基于辐热积的温室番茄干物质生产及分配模型

李莉 郭斌

摘要：番茄是我国温室栽培的最主要作物之一，干物质的生产及分配决定着果实的发育和产量，构建温室番茄的干物质生产及分配模型对温室番茄栽培管理具有重要的理论意义和实践价值。以番茄乐农6号为材料，于2016—2017年在山东省临沂市日光温室进行试验，构建以辐热积（TEP）为尺度的干物质生产及分配模型，并利用与建模数据相独立的数据进行验证。结果表明，模型对番茄地上部分干质量、根系干质量、茎干质量、叶片干质量和果干质量的预测结果与1 ∶ 1直线之间的决定系数（R2）在0.88～0.95，统计回归标准误差（RMSE）在0.006 9～0.010。该模型预测精度较高，且参数少、用户易于获取，不仅能较好地预测我国现有生产水平下温室番茄的干物质生产及分配，而且可以为实现我国温室番茄生产环境优化调控和模式化栽培管理提供决策支持。

关键词：温室番茄;干物质生产及分配模型;辐热积

中图分类号： S625.5;S641.201  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）05-0129-04

收稿日期：2018-09-17

基金项目：四川省科技厅科技项目（编号：2017ZR0281）。

作者简介：李 莉（1990—），女，江苏连云港人，助理工程师，研究方向为农业气象。E-mail：625175826@qq.com。

通信作者：郭 斌，高级工程师，高级信息系统项目管理师，研究方向为应用气象及气象信息化。Tel：（0837）2821230;E-mail：abgb_001@163.com。

设施农业的兴起大大减少了农业生产受外界环境影响的制约，温室内部温度和辐射是影响作物生长的主要因素[1-5]，而太阳辐射作为主要热源，直接影响着温室内温度的变化，因此能否准确地掌握温度和辐射的调节尺度对温室作物的生产起着重要的作用。

作物模拟技术是优化作物栽培管理的重要手段之一，其中干物质分配一直是作物模拟模型研究的重要内容。前人提出很多理论来模拟作物干物质分配，如功能平衡模型[6-7]、运输-阻力模型[8]、源库调控模型[9-11]等。目前应用最多的是源库调控[4]模型和分配指数模型[12-15]。源库调控模型具有较强的机理性，但模型需要很多参数，其中许多参数（如营养器官的库强）很难通过试验获取，其实用性受到很大限制[16]。Wolswinkel指出干物质分配的模拟是基于作物的库强，库强也可以定义为作物各个器官对同化物的潜在需要或积累同化物的潜在能力[17];Heuvelink构建了基于作物器官库强，即作物潜在生长速率的温室番茄干物质分配模型[18];TOMGROW和TOMSIM模型中关于温室番茄干物质分配模型都是基于作物的源库理论建立的，其中，TOMGROW模型需要输入大量的模型参数，大大降低了模型的实用性和广适性;TOMSIM模型利用固定的茎、叶干质量比率来预测茎、叶干质量，采用果枝出现速率和果实生长周期等来预测果实干质量，但是在不同品种或同一品种不同播期下预测值差异较大，因此限制了不同品种的产量预测精度[19-20]。而分配指数和分配系数模型由于简单实用，是目前应用最广的干物质分配模型[8]。分配系数是某一植株部分干质量的增加量占整株干质量增加量的比例[21];分配指数是指器官干质量占总干质量的比例[22]。本研究利用累积辐热积来拟合温室番茄的分配指数，建立了基于我国栽培技术和种植制度的温室番茄干物质生产及分配模型，为我国温室番茄生长及栽培管理和环境优化调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年12月至2017年5月在山东省临沂市设施农业气象试验站日光温室内进行。山东省临沂市设施农业气象试验站地处蒙阴、费县和沂南3县交界处附近的双堠镇，地理坐标为118.26°E、35.32°N，年平均气温13.3 ℃，年降水量793.9 mm，年日照时數2 314 h，属于暖温带季风区大陆性气候。该地区属丘陵地带，土壤贫瘠，经过首期治理后土壤有所改变，土质偏碱性，pH值为7.73～8.38，土壤通透性良好。

1.2 试验设计及过程

本试验选择番茄品种乐农6号，将苗期的番茄种植于山东省临沂市日光温室试验区内。试验温室顶高4.6 m，宽 10.0 m，长68.0 m，试验小区垄宽95 cm，走道80 cm，行距 30 cm，株距20 cm。温室覆盖棚膜为聚乙烯无滴膜，膜厚 0.6 mm，透光系数为75%。选取长势良好且一致的4～5张真叶状态的番茄幼苗200株定植，将土壤水分控制在田间持水量的70%～80%（体积含水量20%～30%），光照度保持在晴天的正常范围内（阴天时补光）。待80%以上的番茄苗进入花果期后，选取长势良好且一致的苗期番茄进行试验处理。试验分为2个部分：试验1的数据用于模型的建立，试验2的数据用于模型的检验。

1.3 观测项目与方法

1.3.1 气象数据的测定 用数据采集器（WatchDog2000，USA）自动采集设施内气象要素，采集内容包括冠层（1.5 m）处空气温度和相对湿度。采集频率为10 s/次，存储每 30 min 的平均值。

1.3.2 作物各器官干物质量的获取 苗期每5 d，其余生育期每7 d进行破坏性取样，取有代表性的植株样本，苗期每次6株，其余生育期每次3株。将各植株分为根、茎、叶和果4个部分，测定鲜质量，再105 ℃杀青，然后在85 ℃烘干至恒质量，采用精度为0.01 g的电子天平测定各器官干质量。

