不同基質(zhì)下番茄耗水規(guī)律及生長指標(biāo)數(shù)學(xué)模擬研究

孟 圓，王 哲，夏 輝，柴景偉

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北省順平縣水利局，河北 保定 072250)>

0 引 言

水分是番茄生長發(fā)育的重要驅(qū)動(dòng)因子，也是探索作物高產(chǎn)規(guī)律的重要內(nèi)容[1]。研究表明，土壤水肥條件是影響作物耗水的重要因素[2]，且根系分布較淺，受生長環(huán)境因素影響較為明顯。由此很多學(xué)者對番茄的灌水量和生長指標(biāo)都有所研究。祁娟霞[3]研究是灌水量對番茄各植株生長指標(biāo)、光合特性、果實(shí)及根系指標(biāo)的影響效果較大，均隨灌水量的增大而增加。費(fèi)良軍[4]等對日光溫室滴灌條件下的基質(zhì)栽培櫻桃西紅柿進(jìn)行試驗(yàn)研究，各生育階段的耗水量和耗水強(qiáng)度均隨灌水量的增加而增加。王闖[5]等以椰糠、菇渣和珍珠巖為基質(zhì),按照不同配比混合,研究其對番茄株高、莖粗、根冠比、壯苗指數(shù)等指標(biāo)的影響，篩選最佳番茄育苗基質(zhì)配比，結(jié)果為T1(椰糠∶菇渣∶珍珠巖=2∶2∶1)更適宜番茄育苗。

在溫室番茄種植過程中，基質(zhì)類型、基質(zhì)成分及基質(zhì)中水分含量將直接影響番茄根系生長狀況、作物地上部分生長發(fā)育和最終產(chǎn)量。因此，開展不同基質(zhì)和水分下番茄根系的生長規(guī)律研究，對提高番茄水分及養(yǎng)分利用效率、甄選番茄種植中適用的基質(zhì)類型、推動(dòng)番茄產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。但番茄根系數(shù)量龐大且須根極多，本文用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)探討了番茄一些生長指標(biāo)與根系的關(guān)系。訓(xùn)練出的模型既有效地?cái)M合了訓(xùn)練數(shù)據(jù)，同時(shí)也有較好的預(yù)測能力，為番茄生長發(fā)育預(yù)測提供另一種思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試番茄為福星高檔粉果番茄。本試驗(yàn)基質(zhì)分為3種(A、B、C)，A取自市區(qū)附近農(nóng)田土，經(jīng)過自然風(fēng)干后與沙子、蛭石按體積比例8∶1∶1進(jìn)行配制，B為購買于河北省保定市蓮池區(qū)保育栽培廠的育苗營養(yǎng)土，C為自配基質(zhì)，草炭土、珍珠巖與蛭石按3∶1∶1體積配制[6,7]。供試驗(yàn)土壤的理化性質(zhì)如表1。

表1 供試土樣理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of soil samples

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

番茄溫室試驗(yàn)于2018年在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)田水利試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)所用灌溉方式為滴灌，試驗(yàn)所用溫室占地24 m2(長6 m，寬4 m)，東西走向，坐北朝南。溫室內(nèi)溫度為：白天23～30 ℃，夜間15～18 ℃，最低夜溫不低于10 ℃；平均濕度為65%；生育期階段分為幼苗生長期，開花坐果期和結(jié)果盛期，分別是10月11日-11月8日，11月10日-12月2日和12月4日-次年1月11日。試驗(yàn)中共設(shè)計(jì)基質(zhì)和灌水兩個(gè)因素，3種基質(zhì)(A、B、C)，2個(gè)灌水量(W：100%ET0，D：75%ET0)，育苗箱種植為6個(gè)試驗(yàn)處理，每個(gè)試驗(yàn)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。番茄每個(gè)育苗箱D、W灌水總量分別為40、30 mm，試驗(yàn)為盆栽種植。

1.3 測定指標(biāo)及方法

用直尺測量株高、根長；用游標(biāo)卡尺測量距離基質(zhì)面1 cm處的莖粗；用人工目測法測量根尖數(shù)；地下部干重和鮮重的測定方法：用電子天平稱其鮮重，然后放入105 ℃的烘箱中30 min，再放75 ℃恒溫干燥箱中烘干24 h后稱其干重。從每一個(gè)處理中選取10株幼苗對其進(jìn)行生長指標(biāo)測定，取其平均數(shù)以減小誤差。

本次試驗(yàn)為確定不同處理下番茄的耗水量，自番茄移栽至盆內(nèi)到番茄成熟，整個(gè)生育期內(nèi)每隔2 d對盆栽番茄進(jìn)行稱重。通過連續(xù)稱重計(jì)算番茄日耗水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文采用Microsoft Office Excel 2010進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(LSD法)，采用MATLAB軟件對根系生長指標(biāo)進(jìn)行擬合及其預(yù)測。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基質(zhì)和灌水量下的耗水規(guī)律

