吳 翔,高曉陽,3?,陳天雨,顏仁喆,李紅嶺,3,武季玲,3

(1甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院,蘭州730070;2甘肅省葡萄及葡萄酒工程研究中心,蘭州730070;3甘肅省干旱生境作物學重點實驗室,蘭州730070)

作物生長模擬模型可為優(yōu)化作物栽培管理方式提供理論依據(jù)。在國內(nèi),學者對作物的莖稈、葉和果實生長發(fā)育規(guī)律已做相關(guān)研究。李紅嶺等[1]和楊占峰等[2]建立大麥莖稈伸長和增粗模型,模型可較好預測大麥莖稈生長。李書欽等[3]建立了小麥葉生長模型以預測小麥葉生長,效果較好。學者對水果如梨、黑莓、檸檬、獼猴桃[4-7]和葡萄[8-10]的果實生長規(guī)律進行了研究,提供了可靠的栽培建議。

紅提原產(chǎn)于美國加州又稱紅地球葡萄。該品種具有優(yōu)質(zhì)、豐產(chǎn)、耐貯運等特點,1987年由沈陽農(nóng)業(yè)大學首次引入我國,并在我國廣泛種植[11-14]。皮里東等[15]和段永華等[16]對新疆、云南等地紅提果實發(fā)育規(guī)律進行了研究,但作物生長受氣候、海拔、地區(qū)等因素的影響,所研究生長規(guī)律對甘肅地區(qū)適用性需要驗證。甘肅地區(qū)已有對紅提生長規(guī)律研究報道,張芮等[17]在溫室條件下研究了不同生育期水分脅迫下對該品種葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。陳天雨等[18]和吳翔等[19]等使用Richard和Logistic方程建立紅提節(jié)間生長模型,模型有較好的預測性,但缺乏對露地栽培條件下葉片和漿果生長規(guī)律模型研究。葉是植物重要的器官,與光合作用、蒸騰作用等生理活動密切相關(guān)。葉生長模型研究有利于架面的分布和修剪方案的制定。漿果生長規(guī)律研究有助于對水肥施用和管理方式進行調(diào)整,確保果實豐產(chǎn)。本研究通過對蘭州地區(qū)露地栽培條件下葉和果實進行觀測和分析,建立紅提葉和果實生長規(guī)律模型,為該地區(qū)露地栽培紅提高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗時間為2016年4—10月和2017年4—10月。試驗地位于甘肅農(nóng)業(yè)大學葡萄與葡萄酒工程重點實驗室葡萄品種園內(nèi)。該地位于蘭州市安寧區(qū)(36°5′N,103°41′E),屬溫帶內(nèi)陸性氣候。海拔1 559 m,年平均氣溫8.9℃,絕對最低氣溫-23℃,絕對最高氣溫38℃,≥10℃的積溫4 248.5℃,無霜期171 d,年降水量349.9 mm,年蒸發(fā)量為1 664 mm,全年日照時數(shù)＞2 400 h。

1.2 試驗材料

供試材料為該園5年生紅提葡萄共9株,龍干形葡萄架栽培,行距1 m×2 m,葡萄樹常規(guī)化管理。

1.3 試驗方法

(1)3月末地膜揭開后,每2—4 d,觀察記錄紅提的物候期(傷流期、萌芽期、開花期、坐果期等)。以管仲新[20]中葡萄物候標準對所選定植株進行觀察。

(2)從展葉期開始,每3株為1組,對其單側(cè)蔓上新梢掛牌標記。用直尺測量葉主脈長、最大寬度、柄長(精度為1 mm)。

(3)從坐果期開始,在龍干形架的離地60—100 cm、115—130 cm和145—160 cm處選取代表性果枝各9枝,對果穗編號。謝花后,每7 d用游標卡尺每穗隨機選取5粒,測量果實的橫、縱徑,并計算平均值(精確到0.1 mm),直至果實采收。

