陳毓瑾,婁玉穗,陳 立,秦澤冠,鄧博涵,苗玉彬,許文平,張才喜,王世平
(1.上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院,上海 200240;2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所,鄭州 450002;3.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240)
葡萄是世界四大水果之一,我國(guó)是世界鮮食葡萄生產(chǎn)的第1大國(guó)[1]。水分管理是葡萄果樹(shù)生產(chǎn)上重要的管理措施,而如何實(shí)現(xiàn)葡萄生產(chǎn)上灌溉的精準(zhǔn)化和自動(dòng)化是解決葡萄高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保等問(wèn)題的關(guān)鍵[2]。近年來(lái),隨著芯片、傳感器和基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的圖像處理技術(shù)的應(yīng)用,針對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況進(jìn)行連續(xù)無(wú)損監(jiān)測(cè)的研究得到了迅速發(fā)展[3,4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用此方法對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)取得了較多研究成果:M Kacira等人對(duì)溫室栽培下生菜幼苗生長(zhǎng)進(jìn)行持續(xù)無(wú)損監(jiān)測(cè)并收集生理指標(biāo)數(shù)據(jù),研究得出生菜葉冠投影面積變化與植物缺素之間的關(guān)系,可用于植物健康狀況的診斷[5];Mccarthy A等人采用一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的高空拍攝測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)棉花不同生長(zhǎng)階段的果實(shí)負(fù)荷量、葉面積指數(shù)和植株高度等指標(biāo),將采集的圖像信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至管理者及時(shí)作出棉花水肥管理的決策[6];李磊等人采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)的圖像處理和數(shù)學(xué)建模等技術(shù), 實(shí)現(xiàn)溫室盆栽網(wǎng)紋甜瓜生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的果實(shí)精準(zhǔn)定位和表型檢測(cè),為果實(shí)形態(tài)特征和品質(zhì)信息的無(wú)損獲取提供了參考[7];婁玉穗等人采用葡萄果粒徑無(wú)損測(cè)量和土壤水勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù),根據(jù)土壤水勢(shì)與果實(shí)投影面積的圖像分析,將結(jié)果期劃分為4個(gè)階段,綜合考慮結(jié)合新梢、果實(shí)光合產(chǎn)物積累等指標(biāo)變化,確定了開(kāi)始灌溉的土壤水勢(shì)值,在果樹(shù)實(shí)踐生產(chǎn)上具有一定的指導(dǎo)意義[8],但各階段劃分的分界值、水勢(shì)閾值的選取采用線性回歸法,不符合數(shù)據(jù)特性。
本文針對(duì)婁玉穗等[8]試驗(yàn)中葡萄開(kāi)始灌溉補(bǔ)水的土壤水勢(shì)閾值精準(zhǔn)選取應(yīng)用了基于MATLAB編程的三次樣條插值的方法[9-11],以0.01 kPa土壤水勢(shì)值為間隔對(duì)離散型數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行插值平滑處理后對(duì)函數(shù)進(jìn)行一階求導(dǎo),考察斜率的變化確定葡萄幼果期、第1次快速膨大期、轉(zhuǎn)色期的急速、快速、緩慢膨大和收縮4個(gè)階段的土壤水勢(shì)分界值,結(jié)合一階導(dǎo)數(shù)峰值和新梢生長(zhǎng)、果實(shí)光合產(chǎn)物等指標(biāo)的變化確定各時(shí)期開(kāi)始灌溉的土壤水勢(shì)閾值,為果實(shí)發(fā)育與土壤水勢(shì)關(guān)系的分析提供了契合性更強(qiáng)、更具數(shù)理邏輯性的方法。
