不同基质下番茄耗水规律及生长指标数学模拟研究.pdf

文 章 编 号 不 同 基 质 下 番 茄 耗 水 规 律 及 生 长 指 标 数 学 模 拟 研 究 孟 圆 王 哲 夏 辉 柴 景 伟 河北农业大学城乡建设学院 河北保定 河北省顺平县水利局 河北保定 摘 要 为 了 研 究 番 茄 在 不 同 基 质 下 耗 水 规 律 及 生 长 指 标 数 学 模 拟 于 年 在 河 北 农 业 大 学 农 田 水 利 试 验 室 开 展 试 验 试 验 中 采 用 种 基 质 分 别 是 原 状 土 经 过 自 然 风 干 后 与 沙 子 蛭 石 按 体 积 比 例 进 行 配 制 B 河 北 省 保 定 市 保 育 栽 培 厂 的 育 苗 营 养 土 C 自 配 基 质 草 炭 土 珍 珠 岩 与 蛭 石 按 体 积 配 制 两 种 灌 水 水 平 W 为 mm D 为 mm 同 时 利 用 TL B 中 的BP 神 经 网 络 对 番 茄 的 根 系 生 长 指 标 进 行 模 拟 训 练 及 预 测 最 终 在 B C 种 基 质 两 种 灌 水 水 平 下 番 茄 平 均 日 耗 水 强 度 分 别 为 66 6 mm d 试 验 结 果 表 明 番 茄 株 高 茎 粗 根 尖 数 根 长 等 指 标 受 到 基 质 和 灌 水 量 影 响 显 著 灌 水 量 过 低 容 易 造 成 生 育 期 内 水 分 胁 迫 在 高 灌 水 量 下 基 质B 显 著 影 响 番 茄 的 生 长 指 标 和 耗 水 强 度 研 究 结 果 显 示 B 基 质 高 灌 水W 的 组 合 模 式 更 适 合 番 茄 生 长 关 键 词 番 茄 基 质 生 长 指 标 神 经 网 络 根 系 中 图 分 类 号 S6 T S 文 献 标 识 码 NumericalSimulationofWaterConsumptionand GrowthIndexofTomatounderDifferentSubstrates MENGYuan WANGZhe XIAHui CHAIJing wei Co egeofUrb n ndRur Cons ruc ion Hebei gricu ureUniversi y B oding Hebei C in W erConserv ncyBure uofS un ingCoun y B oding Hebei C in Abstract norder os udy ew erconsum ionru e ndgrow indexof om ounderdifferen subs r es eex erimen w sc rriedou in eF rm ndW erConserv ncyL bor oryofHebei gricu ur Universi yin T reesubs r eswereusedin eex erimen inc uding re redwi s nd ndvermicu i ebyvo umer ioof f ern ur irdrying B seed ingnu rien soi ofB oding Conserv ion ndCu iv ionF c ory HebeiProvince ndC se f m c ingm rix re redby e soi er i e ndvermicu i e vo ume Twoirrig ion eve s Wof mm Dof mm weredesigned es me ime BPneur ne workin bw sused o simu e r ining ndforec s egrow indexof om oroo Fin y under reesubs r es B ndC nd woirrig ion eve s e ver ged i yw erconsum ionin ensi yof om ow s 66 6 nd mm d res ec ive y T eresu ss owed om o n eig s emdi me er roo i number roo eng ndo erindic orsweresignific n y ffec edby esubs r e ndirrig ion moun oo owirrig ion moun wou de si yc usew ers ressin egrow eriod ecombin ionmodeof Bm rix ig irrig ion W w smoresui b efor om ogrow