兰州露地红提叶和果实生长规律研究

吴 翔,高晓阳,3∗,陈天雨,颜仁喆,李红岭,3,武季玲,3

(1甘肃农业大学机电工程学院,兰州730070;2甘肃省葡萄及葡萄酒工程研究中心,兰州730070;3甘肃省干旱生境作物学重点实验室,兰州730070)

作物生长模拟模型可为优化作物栽培管理方式提供理论依据。在国内,学者对作物的茎秆、叶和果实生长发育规律已做相关研究。李红岭等[1]和杨占峰等[2]建立大麦茎秆伸长和增粗模型,模型可较好预测大麦茎秆生长。李书钦等[3]建立了小麦叶生长模型以预测小麦叶生长,效果较好。学者对水果如梨、黑莓、柠檬、猕猴桃[4-7]和葡萄[8-10]的果实生长规律进行了研究,提供了可靠的栽培建议。

红提原产于美国加州又称红地球葡萄。该品种具有优质、丰产、耐贮运等特点,1987年由沈阳农业大学首次引入我国,并在我国广泛种植[11-14]。皮里东等[15]和段永华等[16]对新疆、云南等地红提果实发育规律进行了研究,但作物生长受气候、海拔、地区等因素的影响,所研究生长规律对甘肃地区适用性需要验证。甘肃地区已有对红提生长规律研究报道,张芮等[17]在温室条件下研究了不同生育期水分胁迫下对该品种葡萄产量和品质的影响。陈天雨等[18]和吴翔等[19]等使用Richard和Logistic方程建立红提节间生长模型,模型有较好的预测性,但缺乏对露地栽培条件下叶片和浆果生长规律模型研究。叶是植物重要的器官,与光合作用、蒸腾作用等生理活动密切相关。叶生长模型研究有利于架面的分布和修剪方案的制定。浆果生长规律研究有助于对水肥施用和管理方式进行调整,确保果实丰产。本研究通过对兰州地区露地栽培条件下叶和果实进行观测和分析,建立红提叶和果实生长规律模型,为该地区露地栽培红提高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验时间为2016年4—10月和2017年4—10月。试验地位于甘肃农业大学葡萄与葡萄酒工程重点实验室葡萄品种园内。该地位于兰州市安宁区(36°5′N,103°41′E),属温带内陆性气候。海拔1 559 m,年平均气温8.9℃,绝对最低气温-23℃,绝对最高气温38℃,≥10℃的积温4 248.5℃,无霜期171 d,年降水量349.9 mm,年蒸发量为1 664 mm,全年日照时数＞2 400 h。

1.2 试验材料

供试材料为该园5年生红提葡萄共9株,龙干形葡萄架栽培,行距1 m×2 m,葡萄树常规化管理。

1.3 试验方法

(1)3月末地膜揭开后,每2—4 d,观察记录红提的物候期(伤流期、萌芽期、开花期、坐果期等)。以管仲新[20]中葡萄物候标准对所选定植株进行观察。

(2)从展叶期开始,每3株为1组,对其单侧蔓上新梢挂牌标记。用直尺测量叶主脉长、最大宽度、柄长(精度为1 mm)。

(3)从坐果期开始,在龙干形架的离地60—100 cm、115—130 cm和145—160 cm处选取代表性果枝各9枝,对果穗编号。谢花后,每7 d用游标卡尺每穗随机选取5粒,测量果实的横、纵径,并计算平均值(精确到0.1 mm),直至果实采收。

1.4 数据分析

(1)采用Logistic模型对叶主脉拟合分析,建立叶主脉生长模型。

(2)使用Excel软件绘制果实横、纵径和果型指数动态变化曲线,并计算其相对生长速率;采用Origin 2017软件中Logistic模型和三次多项式模型对果实横、纵径测定值进行拟合。

式中：gi为相对生长率,g1为前一次生长量测定值,g2为本次生长量测定值,t1为前一次测定时的日期,t2为本次测定时的日期。

Origin 2017软件对生长量进行拟合的方程为：

式中,y为果实横、纵径;x：生长天数;a：生长极限值;b,b0,b1,b2,b3,k为待求参数。

1.5 模型检验

利用根均方差(RMSE)、相对均方根误差[22](rRMSE)检验模型。

式(4)—(7)中,Pi模拟值,Oi为实测值,d为绝对误差,n为样本容量。RMSE的取值范围为0—+∞,0为最佳拟合,其值越接近0,模型模拟结果越准确;rRMSE小于0.1为极好,大于0.1小于0.2为好,大于0.2小于0.3为中等,大于0.3为差。

2 结果与分析

2.1 物候期观察

兰州市安宁区甘肃农业大学葡萄与葡萄酒工程重点实验室葡萄品种园红提物候期(2016年)如表1所示。

表1 2016年红提葡萄物候期Table 1 Phenological period of red globe grape in 2016

由表1可知,兰州露地红提从萌芽生长到果实成熟需要经历166 d左右,所需活动积温约为3 483.5℃,而从萌芽到开花的52 d,所需活动积温约为805℃,浆果生长期需109 d左右,所需活动积温约为2 678.5℃。展叶期到枝条老熟期,新梢生长迅速,之后生长减缓。枝条老熟期后,浆果迅速生长,并于7月28日前后开始着色。红提采摘后1个月需加强叶片保护,为下年积累营养。

