中国蔬菜生长模型研究进展.pdf

应用生态学报 Chinese Journal of Applied Ecology ISSN 1001 9332 CN 21 1253 Q 应用生态学报 网络首发论文 题目 中国蔬菜生长模型研究进展 作者 伍袁泉 赵闯 王若诗 王茜 丛佳慧 杨晓光 冯利平 DOI 10 13287 j 1001 9332 202412 015 收稿日期 2024 06 04 网络首发日期 2024 10 22 引用格式 伍袁泉 赵闯 王若诗 王茜 丛佳慧 杨晓光 冯利平 中国蔬菜生长模 型研究进展 J OL 应用生态学报 https doi org 10 13287 j 1001 9332 202412 015 网络首发 在编辑部工作流程中 稿件从录用到出版要经历录用定稿 排版定稿 整期汇编定稿等阶 段 录用定稿指内容已经确定 且通过同行评议 主编终审同意刊用的稿件 排版定稿指录用定稿按照期 刊特定版式 包括网络呈现版式 排版后的稿件 可暂不确定出版年 卷 期和页码 整期汇编定稿指出 版年 卷 期 页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件 录用定稿网络首发稿件内容必须符合 出 版管理条例 和 期刊出版管理规定 的有关规定 学术研究成果具有创新性 科学性和先进性 符合编 辑部对刊文的录用要求 不存在学术不端行为及其他侵权行为 稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑 出版的技术标准 正确使用和统一规范语言文字 符号 数字 外文字母 法定计量单位及地图标注等 为确保录用定稿网络首发的严肃性 录用定稿一经发布 不得修改论文题目 作者 机构名称和学术内容 只可基于编辑规范进行少量文字的修改 出版确认 纸质期刊编辑部通过与 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社有限公司签约 在 中国 学术期刊 网络版 出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版 以单篇或整期出版形式 在印刷 出版之前刊发论文的录用定稿 排版定稿 整期汇编定稿 因为 中国学术期刊 网络版 是国家新闻出 版广电总局批准的网络连续型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以签约期刊的网络版上网络首 发论文视为正式出版 应用生态学报 中国蔬菜生长模型研究进展 1 伍袁泉 赵 闯 王若诗 王茜 丛佳慧 杨晓光 冯利平 中国农业大学资源与环境学院气象系 北京 100193 通信作者 E mail zhaochuang 摘要 蔬菜生长模型作为在不同环境下预测作物生产力的重要工具 不仅能动态模拟蔬菜生长发育的基本过程 还能 反映不同环境因子 管理措施对各个过程的影响 国外学者自 20 世纪 80 年代开始研究蔬菜生长模型 包括温室黄 瓜 番茄 甜椒 洋葱等主要蔬菜作物 但国内蔬菜模型发展历史和进程尚不明确 本 文综述了我国蔬菜模型研究发 展历史 国内蔬菜模型的研究起步较晚 但近年来发展较快 从最初对国外现有模型进行验证和拓展到基本实现了蔬 菜模型的本土化 过程化和综合化 但是 目前国内模型依然存在普适性差 设施环境模拟性能不足 模型开发缺乏 统一标准 针对蔬菜栽培管理措施的模拟考虑较少 蔬菜的品质模拟机理性不强等问题 未来研究需要兼顾模型复杂 性和较高的准确性 普适性及机理性 关键词 蔬菜 模型模拟 生长发育 产量与品质 DOI 10 13287 j 1001 9332 202412 015 Research advance on vegetable growth models in China WU Yuanquan ZHAO Chuang WANG Ruoshi WANG Xi CONG Jiahui YANG Xiaoguang FENG Liping Department of Meteorology College of Resources and Environment China Agricultural University Beijing 100193 China Abstract Vegetable growth models serve as crucial tools for predicting