在不同基質(zhì)和灌水量的條件下，番茄的耗水規(guī)律見圖1，全生育期A、B、C基質(zhì)的耗水強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致。A、B、C基質(zhì)在高、低灌水量下的日耗水強(qiáng)度分別0.66、0.43、1.43、1.22、0.68、0.54 mm/d。隨著番茄生長的進(jìn)行，在不同基質(zhì)和高灌水量的交互影響下，番茄日耗水強(qiáng)度從11月1日開始顯著增長，在同一灌水量下，B、C基質(zhì)的番茄耗水強(qiáng)度顯著增大，到達(dá)峰值后緩慢下降，耗水高峰期出現(xiàn)在開花坐果期(11月10日-12月2日)，“A基質(zhì)+高灌水量”的影響下番茄耗水高峰出現(xiàn)在結(jié)果期(12月4日-次年1月11日)，A基質(zhì)比B、C基質(zhì)耗水量小，生長慢，發(fā)育周期延后，因此不利于番茄種植生長。

圖1 番茄在不同基質(zhì)和灌水量下的耗水強(qiáng)度規(guī)律曲線Fig.1 Water consumption intensity curve of Tomato under different substrate and irrigation amount

番茄在幼苗生長期(10月11日-11月8日)階段，由于溫室內(nèi)相對濕度較高、溫度較低、太陽輻射較低且植株幼小、生長緩慢、植株耗水強(qiáng)度較低；開花坐果期處于冬季溫室大棚封棚后相對濕度較為干燥，所以植株耗水強(qiáng)度顯著增加；結(jié)果盛期由于植株的根系生長基本結(jié)束，相對濕度、溫度、太陽輻射處于一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，較開花坐果期的耗水強(qiáng)度下降。在高、低灌水量情況下，全生育期內(nèi)耗水強(qiáng)度表現(xiàn)為B>C>A。

2.2 番茄地上部分生長指標(biāo)

圖2為番茄株高和莖粗在各生育期內(nèi)的變化情況。從兩幅圖中可以看出番茄的株高和莖粗呈增長趨勢；在同一個(gè)灌水水平下，植株長勢出現(xiàn)明顯差異，BW處理長勢高于AW處理和CW處理，減小灌水量后，株高和莖粗生長速度并無明顯下降。溫室番茄在幼苗期和開花期比結(jié)果期生長速度快，此階段A、B和C處理株高和莖粗平均增長9.4 mm和1.26 mm。到了成熟期溫室番茄生長速率減緩并基本到達(dá)穩(wěn)定。番茄株高和莖粗隨著生育期的推進(jìn)而增大，在結(jié)果盛期時(shí)，高灌水量(40 mm)時(shí)會(huì)抑制番茄莖粗和地下部分的生長。B基質(zhì)株高的平均周生長速率最大為3，A基質(zhì)株高的平均周生長速率最小1.32。關(guān)于周增長速率的結(jié)論是B>C>A。

綜上說明：在B基質(zhì)下高灌水量能夠促進(jìn)溫室番茄植株生長；番茄株高與灌水量呈正相關(guān)，莖粗與灌水量呈負(fù)相關(guān)，各處理間有差異。

2.3 番茄地下部分生長指標(biāo)

不同試驗(yàn)處理番茄根系生長指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化如圖3所示，圖3(a)、(b)、(c)、(d)圖分別為根尖數(shù)、根系長度、須根直徑和主根長動(dòng)態(tài)變化。由圖3(a)可看出，各處理的根尖數(shù)都隨著生育期的推移而增加。定植后29～75 d番茄根系各項(xiàng)指標(biāo)呈現(xiàn)快速增長趨勢，定植后117 d AW、BW、CW、AD、BD、CD處理較定植后75 d的根尖數(shù)日均增長量分別是1.6、6.54、2.4、4.07、8.8、1.05個(gè)，表現(xiàn)為BD>BW>AD>CW>AW>CD，尤其是BD處理增速最快。由圖3(b)可看出，定植后117 d AW、BW、CW、AD、BD、CD處理較定植后20 d的根系長度分別增加686.04%、1 290.3%、803.2%、817.4%、1 018.18%、506.55%。各處理根長日均增長量分別是8.19、39.37、16.03、17.56、41.08、3.68 mm，與其他處理相比，BW處理根系長度日均增長量最大。由圖3(c)可看出，各處理的平均須根直徑為0.41、0.37、0.30、0.36、0.46、0.29 mm。由圖3(d)可知BD和BW處理的番茄主根長漲勢明顯高于其他幾組處理。