Keywords om o subs r e grow index neur ne work roo sys em 收 稿 日 期 基 金 项 目 国家重点研发计划子课题 YFD 河北农业大学 年研究生校级教学案例项目 6 作 者 简 介 孟 圆 女 硕士研究生 研究方向农业水土资源与环境 E m i qq com 通 讯 作 者 夏 辉 女 博士 副教授 硕士生导师 研究方向农业水土资源与环境 E m i xi ui 6 6 com 节 水 灌 溉 年 第 期 sgu cb cnki ne 0 引 言 水分是番茄生长发育的重要驱动因子 也是探索作物高产 规律的重要内容 研究表明 土壤水肥条件是影响作物耗水 的重要因素 且根系分布较浅 受生长环境因素影响较为明 显 由此很多学者对番茄的灌水量和生长指标都有所研究 祁娟霞 研究是灌水量对番茄各植株生长指标 光合特性 果 实及根系指标的影响效果较大 均随灌水量的增大而增加 费 良军 等对日光温室滴灌条件下的基质栽培樱桃西红柿进行 试验研究 各生育阶段的耗水量和耗水强度均随灌水量的增加 而增加 王闯 等以椰糠 菇渣和珍珠岩为基质 按照不同配 比混合 研究其对番茄株高 茎粗 根冠比 壮苗指数等指标的 影响 筛选最佳番茄育苗基质配比 结果为T 椰糠 菇渣 珍珠岩 更适宜番茄育苗 在温室番茄种植过程中 基质类型 基质成分及基质中水 分含量将直接影响番茄根系生长状况 作物地上部分生长发育 和最终产量 因此 开展不同基质和水分下番茄根系的生长规 律研究 对提高番茄水分及养分利用效率 甄选番茄种植中适 用的基质类型 推动番茄产业发展具有重要意义 但番茄根系 数量庞大且须根极多 本文用BP神经网络探讨了番茄一些生 长指标与根系的关系 训练出的模型既有效地拟合了训练数 据 同时也有较好的预测能力 为番茄生长发育预测提供另一 种思路 1 材 料 与 方 法 1 1 试 验 材 料 供试番茄为福星高档粉果番茄 本试验基质分为 种 B C 取自市区附近农田土 经过自然风干后与沙子 蛭石按 体积比例 进行配制 B为购买于河北省保定市莲池区 保育栽培厂的育苗营养土 C为自配基质 草炭土 珍珠岩与蛭 石按 体积配制 6 供试验土壤的理化性质如表 表1 供 试 土 样 理 化 性 质 Tab 1Physicalandchemicalpropertiesofsoilsamples 基质 容重 g cm 总孔隙度 通气孔 隙度 田间持 水率 B 66 C 6 1 2 试 验 设 计 番茄温室试验于 年在河北农业大学农田水利试验室 内进行 试验所用灌溉方式为滴灌 试验所用温室占地 m 长6m 宽 m 东西走向 坐北朝南 温室内温度为 白天 夜间 最低夜温不低于 平均湿度为 6 生育期阶段分为幼苗生长期 开花坐果期和结果盛期 分 别是 月 日 月 日 月 日 月 日和 月 日 次年 月 日 试验中共设计基质和灌水两个因素 种 基质 B C 个灌水量 W ET D ET 育苗箱 种植为6个试验处理 每个试验处理设置 个重复 番茄每个 育苗箱D W灌水总量分别为 mm 试验为盆栽种植 1 3 测 定 指 标 及 方 法 用直尺测量株高 根长 用游标卡尺测量距离基质面 cm 处的茎粗 用人工目测法测量根尖数 地下部干重和鲜重的测 定方法 用电子天平称其鲜重 然后放入 的烘箱中 min 再放 恒温干燥箱中烘干 后称其干重 从每一个 处理中选取 株幼苗对其进行生长指标测定 取其平均数以 减小误差 本次试验为确定不同处理下番茄的耗水量 自番茄移栽至 盆内到番茄成熟 整个生育期内每隔 d对盆栽番茄进行称重 通过连续称重计算番茄日耗水量 1 4 数 据 处 理 本文采用 icrosof OfficeExce 进行试验数据处理 采用SPSS统计软件进行差异显著性检验 LSD法 采用 T L B软件对根系生长指标进行拟合及其预测 2 结 果 与 分 析 2 1 不 同 基 质 和 灌 水 量 下 的 耗 水 规 律 在不同基质和灌水量的条件下 番茄的耗水规律见图 全 生育期 B C基质的耗水强度变化规律基本一致 B C基 质在高 低灌水量下的日耗水强度分别 66 6 mm d 随着番茄生长的进行 在不同基质和高灌水 量的交互影响下 番茄日耗水强度从 月 日开始显著增长 在同一灌水量下 B C基质的番茄耗水强度显著增大 到达峰 值后缓慢下降 耗水高峰期出现在开花坐果期 月 日 月 日 基质 高灌水量 的影响下番茄耗水高峰出现在结 图1 番 茄 在 不 同 基 质 和 灌 水 量 下 的 耗 水 强 度 规 律 曲 线 Fig 1WaterconsumptionintensitycurveofTomato