crop productivity under various environments They not only dynamically simulate the basic processes of vegetable growth and development but also reflect the impact of different environmental factors and management practices on these processes Foreign scholars began researching vegetable growth models in the 1980s including greenhouse cucumbers tomatoes bell peppers onions and other major vegetable crops However the history and progress of domestic vegetable model development in China are not yet clear We reviewed the history of vegetable model research development in China which started relatively late but had developed rapidly in recent years It has evolved from initially verifying and expanding existing foreign models to essentially achieving localization process oriented and integration of vegetable models Nevertheless domestic models still face issues such as poor universality insufficient simulation performance in facility environments lack of unified standards for model development limited consideration of simulation for vegetable cultivation management practices and weak mechanistic simulation of vegetable quality Future research needs to balance complexity with high accuracy universality and mechanistic understanding while developing models Key words vegetable model simulation growth and development yield and quality 蔬菜作为 人们 日常膳食的重要组成部分 富含多种维生素和膳食纤维 对人体健康至关重要 我 国是蔬菜生产大国 自 2011 年起 蔬菜产量已超过粮食产量并成为 我国第一大农产品 同时全国蔬 菜供给由生产总量供应不足逐步发展到周年供应趋于平衡 1 随着生活水平的不断提高 人们对蔬菜 的需求量和品质要求也越来越高 因此 深入探索提升蔬菜产量与品质的途径 确保蔬菜的全年均衡 供应以及实现其生产的可持续发展 成为了关乎国家粮食安全与国民健康安全的重大议题 蔬菜生长 模型作为精确管理蔬菜生产的有力工具 对蔬菜生产具有重要的理论指导意义和应用价值 收稿日期 2024 06 04 基金项目 国家自然科学青年基金项目 42201032 和拼多多 中国农业大学研究基金项目 PC2023B01004 资助 作者简介 伍袁泉 女 2003 年生 本科生 主要从事作物模型研究 E mail 2021303090419 网络首发时间 网络首发地址 2024 10 22 11 46 55 2 应用生态学报 蔬菜生长模型是综合利用数学建模和计算机技术 对不同环境和管理措施下的蔬菜生长发育相关 的生理生态过程进行动态定量模拟和预测的数学模型 它 注重 对蔬菜的生长发育 光合生产 产量形 成等过程及其与环境生态因子的关系进行概括和数量分析 