果实成熟时，每隔2 d左右采摘1次，各试验小区随机选取10株番茄，将成熟果实采用105 ℃杀青，然后在85 ℃烘干至恒质量，采用精度为0.01 g的电子天平称取其干质量。

4 结论与讨论

在潜在生长条件下，温室番茄的生长主要受同化产物的影响，而同化产物量主要取决于温度和光合辐射。仅采用有效积温来模拟误差较大，本研究综合了光合有效辐射和温度的光温指标——辐热积来模拟，提高了预测精度。同时，克服了“源库”调节理论输入参数多、实用性不强的局限性。模型精度高，且参数少、易获取，能较好地预测番茄干物质量的生产以及在各器官的分配情况，为温室番茄生产的光温管理调控提供依据。

张红菊等利用辐热积对一品红、甜椒的干物质分配进行模拟，PIS、PIL、PIST与累积辐热积之间的表达形式[25-26]与本研究一致，但由于供试品种、试验地点、栽培方式的不同，导致经验参数不同。说明本研究通过拟合得到的番茄干物质在地上部、根部及地上部各器官的分配模型具有较好的应用前景。

本研究没有考虑水分、养分的影响，试验的品种单一，模型在其他类型番茄品种、栽培条件、地点、种植方式的适用性还有待于进一步验证和校验。但是，本模型的研究思路和建模方法，为建立更具机理性的温室番茄干物质量的生产及分配模型提供了参考。

参考文献：

[1]Li G J，Benoit F，Ceustermans N. Influence of day and night temperature on the growth，development and yield of greenhouse sweet pepper[J]. Journal of Zhejiang University，2004，30（5）：487-491.

[2]Turc O，Lecoeur J. Leaf primordium initiation and expanded leaf production are co-ordinated through similar response to air temperature in pea（Pisum sativum L.）[J]. Annals of Botany，1997，80（3）：265-273.

[3]袁洪波，李 莉，王俊衡，等. 基于温度积分算法的温室环境控制方法[J]. 农业工程学报，2015，31（11）：221-227.

[4]Marcelis L M，Heuvelink E，Goudriaan J. Modelling biomass production and yield of horticultural crops：a review[J]. Scientia Horticulture，1998，74（1/2）：83-111.

[6]Hunt H W，Morgan J A，Read J J. Simulating growth and root-shoot partitioning in prairie grasses under elevated atmospheric CO2 and water stress[J]. Annals of Botany，1998，81（4）：489-501.

[7]Levin S A，Mooney H A，Field C B. The dependence of plant root：shoot ratios on internal nitrogen concentration[J]. Annals of Botany，1989，64（1）：71-75.

[8]Marcelis L F M. Simulation of biomass allocation in greenhouse：a review[J]. Acta Horcitulturae，1993，328（8）：49-65.

[9]Heuvelink E. Effect of fruit load on dry matter partitioning in tomato[J]. Scientia Horticulturae，1997，69（1/2）：51-59.

[10]Heuvelink E. Dry matter partitioning in tomato：validation of a dynamic simulation model[J]. Annals of Botany，1996，77（1）：71-80.

[11]Heuvelink E. Effect of plant density on biomass allocation to the fruits in tomato（Lycopersicon esculentum Mill.）[J]. Scientia Horticulturae，1995，64（3）：193-201.

[12]倪纪恒，罗卫红，李永秀，等. 温室番茄干物质分配与产量的模拟分析[J]. 应用生态学报，2006，17（5）：811-816.

[13]李永秀，罗卫红，倪纪恒，等. 温室黄瓜干物质分配与产量预测模拟模型初步研究[J]. 农业工程學报，2006，22（2）：116-121.

[14]杨再强，罗卫红，陈发棣，等. 温室标准切花菊干物质生产和分配模型[J]. 中国农业科学，2007，40（9）：2028-2035.

[15]孟亚利，曹卫星，柳新伟，等. 水稻光合生产与干物质累积的动态模拟[J]. 生物数学学报，2004，19（2）：205-212.

[16]Marcelis L F M. A simulation model for dry matter partitioning in cucumber[J]. Annals of Botany，1994，74（1）：43-52.

[17]Wolswinkel P. Phloem unloading and turgor‐sensitive transport：factors involved in sink control of assimilate partitioning[J]. Physiologia Plantarum，1985，65：331-339.

[18]Heuvelink E. Dry matter partitioning in a tomato plant：one common assimilate pool？[J]. Journal of Experimental Botany，1995，46（289）：1025-1033.

[19]Jones J W，Dayan E，Allen L H，et al. A dynamic tomato growth and yield model（TOMGRO）[J]. Transactions of the ASAE，1991，34（2）：663-672.

[20]曹衛星，罗卫红. 作物系统模拟及智能管理[M]. 北京：高等教育出版社，2003.

[21]刘铁梅. 小麦光合生产与物质分配的模拟模型[D]. 南京：南京农业大学，2000.

[22]李永秀，罗卫红，倪纪恒，等. 用辐热积法模拟温室黄瓜叶面积、光合速率与干物质产量[J]. 农业工程学报，2005，21（12）：131-136.

[23]Marcelis L F M. Fruit shape in cucumber as influenced by position within the plant，fruit load and temperature[J]. Scientia Horticulturae，1994，56（4）：299-308.

[24]倪纪恒，陈学好，陈春宏，等. 用辐热积法模拟温室黄瓜果实生长[J]. 农业工程学报，2009，25（5）：192-196.

[25]张红菊，戴剑锋，罗卫红，等. 温室盆栽一品红生长发育模拟模型[J]. 农业工程学报，2009，25（11）：241-247.

[26]刁 明，戴剑锋，罗卫红，等. 温室甜椒生长与产量预测模型[J]. 农业工程学报，2009，25（10）：241-246.