_L(i)/dt：

输入第一年龄级后，叶片的数量通过年龄级的连续变化而变化，年龄级与叶片的发育速率有关，而叶片的发育速率与温度和CO₂浓度有关。植株重量和叶面积也通过年龄级的变化而变化，每天内的新增重量和叶面积都当新生长量加到每个年龄级。当叶片成熟时(最老的年龄级)以及叶片被严重遮荫时(LAI超过LAImax)出现叶片脱落。每个年龄级叶片数的净变化率dN_L(i)/dt按下面的公式表示：

$\frac{{\mathrm{dN}}_L\left(i\right)}{\mathrm{dt}}=r_L\left(T\right)\×F\left(C\right)\×N_L(i-1)-r_L\left(T\right)\×F\left(C\right)\×N_L\left(i\right)-P_L(T,i,\mathrm{ageclass})(i>1)$

式中：

P_L(T，i，ageclass)——叶片衰老函数，与温室内日平均气温、所处的年龄级有关。

N_L(i-1)，N_L(i)——分别为处于第i-1、第i年龄级的叶片数。其它符号的意义同上。

对最后一个年龄级而言，叶的净变化率用叶片衰老函数的相反数表示。

6、根据模拟的叶片数，进行打老叶管理。当给定一个确定的定植日期后，根据番茄秧苗定植的密度，温室每天的日平均气温就可以根据本发明提出的方法编程后在计算机上模拟出定植后任意一天的番茄植株上的叶片数，在实际生产中可根据不同时期模拟出的叶片数进行番茄的日常打老叶的生产管理，如实际上植株上所承担的叶片数大于模拟的叶片数时，即使最下面的多出的叶片尚未完全变黄，但也应按照模拟的结果及时打掉最下面的老叶，增加日光温室栽培番茄群体的通风透光性能、减少这些衰老叶片对光合物质的消耗，达到提高番茄产量和提高番茄品质的目的。

如果发现实际生产中番茄植株叶片数小于模拟结果时，则生产者可以即刻意识到是环境中影响番茄生长的主要因素温度偏低或昼夜温差小所至，而立刻启动环境调控装置使温室增温或增大昼夜温差，加快番茄的生长发育进程，实现番茄生产上市按计划进行，实现提高经济效益的目的。

通过模拟模型的运行结果，可提前知道番茄植株会在何时到达哪一个发育时期，从而将各个时期番茄对温室环境的要求条件提前输入到温室环境控制设备的参数库中，优化了环境设备对温室环境如温度、湿度的调控，从而使日光温室内的番茄可以在一个比较适宜的环境中生长发育，实现高产优质栽培的目的。

应用实例：2005年11月2日定植番茄。采用高畦起垄栽培，定植株距为40cm，大行距为80cm，植株定植密度为4.17株·m^-2。模拟起始日期为2005年11月2日，模拟终止日期为2006年7月31日。模拟到4月30日时，模型输出的叶片数结果是26片·株^-1，当天实际生产中是28片·株^-1，因此要求工人立刻进行打掉植株最下面的两片老叶。以利于番茄植株群体的通风透光、降低温室的湿度，实现获得高产的生长条件。

Claims (1)

1.一种建立日光温室长季节栽培番茄植株叶片数模型用于控制番茄长势的方法，其特征是：

A、固定样本，在温室田间确定一定数量的植株，进行定植，即把番茄秧苗栽到温室中并进行标记；

B、采集数据，自定植当天起开始第一次对3～5株样本植株上着生的叶片数、穗数进行观测记录，长度达到或超过2cm的叶片均要记录，以后每间隔7～10天进行样本植株的观测记录，直至自下向上第十穗果成熟或番茄植株死亡为止；

C、进行节点最大出现速率的计算，

1）计算第1次观测至第2次观测期间的节点出现速率：

用第3次观测的植株节点数减去第1次观测的植株节点数所得的差值，除以第3次观测到第1次观测的间隔天数；所得的比值即为第1次观测至第2次观测期间的节点出现速率；

2）计算第n-1次观测到第n次观测期间的节点出现速率：

①先计算第n次观测的植株节点数减去第n-2次观测的植株节点数所得的差值，用该差值除以第n次观测到第n-2次观测的间隔天数，所得的比值称为速率_n～n-2；②再计算第n+1次观测的植株节点数减去第n-1次观测的植株节点数所得的差值，用该差值除以第n+1次观测到第n-1次观测的间隔天数，所得的比值称为速率_n+1～n-1；③则速率_n～n-2与速率_n+1～n-1的平均值即为第n-1次观测期到第n次观测期的节点出现速率；