不仅能将 蔬菜 生长机理与实际生产相结 合 还能为农业生产提供科学的指导 以优化栽培管理措施和提高蔬菜的产量及品质 与此同时 蔬 菜生长模型作为实现精准农业的重要手段 可以对蔬菜产量进行预测 进而为市场供应 价格波动和 供应链管理提供信息支持 随着科技的不断发展 模型可以与遥感 GIS 物联网等技术相结合 形 成一个综合的精准农业管理系统 以实现田间管理的自动化和智能化 在 全球气候变化 的大背景下 聚焦蔬菜生长发育研究 有助于 了解不 同蔬菜对不同气候的适应性 为不同地区的蔬菜种植选种 及评估 气候变化对蔬菜生长的影响 提供参考 近年来 气候智能型农业应运而生 我国不断强化顶层设计 在 2022 年发布 国家适应气候变化战略 2035 2 明确了发展气候智能型农业的一系列措施并出台 相关政策 因此 研究蔬菜生长模型对提高我国农业应对气候变化的能力 推动农业 绿色低碳转型 和 可持续 发展 具有重要意义 目前有关我国蔬菜生长模型的研究综述较少 这也限制了蔬菜生长模型研究 成果的广泛传播与深入交流 本文通过系统梳理国内有关蔬菜生长模型的研究文献 明确了我国蔬菜生 长模型的发展进程与研究现状 并提出了现有模型存在的问题以及未来的发展方向 以期为推动蔬菜生 长模型研究的深入发展 指导农业生产实践 促进农业信息化与智能化发展提供参考 1 我国蔬菜生长模型研究进展及现状 自 20 世纪 90 年代末 以来 我国学者通过借鉴国外已有的模型并结合国内 实际生产环境和 条件 在蔬菜生长模型的研究上取得了丰 硕 的成果 21 世纪初 以南京农业大学为代表的研究团队开发了 番茄 黄瓜 甜瓜 甜椒等温室蔬菜的生长模型 之后西北农林科技大学 石河子大学 山西农业大 学 沈阳农业大学等也开展了相关模型的研究工作 随着数据获取技术 人工智能和物联网技术的不 断进步 我国的蔬菜生长模型研究也在不断深入 具体来讲 国内对蔬菜生长模型的研究主要包括 对 生育期进程的模拟 干物质生产与分配的模拟 产量 形成和品质形成 的模拟 其发展历史如图 1 所 示 图 1 中国蔬菜生长模型各模块发展历史 Fig 1 Development history of each module of vegetable growth models in China 伍袁泉等 中国蔬菜生长模型研究进展 3 1 1 生育期进程 生育期是指 蔬菜 从出苗到成熟 或收获 所经历的时间 对于蔬菜生育期的模拟 在 20 世纪 90 年代 末 李萍萍等 3 借鉴 国外 MACROS 模型 4 的研究思路 以生菜生长发育过程中的生长速率为基础 构建了用于模拟温室生菜生长动态及其生产潜力的模型 该模型 对生菜抽苔期预测的精确度较高 预 测结果与实际抽苔期仅差 1 d 21 世纪初 我国学者通过借鉴国外的有效积温法 5 对温室蔬菜的生育 期开展研究 有效积温法是将 蔬菜 的发育速率与有效积温 看 作线性相关 利用累积生长度日来表示 蔬 菜 各个生育阶段 6 这也是最常用的方法 其计算公式为 1 式中 GDD 为有效积温 Td 为日平均温 度 Tb 为所研究蔬菜的发育基点温度 且 Td Tb 利用有效积温法 徐刚等 7 建立了温室长季节栽培番茄发育动态模拟模型 施泽 平等 8 建立了温室甜瓜发育的动态模拟模型 谢祝捷等 9 建立了温室黄瓜发育速率模型 虽然有效积 温法的计算公式简单且输入参数少 但 也存在 不足之处 温度与蔬菜的发育速率并非一直呈线性关 系 实际上在最佳温度范围内 温度与发育速率之间的关系呈 S 型曲线 10 蔬菜对温度的敏感性并 非恒定不变 该方法只考虑温度而忽略了光周期对蔬菜生长的影响 因此 其 普适性较差 只有 在光 温变化同步的条件下模拟效果较好 11 13 为进一步考虑温度和光照对蔬菜生长的影响 生理发育时间法被用于模拟更复杂的生育期进程 为预测蔬菜各个阶段的发育提供了一个新的角度 生理发育时间是指 蔬菜 在最适的光温条件下完成某 一生育阶段所需要的时间 14 基于生理发育时间 我国学者先后建立了温室番茄 14 温室网纹甜 瓜 15 温室黄瓜 16 温室茄子 17 等 蔬菜的 生育期模拟模型 模拟精度相较于有效积温法得到了显著 提升 以李永秀等 16 基于生理发育时间所建立的温室黄瓜生育期模拟模型为例 生理发育时间 PDT 可由每日相对生理发育效应 RPDE 累积获得 2 RPDE 在幼苗前和开花后不受光周期的影响 仅由每日相对热效应 RTE 决定 自幼苗后到开花 