underdifferentsubstrateandirrigationamount 不 同 基 质 下 番 茄 耗 水 规 律 及 生 长 指 标 数 学 模 拟 研 究 孟 圆 王 哲 夏 辉 等果期 月 日 次年 月 日 基质比B C基质耗水量 小 生长慢 发育周期延后 因此不利于番茄种植生长 番茄在幼苗生长期 月 日 月 日 阶段 由于温 室内相对湿度较高 温度较低 太阳辐射较低且植株幼小 生长 缓慢 植株耗水强度较低 开花坐果期处于冬季温室大棚封棚 后相对湿度较为干燥 所以植株耗水强度显著增加 结果盛期 由于植株的根系生长基本结束 相对湿度 温度 太阳辐射处于 一个较为稳定的状态 较开花坐果期的耗水强度下降 在高 低灌水量情况下 全生育期内耗水强度表现为B C 2 2 番 茄 地 上 部 分 生 长 指 标 图 为番茄株高和茎粗在各生育期内的变化情况 从两 幅图中可以看出番茄的株高和茎粗呈增长趋势 在同一个灌水 水平下 植株长势出现明显差异 BW处理长势高于 W处理和 CW处理 减小灌水量后 株高和茎粗生长速度并无明显下降 温室番茄在幼苗期和开花期比结果期生长速度快 此阶段 B 和C处理株高和茎粗平均增长 mm和 6mm 到了成熟 期温室番茄生长速率减缓并基本到达稳定 番茄株高和茎粗 随着生育期的推进而增大 在结果盛期时 高灌水量 mm 时会抑制番茄茎粗和地下部分的生长 B基质株高的平均周 生长速率最大为 基质株高的平均周生长速率最小 关于周增长速率的结论是B C 综上说明 在B基质下高灌水量能够促进温室番茄植株生 长 番茄株高与灌水量呈正相关 茎粗与灌水量呈负相关 各处 理间有差异 2 3 番 茄 地 下 部 分 生 长 指 标 不同试验处理番茄根系生长指标动态变化如图 所示 图 图2 番 茄 株 高 和 茎 粗 在 各 生 育 期 内 的 变 化 情 况 Fig 2Changesofplantheightandstemdiameterin differentgrowthstagesofTomato b c d 图分别为根尖数 根系长度 须根直径和主 根长动态变化 由图 可看出 各处理的根尖数都随着生 图3 番 茄 地 下 部 分 生 长 指 标 动 态 变 化 Fig 3DynamicchangesofgrowthindexesinundergroundpartofTomato 不 同 基 质 下 番 茄 耗 水 规 律 及 生 长 指 标 数 学 模 拟 研 究 孟 圆 王 哲 夏 辉 等育期的推移而增加 定植后 d番茄根系各项指标呈现 快速增长趋势 定植后 d W BW CW D BD CD处理较 定植后 d的根尖数日均增长量分别是 6 6 个 表现为BD BW D CW W CD 尤其是BD处 理增速最快 由图 b 可看出 定植后 d W BW CW D BD CD处理较定植后 d的根系长度分别增加6 6 6 各处理根长 日均增长量分别是 6 6 6 mm 与 其他处理相比 BW处理根系长度日均增长量最大 由图 c 可看出 各处理的平均须根直径为 6 6 mm 由图 d 可知BD和BW处理的番茄主根长涨势明 显高于其他几组处理 B处理在整个生育期稳步增长 该处理的幼苗根系平均根 尖数和根系总长显著高于其他处理 综合幼苗根系形态指标 不适宜的基质和灌水量会抑制番茄幼苗地下部根系的生长积 累 故BD处理有利于番茄根尖数根系增长 2 4 生 长 指 标 和 地 下 根 系 鲜 重 的BP 神 经 网 络 TL B作为在研究领域应用广泛的一种软件 可以快速 建立回归分析预测模型 本文应用该软件中BP神经网络工具 箱对番茄地下根系鲜重与生长指标之间的关系进行模拟 筛 选出的 个相关参数 采用 TL B中主成分分析法 PC 进 行分析找出最佳参数 最终结果可将前 个主成分作为预测模 型的输入参数分别为株高 主根长 须根直径 将定植后第 6 d的数据用于模型训练 第 d和 d用于预测检验 该 BP神经网络的拓扑结构为 本模型的学习率的初始值 取为经验值 6 为了能够使神经网络达到比较小的误差 研 究选定的训练目标为 训练次数 次 学习速率为 目标误差为 图 图 图6为对处理的训练和预测的模型结果 且每 个处理经过 TL B进行相关性分析相对应的R值分别为 6 每个处理的 训练数据的梯度与均方差之间关系比较好 不仅可以达到预期 目标的误差 而且分别训练 次达到较小 的误差 由图 图 图6可知实测值与拟合值基本吻合 处理 W D BW BD CW CD番茄地下根系鲜重经 TL B进行 训练预测第 d的结果分别是 6 66 图4 AW 和AD 地 下 根 系 鲜 