2.2 叶主脉生长模型建立

试验数据表明叶主脉生长过程符合S型曲线。叶生长始于展叶期,在新梢生长期生长最快,6月初生长减缓,单叶生长周期约为50个生长日。叶主脉生长的动态模型为：

式中,Lzn为某生长日第n片叶的主脉长;DAY为生长日,取值范围为2(n-1)—2(n-1)+50,Lzmaxn为第n片叶主脉最大长度,作为红提的遗传参数(表2);bn和kn均为遗传参数,用Origin 2017拟合确定(表3)。

表2 叶主脉长的最大值Table 2 Maximum value of the leaf main vein cm

2.3 横、纵径生长模型建立

2.3.1 果实生长曲线

以果实生长天数为横坐标,横、纵径实测值的平均值为纵坐标,绘制果实横纵径生长动态曲线(图1和图2),果实生长过程呈快-慢-快-慢的“双S”型曲线。果实的纵径始终大于横径,说明在果实的生长过程中,横、纵径的积累生长量保持纵径大于横径的生长特点,果型指数始终大于1。

表3 叶主脉长模型参数值Table 3 Parameters of the leaf main vein model

图1 2016年果实生长曲线Fig.1 Growth curve of berry in 2016

图2 2017年果实生长曲线Fig.2 Growth curve of berry in 2017

2.3.2 果实的相对生长率

从图3、图4看出,2016、2017年兰州露地栽培红提果实发育速度均以6月最快,到7月中旬前后,果实生长减缓,7月中下旬至8月下旬,果实又存一个快速生长期。9月份,红提果实生长基本停止。

图3 2016年果实相对生长速率Fig.3 Relative growth rates of berry in 2016

图4 2017果实相对生长速率Fig.4 Relative growth rates of berry in 2017

2.3.3 果实横纵径方程拟合

表4拟合结果表明,2个模型对横、纵径指标的拟合决定系数(R2)为0.960—0.977,说明2个模型均能较好描述横、纵径的生长发育过程(P＜0.05),且三次多项式的决定系数大于Logistic模型。

表4 果实横、纵径回归方程Table 4 Two diameter regression equation

2.4 模拟效果检验

2.4.1 叶主脉生长模型检验

取叶位为3、6和9叶主脉模型与2016年6个生长日实测数据进行对比(表5)。红提主脉长RMSE范围为0.3—2.3 cm,rRMSE的最大值为0.264,小于0.3,拟合效果为中等。

表5 红提叶主脉实测值与模拟值比较Table 5 Comparison of the measured main vein value and simulated values of red globe grape

2.4.2 浆果生长模型检验

分别选取具有代表性的6个生长日,对横、纵径的三次多项式拟合模型进行检验(表6)。横、纵径绝对误差在0—2.2 mm,RMSE误差为1.60 mm和1.22 mm。rRMSE值小于0.1,表明模型精度较高,与实测值的稳合度较好。

表6 果实纵、横径模型检验Table 6 Comparison of the measured berry values and simulated values

3 讨论与结论

当前学者对葡萄叶片的研究较多,郭丽等[20]研究葡萄叶脉与叶面积的相关性,段永华等[16]对葡萄叶绿素含量动态变化。而对植物叶片形态,李小莹等[23]建立了大麦叶长、宽的生长模型。本研究在前人研究的基础上利用2017年数据,建立了红提叶片主脉的生长模型。并用2016数据对模型进行检验,rRMSE为0.264,小于0.3,效果中等。由于红提叶主脉与叶面积相关性较大。叶主脉模型可为葡萄架面分布提供参考。

测量果实横、纵径生长量随着生长时间的增大呈现快-慢-快-慢的双S曲线。在果实膨大过程中,纵径始终保持大于横径生长的特点,与皮里东等[15]等在研究伊犁地区红地球葡萄果实生长规律的结论一致。本研究采用Logistic方程,三次多项式方程分别对果实横纵径进行了拟合。2个模型的决定系数R2均大于0.95,同时显著性检验P小于0.05,均可较好地描述果实生长发育过程。而使用三次方程对果实横、纵径的生长模拟精度优于Logistic模型。使用实测数据对三次方程模型进行检验,模型的rRMSE值小于0.1,证明模型的精确度较高,可模拟常规栽培下葡萄果实生长。

综合2016和2017年果实相对生长速率曲线,兰州露地栽培红提的生长可分为两个快速膨大期,第一次快速膨大期为6月初到7月中旬,第二次快速膨大期为7月下旬到8月下旬。2017年第一次膨大期结束时纵、横径达到15.9 mm和14.1 mm,分别达到成熟时的72.6%和68.8%,第一期生长对红提果实大小起着基础性作用。第二次膨大期,主要为着色和糖分积累,成熟时可溶固形物含量达到15.2%,平均单粒质量为6 g。兰州地区5—6月常见冰雹天气,该时期处于葡萄坐果和第一次快速膨大期,可对果穗进行套袋减少冰雹损害。在5月中下旬可做好抹芽、去副梢和摘心工作,以保证营养集中于果穗,使其良好生长。