前 RPDE由 RTE与每日相对光周期效应 RPE 共同决定 即 3 式中 GER 为播种到幼苗时所需要累积的生理发育时间 d FLO 为从播种到开花时所需要累积 的生理发育时间 d 自 21 世纪 10 年代起 我国模拟蔬菜生育期 研究 取得了显著进展 研究方法不仅多样化且持续深 化 表 现出本土化 和 复杂化的趋势 这一时期 研究者们 不断 创新 研究 方法 如李萍萍 等 18 采用正弦 指数函数法成功构建了温室黄瓜生育期的精准预测模型 标志着模型构建技术的初步飞跃 随后 Wang 等 19 聚焦于环境温度对 蔬菜 发育速率的直接影响 引入生理发育时间概念 优化了番茄生长发 育的模拟模型 进一步提升了模型的实用性 李彭丽等 20 为考虑温度变化对蔬菜生长的影响并准确描 述在超过生长适宜温度情况下温度对蔬菜生长发育的影响 构建了以累积热量单位为衡量尺度的甜瓜 幼苗发育期模拟模型 进入 21 世纪 20 年代 蔬菜模型 研究迈向了新高度 钟模型作为一种先进的 模 拟工具被引入 到 温室蔬菜生育期预测中 程陈等 21 利用钟模型针对温室黄瓜的生长发育特性 建立了 更为精细的模拟模型 展现了钟模型在复杂环境条件下的强大适应性 温永菁 22 将钟模型应用于温室 番茄的模拟 进一步验证了其在不同蔬菜种类中的广泛应用潜力 牛宁等 23 用钟模型 生理发育时间 法和有效积温法对日光温室樱桃番茄的动态发育过程进行模拟 结果表明 钟模型在提升樱 桃番茄生 育期 模拟的准确性和适应性方面具有独特优势 为温室蔬菜生育期模拟研究开辟了新的路径 这一系 列研究成果不仅丰富了我国在该领域的理论体系 也 为实际农业生产提供了强有力的科技支撑 4 应用生态学报 近年来 我国学者 对蔬菜生长及其与环境的关系进行了深入研究 从单个因子的基本过程发展到 多因子综合的小气候模型 不仅 聚焦于非正常环境条件下的蔬菜生育期研究 还在模型构建中引入了 微气候适宜度指数 24 可以更加全面 直观地描述多种气候因子对蔬菜生长速率的影响 高若星 等 25 为准确描述寡日照天气条件对设施番茄生长的影响 利用 EPIC 模型中的作物生长模块 开发了 寡日照条件下设施番茄生长模型 Zhu 等 26 利用生理发育时间法 辐热积法和有效积温法构建了不同 氮素水平 下的辣椒生育期模拟模型 结果表明 以生理发育时间为指标建立的模型是模拟不同氮素水 平下辣椒生育期的最佳模型 1 2 干物质生产与分配 干物质的生产和分配是蔬菜产量形成的重要物质基础 叶面积指数作为蔬菜生长过程中的一个重 要生理参数 与光合生产 干物质的分配等过程密切相关 叶面积指数通常是指单位地表面积上单面 叶片的面积之和 27 通过合理调控叶面积指数可以促进干物质的生产和合理分配 21 世纪 00 年代初 期 我国学者通过借鉴国外的积温法和比叶面积法对温室番茄 28 温室黄瓜 29 进行 了 叶面积指数的 模拟 积温法是通过建立叶面积与生育期的函数来进行叶面积指数模拟 30 该方法的模型简单且参数 较少 但是它只考虑温度而忽略辐射对叶面积的影响 因此 在光温同步变化的大田条件下的模拟效 果较好 31 而比叶面积法的机理性更强 它是利用叶干重与比叶面积的乘积来模拟叶面积 但 其 只适 合在水肥不受限制的条件下使用 且只能破坏性取样 32 为突破积温法和比叶面积法的局限性 并综合考虑温度和光合有效辐射对作物发育的影响 李永 秀等 33 将 辐热积 热效应与光合有效辐射的乘积 引入温室蔬菜的叶面积指数模拟研究中 进 而利 用辐热积对温室黄瓜叶面积进行模拟 并与传统的积温法和比叶面积法得到的结果进行对比 结果表 明 辐热积法在预测精度上有较大的优势 显著提升了模型的准确性 实用性和机理性 在该模型中 辐热积 TEP MJ m 2 可由每日相对辐热积 RTEP MJ m 2 d 1 累积获得 即 4 5 式中 RTEi为一天内第 i 小时的平均相对热效应 无量纲 PARi为一天内第 i 小时的平均光合 有效辐射 J m 2 s 1 3600 和 106为单位换算系数 此 后 辐热积法在模拟温室番茄 30 温室网纹甜瓜 15 的叶面积指数上得到广泛运用 虽然辐热 积法相较于积温法和比叶面积法在模型的机理性和准确性上有所改进 但在不同品种和地点的适用性 上仍存在限制 为了进一步完善这一方法 并提高模型的普适性 需要深入研究光温条件如何影响温室 蔬菜叶片的出生速率和伸展速率 30 2010 年 徐蕊等 34 提出了温室作物叶面积指数的光温模型 