3）计算倒数第二次观测期到最后一次观测期的节点出现速率：

用最后一次观测的植株节点数减去倒数第三次观测的植株节点数所得的差值；除以最后一次观测到倒数第三次观测的间隔天数；所得的比值即为倒数第二次观测至最后一次观测期间的节点出现速率；

将各个观测时期的节点出现速率比较，从中选出最大的值即为节点最大出现速率INITRAT；

D、建立叶片衰老与环境温度间对应关系，

根据试验中活体植株观测结果，在自下而上第8穗果出现后，第一穗果下部叶片开始衰老或因果实采收而被摘掉；叶片衰老的速率与温室内日平均气温及叶片所处的年龄级有关：

当叶片所处年龄级小于8时，叶片不衰老，当叶片所处年龄级达到或超过8时，叶片的衰老速度与最下部叶片的衰老程度及温室的日平均气温有关；叶片的衰老速率P_L（T，i , ageclass）与环境温度T之间的对应关系：

式中： P_L（T，i , ageclass）——叶片的衰老速率；

T——环境温度；

i——年龄级；

ageclass——植株当前总的年龄级数；

PL——最下部叶片每天衰老的数量片·株^-1·天^-1，取值为0.068；

E、 建立番茄叶片形成模拟模型，即确定每个年龄级叶片数的净变化率：

①、确定第1个年龄级的叶片个数净变化速率：

由这一年龄级叶片的出现速率减去进入叶片下一个年龄级的速率得出：

$\frac{{\mathrm{dN}}_L\left(1\right)}{\mathrm{dt}}\mathrm{INIT}1(1+\mathrm{TPL})\×\mathrm{DENS}-r_L\left(T\right)\×N_s\left(1\right)$

式中：

——第1个年龄级的叶片个数净变化速率；

N_L(1)——为第1年龄级的每平方米叶片数；

N_S(1)——为第1年龄级的每平方米茎节数；

r_L(T)——在CO₂浓度为350ppm时温度为T度时的叶片最大发育速率；

TPL——主茎上每片叶担负的果穗数；

INIT 是受每天的温度和CO₂浓度影响而模拟出的每株结点出现速率；

INIT=INITRAT×F_n(T)

式中：INITRAT——节点最大出现速率；

Fn(T)——温度函数，当温度超出植物生长发育适宜温度范围时，该函数降低节点出现速度；用下式计算表示：

$F_n\left(T\right)=\left(\frac{T_{\max }-T}{T_{\max }-T_{\mathrm{opt}}}\right){\left(\frac{T-T_{\min }}{T_{\mathrm{opt}}-T_{\min }}\right)}^{\left(\frac{T_{\mathrm{opt}}-T_{\min }}{T_{\max }-T_{\mathrm{opt}}}\right)}$

其中Tmin、Topt、Tmax 分别为番茄生长的最低温度、最适温度和最高温度，分别为10.0、28.0和45.0℃；

②确定每个年龄级叶片数的净变化率：

$\frac{{\mathrm{dN}}_L\left(i\right)}{\mathrm{dt}}=r_L\left(T\right)\×N_L(i-1)-r_L\left(T\right)\×N_L\left(i\right)-P_L(T,i,\mathrm{ageclass})$

式中：i>1

式中：dN_L(i)/dt为第i个年龄级的叶片个数净变化速率;

P_L（T，i，ageclass）——叶片衰老速率，与温室内日平均气温、所处的年龄级有关；

N_L（i-1），N_L（i）——分别为处于第i-1、第i年龄级的叶片数；

其它符号的意义同上；

F、根据模拟的叶片数，进行打老叶管理，即根据给定一个确定的定植日期后，根据番茄秧苗定植的密度，温室每天的日平均气温就能按在计算机上模拟出定植后任意一天的番茄植株上的叶片数，在实际生产中根据不同时期模拟出的叶片数对番茄进行日常打老叶管理，即对植株上所承担的叶片数大于模拟的叶片数时，及时打掉最下面的老叶，增加日光温室栽培番茄群体的通风透光性能、减少这些衰老叶片对光合物质的消耗；如果实际生产中番茄植株叶片数小于模拟结果时，启动环境调控装置使温室增温，加快番茄的生长发育进程。

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