(1)研究區(qū)概況。本試驗(yàn)在上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程訓(xùn)練中心的玻璃溫室(31°11′N, 121°29′E)中進(jìn)行,選取3 a生“巨峰”葡萄為試材,具體試驗(yàn)內(nèi)容參照婁玉穗等[8]的方法。
(2)數(shù)據(jù)分析與方法。葡萄果粒投影面積日縮夜脹,很難評(píng)估果粒生長(zhǎng)與土壤水勢(shì)之間的關(guān)系,運(yùn)用時(shí)間序列模型分析可以將這種周期性的波動(dòng)變化過(guò)濾,獲得果粒投影面積隨時(shí)間的變化趨勢(shì),進(jìn)而建立果粒膨大速率與土壤水勢(shì)之間的函數(shù)關(guān)系。采用Excel 2010及Origin 9.1軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和做圖, 采用三次樣條插值法平滑處理時(shí)使用MATLAB 2014軟件。
葡萄果實(shí)膨大速率隨土壤水勢(shì)下降而不斷變化,而攝影測(cè)量法時(shí)間間隔為1 h,故試驗(yàn)后得到的果實(shí)膨大速率與土壤水勢(shì)的函數(shù)是離散型的,還需通過(guò)數(shù)理方法轉(zhuǎn)化為連續(xù)光滑曲線便于后續(xù)求導(dǎo)分析。對(duì)于數(shù)據(jù)變化平緩的穩(wěn)態(tài)過(guò)程可采用數(shù)據(jù)擬合法;對(duì)波動(dòng)較大、采樣點(diǎn)較多的動(dòng)態(tài)過(guò)程則需用插值法構(gòu)造出近似函數(shù)才能真實(shí)反映這種波動(dòng)。針對(duì)果實(shí)生長(zhǎng)與土壤水勢(shì)的相關(guān)性研究,數(shù)據(jù)點(diǎn)波動(dòng)較大且無(wú)明顯線性相關(guān)性[12],故婁玉穗等人采用線性回歸分析法不夠精確,本文推薦采用一種具有二階光滑性的三次樣條插值法,可以使土壤水勢(shì)與對(duì)應(yīng)果實(shí)膨大速率的離散數(shù)據(jù)形成一條較光滑的曲線圖像。該方法具有良好的收斂性,且逼近效果較好[13]。
(1)三次樣條插值算法確定果實(shí)發(fā)育期開(kāi)始灌溉補(bǔ)水的土壤水勢(shì)閾值。此法流程圖見(jiàn)圖1。
圖1 三次樣條插值法確定土壤水勢(shì)閾值的流程
(2)土壤水勢(shì)與果實(shí)膨大速率的平滑曲線形成法
定義:給定[a,b]上n+1 個(gè)節(jié)點(diǎn)a=x0 ①S(xi)=yi,i=0,1,2,…,n。 ②在每個(gè)小區(qū)間[xi,xi+1]上是一個(gè)次數(shù)不超過(guò)3次的多項(xiàng)式。 ③S(x)、S′(x)、S″(x)在[a,b]上都連續(xù)。 則稱S(x)為函數(shù)f(x)關(guān)于節(jié)點(diǎn)x0,x1,…,xn的三次樣條插值函數(shù)[14]。 因三次樣條函數(shù)二階導(dǎo)數(shù)為一階線性關(guān)系式,故可對(duì)式(1)進(jìn)行2次積分,則得到: (2) 根據(jù)插值條件,Si(xi)=yi,Si(xi+1)=yi+1,可得: (3) (4) (5) 由此可知,只要求得各節(jié)點(diǎn)上的二階導(dǎo)數(shù)值ai,就能解出各段三次多項(xiàng)式,然后連接成整個(gè)區(qū)間[x1,xn]上果實(shí)膨大速率與土壤水勢(shì)的三次樣條函數(shù)S(x)。 采用三次樣條插值法對(duì)各時(shí)期膨大速率與土壤水勢(shì)圖像進(jìn)行平滑處理,結(jié)果見(jiàn)圖2~圖4, 各時(shí)期果實(shí)膨大速率關(guān)于土壤水勢(shì)函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)圖像見(jiàn)圖5~圖7。 