并 应用在温室黄瓜和甜椒的叶面积指数模拟上 该模型将冠层截光率作 为 节间发育率的函数 并根据特 定叶片的大小和伸长速率来预测叶面积指数 可以更好地预测不同纬度 不同种植密度 和修剪措施下 温室作物的叶面积指数 但在实际生产中 经常会通过施肥来促进蔬菜的生长发育 定量分析施肥量 对蔬菜叶面积指数的影响对优化施肥管理 保护农田生态环境具有重要意义 岳延滨等 35 构建了不同 氮素水平下辣椒叶面积指数动态模型 结果表明 施氮水平可以改善辣椒的冠层光合结构 增大有效 光合面积 这也为优化辣椒栽培管理提供了理论依据 随着先进的光学仪器和 BP 神经网络 36 在叶面 积指数测定中的广泛应用 高精度的数据促进了蔬菜叶面积指数模拟模型 的 准确性和机理性 从而更 准确地模拟蔬菜对光能的捕获与利用 模拟蔬菜 干物质生产的方法 可 分为两类 一类是基于 植株干物质形成过程与环境因子的 经验回归 模型 另一类是以光合作用为驱动的干物质生产模型 37 国内在实际生产上使用 第一种方法 较多 雷 波 38 利用 Logistic 方程构建了基于辐热积的水培生菜干物质生产模拟模型 李建明等 39 基于干物质生 产与生长度日的自然指数关系构建了温室甜瓜幼苗的干物质生产回归模型 这种方法相对简单且参数 少 但由于是经验性模型 其 机理性 和可解释性 较弱 在以光合作用为驱动的干物质生产模型中 主 要通过计算冠层光合作用所生产的同化物积累量和呼吸作用 的消耗量 进而得出干物质的生产量 37 伍袁泉等 中国蔬菜生长模型研究进展 5 即 6 式中 W 为干物质增长速率 kg hm 2 d 1 DTGA 为一天内该蔬菜的总光合量 kg CO2 hm 2 d 1 RM 为植物体维持呼吸消耗量 kg CO2 hm 2 d 1 RG 为生长呼吸消耗量 kg CO2 hm 2 d 1 ASRQ 为 CH2O 转化为干物质时的转化系数 kg CH2O kg 1 30 44 为光合产物由 CO2转化为 CH2O 的分子量转化系数 从 21 世纪 00 年代中期开始 我国学者通过将 已建立的叶面积指数模拟模型 与 以光合作用为驱动 的蔬菜生长模型相结合 构建了适合我国温室生产条件的温室番茄 30 温室黄瓜 33 温室甜椒 40 等 干物质生产模型 不仅实现了模型的本土化 还为进一步模拟其产量形成奠定 了 基础 近 15 年来 鉴于上述研究没有考虑到水分和养分对蔬菜干物质生产的影响 为进一步提高模型的机理性和普适 性 研究者在模型中融入了水分和氮素的响应模块 如 徐蕊 41 构建了温室黄瓜干物质生产对叶片含氮 量响应的模拟模型 王新等 42 建立了滴灌加工番茄的干物质生产与积累的模拟模型 为我国 干旱地区 准确预测加工番茄的产量提供 了 科学性的指导 王泽鹏等 43 提出了不同氮水平下的日光温室茄子干物 质积累模型 可以实现对日光温室茄子干物质积累量的动态预测 干物质的分配是同化物通过运输路径从源器官流动到汇器官的最终结果 44 直接影响到 蔬菜 的产 量形成 早在 1980 年代 蒋先明 45 研究了蔬菜产量形成过程中的源库关系 这对如何利用源库关系 来调控蔬菜的产量形成具有重 要的生产 意义 21 世纪初 李灵芝等 46 对温室番茄的干物质分配规律 开展 了 相关研究 21 世纪 00 年代中后期 研究者 通过引进国外的分 配指数法 47 模拟 了 温室番茄 48 温室黄瓜 49 和温室甜瓜 50 的干物质分配 以倪纪恒等 48 研究温室番茄干物质分配时用的分配指数法 为例 在利用分配指数法时通常假定光合作用产生的同化产物首先会在植物的地上部分和地下部分之 间进行分配 随后这些产物会继续在各个地上部分之间进行再分配 具体相关分配指数的计算公式 为 7 8 式中 PIS 为地上部分分配指数 PIR 为根分配指数 WSH 为地上部分干重 kg hm 2 B 为总 干物质量 kg hm 2 9 10 11 式中 PIST PIL PIF 分别为茎 叶和果实的分配指数 Ws Wl Wf 分别为茎 叶和果实的干 重 kg hm 2 随着干物质分配模型研究的不断深入 分配系数法 51 库强调节模型 52 以及 源库调节法 53 也在 国内得到推广和应用 谢祝捷等 54 利用库强调节函数建立了温室黄瓜的干物质分配模型 朱晋宇 等 55 基于源库调节法将单叶同化物生产模型与 GreenLab 模型相结合 对温室番茄的干物质生产 与 分 配进行了更为精确的 模拟 与倪纪恒等 48 