1.4 數(shù)據(jù)分析

(1)采用Logistic模型對葉主脈擬合分析,建立葉主脈生長模型。

(2)使用Excel軟件繪制果實橫、縱徑和果型指數(shù)動態(tài)變化曲線,并計算其相對生長速率;采用Origin 2017軟件中Logistic模型和三次多項式模型對果實橫、縱徑測定值進行擬合。

式中：gi為相對生長率,g1為前一次生長量測定值,g2為本次生長量測定值,t1為前一次測定時的日期,t2為本次測定時的日期。

Origin 2017軟件對生長量進行擬合的方程為：

式中,y為果實橫、縱徑;x：生長天數(shù);a：生長極限值;b,b0,b1,b2,b3,k為待求參數(shù)。

1.5 模型檢驗

利用根均方差(RMSE)、相對均方根誤差[22](rRMSE)檢驗模型。

式(4)—(7)中,Pi模擬值,Oi為實測值,d為絕對誤差,n為樣本容量。RMSE的取值范圍為0—+∞,0為最佳擬合,其值越接近0,模型模擬結(jié)果越準確;rRMSE小于0.1為極好,大于0.1小于0.2為好,大于0.2小于0.3為中等,大于0.3為差。

2 結(jié)果與分析

2.1 物候期觀察

蘭州市安寧區(qū)甘肅農(nóng)業(yè)大學葡萄與葡萄酒工程重點實驗室葡萄品種園紅提物候期(2016年)如表1所示。

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

由表1可知,蘭州露地紅提從萌芽生長到果實成熟需要經(jīng)歷166 d左右,所需活動積溫約為3 483.5℃,而從萌芽到開花的52 d,所需活動積溫約為805℃,漿果生長期需109 d左右,所需活動積溫約為2 678.5℃。展葉期到枝條老熟期,新梢生長迅速,之后生長減緩。枝條老熟期后,漿果迅速生長,并于7月28日前后開始著色。紅提采摘后1個月需加強葉片保護,為下年積累營養(yǎng)。

2.2 葉主脈生長模型建立

試驗數(shù)據(jù)表明葉主脈生長過程符合S型曲線。葉生長始于展葉期,在新梢生長期生長最快,6月初生長減緩,單葉生長周期約為50個生長日。葉主脈生長的動態(tài)模型為：

式中,Lzn為某生長日第n片葉的主脈長;DAY為生長日,取值范圍為2(n-1)—2(n-1)+50,Lzmaxn為第n片葉主脈最大長度,作為紅提的遺傳參數(shù)(表2);bn和kn均為遺傳參數(shù),用Origin 2017擬合確定(表3)。

表2 葉主脈長的最大值Table 2 Maximum value of the leaf main vein cm

2.3 橫、縱徑生長模型建立

2.3.1 果實生長曲線

以果實生長天數(shù)為橫坐標,橫、縱徑實測值的平均值為縱坐標,繪制果實橫縱徑生長動態(tài)曲線(圖1和圖2),果實生長過程呈快-慢-快-慢的“雙S”型曲線。果實的縱徑始終大于橫徑,說明在果實的生長過程中,橫、縱徑的積累生長量保持縱徑大于橫徑的生長特點,果型指數(shù)始終大于1。

表3 葉主脈長模型參數(shù)值Table 3 Parameters of the leaf main vein model

圖1 2016年果實生長曲線Fig.1 Growth curve of berry in 2016

圖2 2017年果實生長曲線Fig.2 Growth curve of berry in 2017

2.3.2 果實的相對生長率

從圖3、圖4看出,2016、2017年蘭州露地栽培紅提果實發(fā)育速度均以6月最快,到7月中旬前后,果實生長減緩,7月中下旬至8月下旬,果實又存一個快速生長期。9月份,紅提果實生長基本停止。