圖2 幼果期平滑處理前后果實(shí)膨大速率與土壤水勢(shì)關(guān)系曲線對(duì)比 圖3 第1次快速膨大期平滑處理前后果實(shí)膨大速率與土壤水勢(shì)關(guān)系曲線對(duì)比 圖4 轉(zhuǎn)色期平滑處理前后果實(shí)膨大速率與土壤水勢(shì)關(guān)系曲線對(duì)比 圖5 幼果期果實(shí)膨大速率與土壤水勢(shì)函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)圖像 圖6 第1次快速膨大期果實(shí)膨大速率與土壤水勢(shì)函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)圖像 圖7 轉(zhuǎn)色期果實(shí)膨大速率與土壤水勢(shì)函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)圖像 由圖5可知,當(dāng)土壤水勢(shì)為0~-10 kPa范圍內(nèi)的-6.47 kPa 時(shí),該點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)值呈現(xiàn)局部峰值,則該峰值點(diǎn)的橫坐標(biāo)為果粒膨大速率隨著土壤水勢(shì)的下降而出現(xiàn)顯著性差異的值;當(dāng)土壤水勢(shì)為-10~-20 kPa范圍內(nèi)的-17.54 kPa時(shí),該點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)值高于同范圍內(nèi)其他各峰值點(diǎn),則該點(diǎn)為第2個(gè)臨界值點(diǎn);同理可知,當(dāng)土壤水勢(shì)處在-20~-30 kPa范圍時(shí),-21.41 kPa的點(diǎn)為第3個(gè)臨界值點(diǎn);當(dāng)土壤水勢(shì)<-21.41 kPa時(shí),果粒膨大速率<0,果粒進(jìn)入收縮階段。如圖6所示,同理可知,當(dāng)土壤水勢(shì)在0~-10 kPa范圍內(nèi)時(shí),分界點(diǎn)土壤水勢(shì)為-9.94 kPa;當(dāng)土壤水勢(shì)為-10~-20 kPa時(shí),分界點(diǎn)土壤水勢(shì)為-20.93 kPa;當(dāng)土壤水勢(shì)處在-20~-30 kPa階段,分界點(diǎn)土壤水勢(shì)為-27.16 kPa;當(dāng)土壤水勢(shì)<-27.16 kPa 時(shí),果粒膨大速率<0,果實(shí)因過(guò)度缺水開(kāi)始收縮。由圖7可知,果粒第1次快速膨大期土壤水勢(shì)為-9.95、-21.00和-33.19 kPa的點(diǎn)分別為土壤水勢(shì)在0~-10、-10~-20和-20~-35 kPa階段的分界值,而結(jié)合果實(shí)實(shí)際生長(zhǎng)情況,當(dāng)果粒膨大速率等于0時(shí)的土壤水勢(shì)瞬時(shí)值為-32.09 kPa,則該值作為轉(zhuǎn)色期果粒生長(zhǎng)階段分界值更為合理;當(dāng)土壤水勢(shì)<-32.09 kPa 時(shí),果粒膨大速率<0,果實(shí)開(kāi)始逐漸收縮[15]。葡萄結(jié)果期3個(gè)時(shí)期各階段劃分見(jiàn)表1。 表1 “巨峰”葡萄果實(shí)發(fā)育不同時(shí)期各階段土壤水勢(shì)值范圍劃分 kPa 分析葡萄幼果期、第1次快速膨大期和轉(zhuǎn)色期不同階段內(nèi)相對(duì)于土壤水勢(shì)的果粒膨大速率(即果粒投影面積趨勢(shì)值增加量與土壤水勢(shì)變化量的比值),劃分出急速膨大、快速膨大、緩慢膨大的收縮4個(gè)階段,結(jié)果見(jiàn)表2。 表2 “巨峰”葡萄結(jié)果期不同階段內(nèi)相對(duì)于土壤水勢(shì)的果粒膨大速率 mm2/kPa 注:數(shù)據(jù) = 均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=3),數(shù)值后的不同字母代表同一列內(nèi)數(shù)值之間存在顯著性差異(P< 0.05)。 從表3數(shù)據(jù)可以看出,隨著根域土壤水勢(shì)的下降,新梢MDS逐漸增大,其最大值為0.126 mm;當(dāng)土壤水勢(shì)低于-8.7 kPa 時(shí),此時(shí)新梢MDS與試驗(yàn)第1 天的數(shù)值之間差異顯著,為0.098 mm;當(dāng)土壤水勢(shì)低于-14.9 kPa 時(shí),新梢直徑開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。 