基于分配指 数所建立的温室番茄干物质生产与分配模型相 比 朱晋宇等 55 构建的模型能实现单穗果实生产的动态模拟 更具机理性 分配系数法和分配指数法 的优势在于原理简单 参数少且易确定 但是也存在机理性 和 普适性较差的缺陷 37 且分配系数法更 适用于大田作物 在库强调节模型中 干物质在生长器官和果实中分配的比例是由各个器官自身的库 强所决定的 而 源库调节法强调植物本身的运输能力和库对同化产物的利用能力在植株的地下与地上 各器官之间分配过程中 的 重要性 虽然更具机理性 但也 存 在参数多 难获取且实用性弱的不足 56 因此 在 应用这些方法时需要根据具体情况权衡其优缺点 选择最适合的方法来进行模拟 21 世纪 20 年代以来 我国在蔬菜干物质分配模型的修订和研究中不仅考虑了环境因子和管理措施的影响 6 应用生态学报 还覆盖了更多的蔬菜品种 这对提高模型的应用性和普适性具有重大意义 石小虎等 57 基于辐热积研 究了不同灌水量处理下日光温室青椒 的 干物质生产与分配模型 程陈等 58 利用分配指数法对温室芹菜 建立了基于单株累积辐热积的干物质分配模拟模型 但是目前对蔬菜干物质分配的内在机理的探讨尚 不充分 这仍是 我 国蔬菜生长模型研究的薄弱环节 15 1 3 产量 形成 在实际生产中 蔬菜最终的产量和品质是 人们 关注的重点 通过模型预测出的产量结果可以为调 整生产管理措施提供指导 因此 研究蔬菜产量形成过程具有重要的科学意义和经济价值 产量形成 过程的主要研究内容 包括 预测产量构成要素 采收期 生物产量 经济产量等 对于不同外观形态的 蔬菜 研究其产量形成的相关指标也有所差异 我国学者自 20 世纪 80 年代开始研究黄瓜 59 番 茄 60 甜椒 61 白菜 62 四棱豆 63 等蔬菜的产量形成 到 21 世纪 00 年代 逐步开始建立相关的产 量形成模型 64 66 在蔬菜产量的预测方法上 倪纪恒等 48 利用收获指数法模拟 了 温室番茄的产量 收 获指数法是将干物质分配模型中求得的果实总干重乘上收获指数 harvest Index HI 得出收获的果 实干重 48 而收获指数受辐射和温度的影响 以倪纪恒等 48 建立的温室番茄产量预测模型为例 其 收获指数与累积辐热积的拟合公式如下 12 式中 HI为收获指数 TEP 为累积辐热积 MJ m 2 则收获的果实干重计算公式为 13 式中 Ydi 为第 i 天收获的果实干重 kg hm 2 Wfi 为第 i 天的果实干重 kg hm 2 在实际 生产中评估蔬菜产量往往用鲜重 因此 需要将计算出的干重转化为鲜重 计算公式如下 14 式中 Yi 为番茄第 i 天收获的果实鲜重 kg hm 2 DMC 为果实干物质含量 番茄为 0 05 在之后的研究中 收获指数法被用于模拟温室甜椒 40 温室黄瓜 49 的产量 其优势在于模型简 单 参数易获取 实用性强 但对具有多次收获过程的蔬菜 如番茄 黄瓜等易产生模拟误差 因 此 也有研究利用果实横 纵径的经验性模型来模拟果实产量 以张智优等 65 基 于果实鲜重与横 纵 径的立方值呈线性关系构建的设施番茄产量模拟模型为例 番茄果实鲜重可用以下公式计算 15 或 16 式中 M 为果实鲜重 g W 为果实横径 mm H 为果实纵径 mm Rw 为果实鲜重与 果实横径立方的系数 Rh 为果实鲜重与果实纵径立方的系数 另外 产量因素构成法 也被应用于模拟 豆类蔬菜的产量形成过程 以芸豆为例 其产量构成因素包括种植密度 单株荚数 单荚粒数和百粒 重 即 17 式中 Y 为单位面积芸豆产量 kg hm 2 P 为芸豆的种植密度 株 hm 2 M 为芸豆单株荚 数 个 N 为芸豆单荚粒数 个 B 为芸豆的百粒重 g 郝曦煜等 67 为提高芸豆产量并优化 其产量形成模型 还 探究了氮 磷 钾 3 种不同施肥量对芸豆产量的单因素及互作效应 近年来 随 着深度学习和机器学习技术的快速发展 我国在 蔬菜 产量预测的模拟算法上 取得了较大 的进展 王晓 丽等 68 通过构建粒子群算法优化的支持向量机模型 成功预测了不同水肥条件下温室番茄的产量和品 质 Lin 等 69 借鉴 TOMGRO 模型和 Vanthoor 模型并综合 等 优点 经过扩展傅里叶振幅敏感性测试和 贝叶斯优化 构建了一个更合理 通用性更强的温室番茄产量预测集成模型 尹义志 等 70 通过系统地 收集和分析番茄在日光温室中的生长与产量数据发现 番茄的产量受到多种环境因素的共同影响 包 