重 对 比 图 Fig 4AWvs ADrootfreshweight 图5 BW 和BD 地 下 根 系 鲜 重 对 比 图 Fig 5BWvs BDrootfreshweight g 同时第 d后各处理的结果分别是 66 6 g 与实测值相对误差 范围是 3 讨 论 单株番茄生育期内的蒸散量 耗水量 为 kg 日蒸散 量在 kg 番茄耗水量与环境因子呈显著相关 不同光 照强度下 植株耗水量存在显著差异 试验中 B C基质 不 同 基 质 下 番 茄 耗 水 规 律 及 生 长 指 标 数 学 模 拟 研 究 孟 圆 王 哲 夏 辉 等图6 CW 和CD 地 下 根 系 鲜 重 对 比 图 Fig 6CWvs CDrootfreshweight 在高 低灌水量下的日耗水强度分别 66 6 mm d 且耗水强度与基质和灌水量呈显著相关 进一 步说明番茄的耗水规律与环境 基质 灌水等有直接联系 对节 水灌溉有重大意义 刘浩 研究结果表明 温室番茄的需水规 律表现为前期小 中期大 后期减小的变化规律 高峰期出现 在开花坐果期和成熟采摘前期 这与本试验结果基本一致 张 友贤 研究表明 处理L 由于水分亏缺 造成植株矮小 茎粗 偏细 处理L 及CK由于供水充足 植株茂盛 株高较高 茎粗 也较粗 这与本文有差异 本试验为灌水量高时会抑制番茄茎 粗和地下部分的生长 适宜的土壤水分状况有利于番茄的生长 番茄的株高 茎 粗 叶面积 根系长度等各项生长指标均随着土壤含水率的升 高而增大 这与本文研究具有一致性 而张燕等 灌水施 肥量在番茄生长旺盛期反而会抑制茎粗增长 这可能与试验设 置基质不同有关 有待进一步研究 灌水量过高会抑制番茄根 系的生长 原因可能是水分胁迫促使根系向土壤深处生长 相 应地加大深层根系生物量的分配比例 这与张坤 等灌溉制 度为 ET 的灌水定额更适宜根系研究一致 根系的数量 一般通过数根或者仪器扫描得到 TL B是处理数据的常用 手段 基于 TL B的快速分析建立模型 预测数据精准 使得 其在水利和农业上使用的越来越多 本文对 TL B训练和预 测的功能进行了使用 最后得到只需更改参数就可以预测任意 生长指标的结果 4 结 论 试验中 B C基质在高 低灌水量下的日耗水强度分 别 66 6 mm d 在高 低灌水量情况 下 全生育期内耗水强度表现为B C 以番茄株高 茎粗 根长 根尖数等根系生长指标入手 探索得出滴灌条件下适合番茄的根系生长最佳基质和灌水量 mm的低灌水量更为适合番茄的茎粗生长 在结果盛期时 mm高灌水量时会抑制番茄茎粗和地下部分的生长 不适宜的基质和灌水量会抑制番茄幼苗地下部根系的 生长积累 故BD有利于番茄根尖数根系增长 且基质B C 用 TL B对 组数据进行模型训练 得到可以很 好地拟合训练结果 用 组数据进行预测验证 结果相对误差 范围在 之间 参 考 文 献 张 倩 张玉龙 王耀生 等 渗灌灌溉湿润比对日光温室番茄生 长发育和需水规律的影响 J 灌溉排水学报 路振广 邱新强 杨静敬 等 不同灌水定额条件下夏玉米生长发 育及耗水特性分析 J 节水灌溉 6 祁娟霞 不同灌水量和灌水频率对番茄生长发育及品质的影响研 究 D 银川 宁夏大学 费良军 汪爱科 王龙飞 等 日光温室基质栽培樱桃西红柿滴灌 试验研究 排灌机械工程学报 6 6 王 闯 曹 娜 徐 宁 等 不同配比基质对番茄幼苗质量的影 响 J 安徽农业科学 6 6 王 哲 夏 辉 袁 浩 等 不同基质下番茄根区土壤水盐分布 规律试验研究 J 节水灌溉 王 哲 夏 辉 袁 浩 等 不同基质及灌水量对番茄幼苗生长 的影响 J 灌溉排水学报 6 周继华 毛思帅 薛绪掌 等 负水头灌溉系统供营养液番茄生产 及耗水研究 J 节水灌溉 刘 浩 孙景生 王聪聪 等 温室番茄需水特性及影响因素分析 J 节水灌溉 张友贤 冯 成 方小宇 等 日光温室滴灌条件下番茄需水规律 研究 J 节水灌溉 6 高方胜 徐 坤 徐立功 等 土壤水分对番茄生长发育及产量品 质的影响 J 西北农业学报 6 杨再强 邱译萱 刘朝霞 等 土壤水分胁迫对设施番茄根系及地 上部生长的影响 J 生态学报 6 6 王晓森 常 晓 孟兆江 等 不同灌水下限与底肥施用对温室番 茄光合特性 产量和品质的影响 J 灌溉排水学报 6 张 燕 张富仓 强生才 等 水肥供应对温室滴灌施肥番茄生长 及水氮利用的影响 J 干旱地区农业研究 张 坤 刁 明 景 博 等 不同灌水量与灌水频率对加工番茄 根系生长和产量的影响 J 灌排机械工程学报 6 不 同 基 质 下 番 茄 耗 水 规 律 及 生 长 指 标 数 学 模 拟 研 究 孟 圆 王 哲 夏 辉 等