表3 土壤水勢(shì)對(duì)幼果期葡萄新梢直徑變化的影響 注:數(shù)值 = 平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤差;*、**表示與試驗(yàn)第 1 天或第 2 天(5 月 16 日或 5 月 17 日)的相同指標(biāo)之間在0.05、0.01 水平上差異顯著;日最大收縮量 = 當(dāng)日新梢直徑日最大值 - 當(dāng)日新梢直徑日最小值,日生長(zhǎng)量最大值 = 當(dāng)日新梢直徑日最大值 - 前一日新梢直徑日最大值,日生長(zhǎng)量最小值=當(dāng)日新梢直徑日最小值 - 前一日新梢直徑日最小值,下同。 由表4可知,隨著土壤水勢(shì)的下降,新梢MDS增大到一定值后趨于穩(wěn)定 ,其最大值為0.133 mm;當(dāng)土壤水勢(shì)低于-8.5 kPa 時(shí),新梢MDS與試驗(yàn)第1天數(shù)值之間差異顯著;當(dāng)土壤水勢(shì)低于-17.1 kPa 時(shí),新梢開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng),此時(shí)MDS為0.121 mm。 表4 土壤水勢(shì)對(duì)果實(shí)第1次快速膨大期葡萄新梢直徑變化的影響 注:數(shù)值 = 平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差;*、**表示與試驗(yàn)第 1 天或第 2 天(6月4日或6月5 日)的相同指標(biāo)之間在0.05、0.01 水平上差異顯著。 由表5可知,轉(zhuǎn)色期新梢MDS隨土壤水勢(shì)的下降而緩慢增加;當(dāng)土壤水勢(shì)低于-9.5 kPa 時(shí),新梢MDS與試驗(yàn)第1 d數(shù)據(jù)之間差異顯著;當(dāng)土壤水勢(shì)低于-21.0 kPa 時(shí),新梢直徑開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng),此時(shí)的MDS為0.105 mm。 表5 土壤水勢(shì)對(duì)轉(zhuǎn)色期葡萄新梢直徑變化的影響 注:數(shù)值=平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤,*、**表示與實(shí)驗(yàn)第1 天或第2 天(7 月17 日或 7 月 18 日)的相同指標(biāo)之間在0.05、0.01 水平上差異顯著。 研究表明果實(shí)發(fā)育早期的水分脅迫會(huì)抑制新梢生長(zhǎng)[16]和造成落果[17],而過(guò)量灌溉不僅浪費(fèi)水資源,且會(huì)造成礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的流失和新梢旺長(zhǎng),不利于果粒的膨大[18,19]。因此,找到能夠合適的土壤水分虧缺程度至關(guān)重要。分析表1可知,當(dāng)土壤水勢(shì)高于-6.47 kPa 時(shí),幼果期的果粒處于快速膨大階段,而根據(jù)表3所示,土壤水勢(shì)>-6.5 kPa時(shí),此時(shí)新梢直徑日最大值正以大于0.026 mm/d 的速度快速增長(zhǎng),故該水勢(shì)閾值下灌水會(huì)引起新梢的旺長(zhǎng),不利于果粒的膨大。在土壤水勢(shì)<-17.4 kPa時(shí)果粒膨大緩慢甚至收縮,同時(shí)新梢直徑開(kāi)始負(fù)增長(zhǎng),即此時(shí)根域土壤水分虧缺過(guò)度。這間接反映出此時(shí)期新梢直徑伸縮比果粒膨大對(duì)水分脅迫反應(yīng)更敏感,這與在桃樹(shù)上的研究結(jié)果相似[20]。在幼果期的果??焖倥虼箅A段,果粒膨大速率為 0.03~0.13 mm2/h,且從圖5中發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤水勢(shì)為-11.64 kPa 時(shí),果粒膨大速率與土壤水勢(shì)函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)有局部小峰值。結(jié)合表 3 可知,當(dāng)土壤水勢(shì)為-8.7~-10.2 kPa時(shí)新梢直徑的生長(zhǎng)開(kāi)始受到抑制,故可將-11.64 kPa 作為幼果期灌溉補(bǔ)水的土壤水勢(shì)閾值,此土壤水勢(shì)下果粒能快速膨大,且新梢生長(zhǎng)也受到抑制。