括温度 湿度 灌溉量 氮磷钾肥料施用量 CO2 浓度 和 光照强度等 为预测未来温室番茄的产量 他们将上述关键因素作为产量预测模型的输入参数 开发了一个基于小波神经网络的预测模型 Zhou 等 71 利用粒子滤波和深度神经网络提出了基于知识的三步数据驱动方法 不 仅保留了基于过程的温室 伍袁泉等 中国蔬菜生长模型研究进展 7 气候 番茄产量模型的可解释性 还提高了模型的预测精度 随着人工智能等新技术的不断涌现和数 据采集方法的不断进步 如何将蔬菜产量预测模型与 机器 在线学习相结合 实现模型的实时自动更 新 如何在简化复杂的机理模型的同时 确保模型的预测精度 这些都是未来研究中需要考虑的问 题 72 1 4 品质形成 蔬菜的品质可分为外观品质和内部品质两部分 关于蔬菜的品质模拟研究主要包括预测收获器官 的大小 形状 鲜重 色泽 营养成分等 20 世纪 90 年代 沈火林等 73 通过试验观测对生菜的品质 变化进行研究 但并没有形成品质模型 随着计算机技术和数据采集技术的发展 蔬菜的可溶性总 糖 单糖 维生素 C 蛋白质等品质形成模拟研究开始逐步深入 如张红等 74 构建了基于 Logistic 函 数的温室甜瓜果实蔗糖 柠檬酸和糖酸比的动态模拟模型 准确预测了甜瓜成熟果实的内部品质特 性 并开始在实际生产中应用 魏亦榕 75 基于生理辐热积基本原理 建立了甜瓜果实单重 横径 纵 径 果实网纹 果皮颜色等外观品质和果实可溶性固形物 维生素 C 可溶性总糖及单糖等内部品质 形成的模拟模型 滕林 76 以辐热积为尺度 构建了番茄各品质指标 的模拟模型 以张红等 74 基于 Logistic 函数构建的温室甜瓜果实糖酸积累模拟模型为例 其蔗糖积累 柠檬酸积累及糖酸比与有效 积温 日温差积的相关拟合公式如下 18 式中 Y 为果实生长发育过程中的 蔗糖积累 mg g 1 或柠檬酸积累 mg g 1 或糖酸比 X 为有 效积温或日温差积 a b c 均为常数 近十年来 我国学者通过田间试验收集了大量有关蔬菜品质形成与环境因子 管理措施之间关系 的数据 为深入了解蔬菜品质变化及其与环境因子的响应机制 模型的进一步开发与综合化发展提供 了数据基础 刘倩 77 将机器视觉方法和随机森林 RF 算法引入温室网纹甜瓜果实的外观表型特征 及内部品质模拟模型中 不仅提高了模型的模拟精度 还进一步明确了温室网纹甜瓜外部品质与内部 品质对水分的响应机制 Qin 等 78 探索了番茄果实综合品质与辐热积之间的模拟模型 可准确模拟和 量化番茄果实成熟过程中果实品质随日光温室环境条件变化的积累过程 另外 研究蔬菜成熟之后的 品质变化模型对延缓蔬菜采收后的品质劣变 优化贮藏管理具有重要意义 如程陈等 79 构建了基于标 准化胁迫积温的黄瓜采后品质模拟模型 量化分析了恒温或微弱 温度变化的贮藏环境对黄瓜果实采后 品质的影响 提高了模型的应用性 2 研究中存在的问题 过去几十年来关于 我国 蔬菜生长模型的研究已经取得了显著的进展 在模型的构建和应用方面实 现了突破 但仍然存在一些问题和挑战 2 1 模型普适性不足 现有 蔬菜生长 模型大多数都是基于特定地区 特定品种或是蔬菜的特定部位的 试 验数据建立 而 我国南 北方的光温条件存在较大差异 北方地区的黄瓜生长模型可能无法直接应用于南方高温高湿 环境 在模型的应用上 由于我国幅员辽阔 气候类型多种多样 应用的 局限性尤为突出 因此 如 何考虑复杂的气候对 蔬菜 生长发育的影响是今后改善和提高模型预测精度需要解决的关键问题 随着 基因工程 生物技术的不断发展和进步 设施蔬菜的品种和栽培方法也不断更新 因此 模型的相关 参数也需要进行相应的调整 以更好地反映实际情况 2 2 设施蔬菜的生产环境模拟性能不足 精确可靠的蔬菜生长模型包括不同生长阶段的生物参数以及与之相关的环境因素数据 在设施蔬 菜生产中 温室内的温度 湿度和光照等环境参数难以精确控制 会受外界天气变化 设备性能等因 素影响而波动 温室内外部环境因子的转化关系和模型可能并不稳定 而目前已有模型对这一问题考 虑不 足 例如 当外界气温骤降时 即使温室采取了加热 保温措施 但由于温室结构 保温材料性 8 应用生态学报 能差异及加热设备响应速度等因素的影响 温室内温度的回升可能并不如预期迅速 导致模型预测的 生长速度与实际情况出现偏差 另外 设施环境中的数据收集可能受到传感器精度 数据采集频率和 数据处理方法等多种因素的影响 使模型输入数据存在误差 