圖3 2016年果實相對生長速率Fig.3 Relative growth rates of berry in 2016

圖4 2017果實相對生長速率Fig.4 Relative growth rates of berry in 2017

2.3.3 果實橫縱徑方程擬合

表4擬合結(jié)果表明,2個模型對橫、縱徑指標的擬合決定系數(shù)(R2)為0.960—0.977,說明2個模型均能較好描述橫、縱徑的生長發(fā)育過程(P＜0.05),且三次多項式的決定系數(shù)大于Logistic模型。

表4 果實橫、縱徑回歸方程Table 4 Two diameter regression equation

2.4 模擬效果檢驗

2.4.1 葉主脈生長模型檢驗

取葉位為3、6和9葉主脈模型與2016年6個生長日實測數(shù)據(jù)進行對比(表5)。紅提主脈長RMSE范圍為0.3—2.3 cm,rRMSE的最大值為0.264,小于0.3,擬合效果為中等。

表5 紅提葉主脈實測值與模擬值比較Table 5 Comparison of the measured main vein value and simulated values of red globe grape

2.4.2 漿果生長模型檢驗

分別選取具有代表性的6個生長日,對橫、縱徑的三次多項式擬合模型進行檢驗(表6)。橫、縱徑絕對誤差在0—2.2 mm,RMSE誤差為1.60 mm和1.22 mm。rRMSE值小于0.1,表明模型精度較高,與實測值的穩(wěn)合度較好。

表6 果實縱、橫徑模型檢驗Table 6 Comparison of the measured berry values and simulated values

3 討論與結(jié)論

當前學者對葡萄葉片的研究較多,郭麗等[20]研究葡萄葉脈與葉面積的相關(guān)性,段永華等[16]對葡萄葉綠素含量動態(tài)變化。而對植物葉片形態(tài),李小瑩等[23]建立了大麥葉長、寬的生長模型。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上利用2017年數(shù)據(jù),建立了紅提葉片主脈的生長模型。并用2016數(shù)據(jù)對模型進行檢驗,rRMSE為0.264,小于0.3,效果中等。由于紅提葉主脈與葉面積相關(guān)性較大。葉主脈模型可為葡萄架面分布提供參考。

測量果實橫、縱徑生長量隨著生長時間的增大呈現(xiàn)快-慢-快-慢的雙S曲線。在果實膨大過程中,縱徑始終保持大于橫徑生長的特點,與皮里東等[15]等在研究伊犁地區(qū)紅地球葡萄果實生長規(guī)律的結(jié)論一致。本研究采用Logistic方程,三次多項式方程分別對果實橫縱徑進行了擬合。2個模型的決定系數(shù)R2均大于0.95,同時顯著性檢驗P小于0.05,均可較好地描述果實生長發(fā)育過程。而使用三次方程對果實橫、縱徑的生長模擬精度優(yōu)于Logistic模型。使用實測數(shù)據(jù)對三次方程模型進行檢驗,模型的rRMSE值小于0.1,證明模型的精確度較高,可模擬常規(guī)栽培下葡萄果實生長。

綜合2016和2017年果實相對生長速率曲線,蘭州露地栽培紅提的生長可分為兩個快速膨大期,第一次快速膨大期為6月初到7月中旬,第二次快速膨大期為7月下旬到8月下旬。2017年第一次膨大期結(jié)束時縱、橫徑達到15.9 mm和14.1 mm,分別達到成熟時的72.6%和68.8%,第一期生長對紅提果實大小起著基礎(chǔ)性作用。第二次膨大期,主要為著色和糖分積累,成熟時可溶固形物含量達到15.2%,平均單粒質(zhì)量為6 g。蘭州地區(qū)5—6月常見冰雹天氣,該時期處于葡萄坐果和第一次快速膨大期,可對果穗進行套袋減少冰雹損害。在5月中下旬可做好抹芽、去副梢和摘心工作,以保證營養(yǎng)集中于果穗,使其良好生長。