同理,在果實(shí)第1次快速膨大期,果粒快速膨大階段土壤水勢(shì)為-9.94~-20.93 kPa,果粒的膨大速率為0.04~0.13 mm2/h,當(dāng)土壤水勢(shì)為-14.86 kPa時(shí)果粒膨大速率與土壤水勢(shì)函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)有局部峰值(見(jiàn)圖6),即此時(shí)果粒膨大速率有一個(gè)比較明顯的下降。當(dāng)介于-14.6~-17.1 kPa時(shí),新梢MDS顯著增加,且新梢直徑日生長(zhǎng)量接近零,即新梢受到抑制而逐漸停止生長(zhǎng)(見(jiàn)表4)。考慮到此時(shí)期新梢的生長(zhǎng)量基本上能夠滿足果粒對(duì)光合產(chǎn)物的需要,則降低土壤水勢(shì)到-14.86 kPa 既能控制新梢旺長(zhǎng),又能促進(jìn)果??焖倥虼?。轉(zhuǎn)色期是果實(shí)的第2次快速生長(zhǎng)期,此時(shí)期糖類在開(kāi)始積累直至成熟,同時(shí)果粒中還形成大量的次生代謝產(chǎn)物[21,22]。轉(zhuǎn)色后生產(chǎn)管理旨在促進(jìn)果粒膨大和光合產(chǎn)物的積累,提升果實(shí)品質(zhì)。研究表明轉(zhuǎn)色后一定的水分脅迫會(huì)促進(jìn)更多的光合產(chǎn)物向果實(shí)中轉(zhuǎn)運(yùn)[23,24]。本試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)土壤水勢(shì)為-9.95~-21.00 kPa 時(shí),果粒處于快速膨大階段,開(kāi)始灌溉的土壤水勢(shì)閾值在該范圍選取較為合適,以促進(jìn)果實(shí)膨大。而結(jié)合表5新梢直徑的生長(zhǎng)土壤水勢(shì)低于-21.0 kPa 時(shí),新梢直徑開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng),且進(jìn)入木質(zhì)化階段,同時(shí)研究也表明此時(shí)期的水分虧缺對(duì)果粒大小和重量的影響較小[25],只會(huì)顯著提高果實(shí)的可溶性固形物和花青素的含量[26,27],因此生產(chǎn)上可選擇轉(zhuǎn)色期果粒膨大速率由快轉(zhuǎn)慢的臨界值-21.00 kPa 作為開(kāi)始灌溉的土壤水勢(shì)閾值。在果實(shí)生長(zhǎng)與土壤水勢(shì)的相關(guān)性研究中,采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)波動(dòng)較大且無(wú)明顯線性相關(guān)性,使用線性回歸分析等一般擬合方法精度低,不適合波動(dòng)較大的數(shù)據(jù)的分析,而本文采用三次樣條插值法能有效解決該問(wèn)題,并為 “巨峰”葡萄水分管理和農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)灌溉技術(shù)的研究提供灌溉閾值參數(shù)和參考方法。 (1)本文采用三次樣條插值法將離散數(shù)據(jù)圖像轉(zhuǎn)化為連續(xù)光滑曲線,對(duì)函數(shù)進(jìn)行一階求導(dǎo)后,考察果粒膨大速率關(guān)于土壤水勢(shì)導(dǎo)數(shù)峰值變化,確定分界值精度較高,為水分精準(zhǔn)管理數(shù)據(jù)的分析提供了方法參考。 (2)綜合考慮葡萄結(jié)果期的光合產(chǎn)物積累和新梢旺長(zhǎng)的控制等因素,確定幼果期、果實(shí)第1次快速膨大期、轉(zhuǎn)色期到成熟期3個(gè)時(shí)期開(kāi)始灌溉的根域土壤水勢(shì)閾值分別為-11.64、-14.86和21.00 kPa,為果樹(shù)精準(zhǔn)化、自動(dòng)化灌溉和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培的研究提供了關(guān)鍵參數(shù)。 : [1] 劉鳳之. 中國(guó)葡萄栽培現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].落葉果樹(shù),2017,49(1):1-4. 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3.1 葡萄結(jié)果期各生長(zhǎng)階段土壤水勢(shì)分界值的劃定
3.2 果實(shí)各時(shí)期4階段關(guān)于土壤水勢(shì)的膨大速率
3.3 土壤水勢(shì)對(duì)新梢直徑變化的影響
4 討 論
5 結(jié) 論