给温室环境模拟模型的构建带来一定的 影响 从而导致对设施蔬菜生产环境的模拟效果较差 此外 进行蔬菜生长模型的研究需要长时间且 连续的观测 数据 这不仅需要高精度的设备和技术 还涉及设备的维护和数据的收集 整个过程往往 需要大量的人力 物力和财力投入 2 3 模型的开发缺乏统一标准 在模拟相同的种植环境和气候条件下 同一种蔬菜 时 每个学者的研究角度和研究方向都可能存在 差异 这些差异不仅体现在模型的结构和算法上 还体现在一些参数的选择和取值上 这可能会导致 模型间的可比性差 使得科研人员难以判断哪个模型能更准确地反映蔬菜的生长过程 其次 建立模 型需要田间试验的观测数据作为参考 尤其是 在蔬菜外观品质模拟研究上 不同 种类 的蔬菜有不同的 测量标准 如果模型中的某些参数或变量与实测数据中的对应项在定义 测量或计算方法上存在差 异 那么将难以判断所构建的模型是否符合蔬菜实际生长情况 这种情况也 限制了模型与其他信息技 术的有效结合 80 如精准农业 智能温室调控等 因为不同模型可能需要不同的数据接口和处理方式 才能与这些智能管理系统兼容 2 4 针对蔬菜的栽培管理措施的模拟考虑较少 在温室生产中 除了常规的施肥 灌溉等传统管理措施外 某些蔬菜 如番茄 黄瓜 茄子等还 需要通风 补光 修剪 摘心和整枝等特殊管理措施来调节蔬菜的生长环境 这类管理措施在模型中 基本未被考虑 或实际操作与模型预设不符 可能影响模型的准确性 以黄瓜的整枝措施为 例 当黄 瓜的主蔓长到一定高度时 需要通过整枝去除部分侧蔓 以减少养分竞争 促进主蔓和保留侧蔓的生 长 这也将影响黄瓜的干物质分配及后续的产量形成 另外 蔬菜的种植密度或者间作会影响植株间 的生长竞争 例如 番茄与韭菜间作产生了利弊共存的生长效应 温室韭菜的养根期为 3 11 月 在 此期间间作番茄不仅不会影响到韭菜的养根 还可以提高温室的生产效益 81 这是因为番茄是一种重 度养分消耗作物 而韭菜的根系较浅 对土壤养分的利用较少 两者间作可以实现养分互补 再者 对于一些水培蔬菜来说 根系作为植株吸收水分和矿质营养的 主要器官 其生长状况直接影响植株地 上部分的生长和发育 而且其根系对温度变化十分敏感 水培设施或管理措施的变化都会显著影响根 际温度 因此 在建立相关模型时考虑根际温度是非常必要的 2 5 蔬菜的品质模拟机理性不强 当前的蔬菜生长模型更侧重于生育期 叶面积指数 产量等量化指标的模拟 而在蔬菜品质方面 的模拟相对薄弱 且现有的品质模型大多是以甜瓜 黄瓜 番茄的单一品质指标为研究对象 蔬菜品 质的形成是一个复杂的生物化学过程 涉及多种生理生化反应和基因表达的调控 目前 蔬菜品质形 成模型仍然停留在与单一变量如辐热积等建 立简单的经验统计模型层面 过程机理的研究还不够深 入 导致在模型构建的过程中难以准确描述这一过程 因此 加强对蔬菜品质形成机理的研究是提升 蔬菜品质模拟精度的关键 另外 蔬菜品质是一个综合性概念 构建科学合理的蔬菜品质评价体系 将多种品质指标纳入模型模拟范畴 对提高模型的实用性具有重要意义 3 未来研究发展方向 蔬菜 生长 模型研究对提升蔬菜产业的科技水平和促进农业可持续发展具有重要作用 通过整合分 析现有的研究成果可以发现 蔬菜生长模型在理论和应用层面都取得了显著进展 同时也面临着许多 挑战 未来的研究应 重点 提高模 型的普适性和实用性 加强跨学科的交流合作 并充分利用信息技术 和人工智能 使 蔬菜生长模型研究 向 更高水平 更深层次的方向发展 3 1 加强基础研究 当前 研究的蔬菜种类较少 主要集中于温室番茄 温室黄瓜 温室甜椒等具有较高经济效益的作 伍袁泉等 中国蔬菜生长模型研究进展 9 物 未来研究还需 扩充 蔬菜 种类 在蔬菜产量的预测上 通常用鲜重数据来衡量一种蔬菜的经济产 量 而在模型的模拟中预测的是干物质生产 积累和分配 15 因此 在模型的实际应用中 如何将模 拟预测出来的干重换算成鲜重 同时降低误差 还有待深入研究 温室蔬菜生长模型研究的另一个难 点是关于化瓜 的模拟 化瓜是指幼瓜形成后 不能继续正常发育成商品瓜 而出现黄萎 干瘪 脱落 等现象 常出现在黄瓜 南瓜 西葫芦等瓜类蔬菜中 由于温室的环境相对封闭且温湿度适宜 很容 易滋生病虫害 例如 番茄易受到白粉虱的伤害 茄子易受到蓟马的危害 黄瓜易得霜霉病等 这些 病虫害都可能造成化瓜现象 进而对其生长和产量形成产生严重影响 而现有的蔬菜生长模型中有关 病虫害和化瓜的研究较少 在未来 模型 建模中 可以加入病虫害模块