圖2 番茄株高和莖粗在各生育期內(nèi)的變化情況Fig.2 Changes of plant height and stem diameter in different growth stages of Tomato

圖3 番茄地下部分生長指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of growth indexes in underground part of Tomato

B處理在整個(gè)生育期穩(wěn)步增長，該處理的幼苗根系平均根尖數(shù)和根系總長顯著高于其他處理。綜合幼苗根系形態(tài)指標(biāo)，不適宜的基質(zhì)和灌水量會(huì)抑制番茄幼苗地下部根系的生長積累，故BD處理有利于番茄根尖數(shù)根系增長。

2.4 生長指標(biāo)和地下根系鮮重的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

MATLAB作為在研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的一種軟件，可以快速建立回歸分析預(yù)測模型，本文應(yīng)用該軟件中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱對番茄地下根系鮮重與生長指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行模擬。篩選出的5個(gè)相關(guān)參數(shù)，采用MATLAB中主成分分析法(PCA)進(jìn)行分析找出最佳參數(shù)，最終結(jié)果可將前3個(gè)主成分作為預(yù)測模型的輸入?yún)?shù)分別為株高，主根長，須根直徑。將定植后第20～63 d的數(shù)據(jù)用于模型訓(xùn)練，第75 d和92 d用于預(yù)測檢驗(yàn)。該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為3-2-1。本模型的學(xué)習(xí)率的初始值取為經(jīng)驗(yàn)值0.065，為了能夠使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到比較小的誤差，研究選定的訓(xùn)練目標(biāo)為1×10-8，訓(xùn)練次數(shù)2 000 次，學(xué)習(xí)速率為0.025，目標(biāo)誤差為0.000 05。

圖4，圖5，圖6為對處理的訓(xùn)練和預(yù)測的模型結(jié)果。且每個(gè)處理經(jīng)過MATLAB進(jìn)行相關(guān)性分析相對應(yīng)的R值分別為0.999 91、1、0.999 87、0.999 94、0.999 93、0.999 86。每個(gè)處理的訓(xùn)練數(shù)據(jù)的梯度與均方差之間關(guān)系比較好，不僅可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的誤差，而且分別訓(xùn)練37、48、112、148、92、72次達(dá)到較小的誤差；由圖4，圖5，圖6可知實(shí)測值與擬合值基本吻合；處理AW、AD、BW、BD、CW、CD番茄地下根系鮮重經(jīng)MATLAB進(jìn)行訓(xùn)練預(yù)測第75 d的結(jié)果分別是0.543 4、1.059、5.042 4、3.686 6、2.278、1.833 7 g；同時(shí)第92 d后各處理的結(jié)果分別是0.557 2、0.336 6、7.478 3、6.311 2、2.381 7、0.900 3 g；與實(shí)測值相對誤差范圍是0.040%～0.398%。

圖5 BW和BD地下根系鮮重對比圖Fig.5 BW vs.BD root fresh weight

圖6 CW和CD地下根系鮮重對比圖Fig.6 CW vs.CD root fresh weight

3 討 論

單株番茄生育期內(nèi)的蒸散量(耗水量)為92.38 kg，日蒸散量在0.14～1.8 kg；番茄耗水量與環(huán)境因子呈顯著相關(guān)，不同光照強(qiáng)度下，植株耗水量存在顯著差異[8]。試驗(yàn)中A、B、C基質(zhì)在高、低灌水量下的日耗水強(qiáng)度分別0.66、0.43、1.43、1.22、0.68、0.54 mm/d，且耗水強(qiáng)度與基質(zhì)和灌水量呈顯著相關(guān)，進(jìn)一步說明番茄的耗水規(guī)律與環(huán)境、基質(zhì)、灌水等有直接聯(lián)系，對節(jié)水灌溉有重大意義。劉浩[9]研究結(jié)果表明，溫室番茄的需水規(guī)律表現(xiàn)為前期小， 中期大，后期減小的變化規(guī)律，高峰期出現(xiàn)在開花坐果期和成熟采摘前期，這與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致。張友賢[10]研究表明，處理L1由于水分虧缺，造成植株矮小，莖粗偏細(xì)，處理L3及CK由于供水充足，植株茂盛，株高較高，莖粗也較粗。這與本文有差異，本試驗(yàn)為灌水量高時(shí)會(huì)抑制番茄莖粗和地下部分的生長。

適宜的土壤水分狀況有利于番茄的生長，番茄的株高、莖粗、葉面積、根系長度等各項(xiàng)生長指標(biāo)均隨著土壤含水率的升高而增大[11-13]這與本文研究具有一致性，而張燕等[14]灌水施肥量在番茄生長旺盛期反而會(huì)抑制莖粗增長，這可能與試驗(yàn)設(shè)置基質(zhì)不同有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。灌水量過高會(huì)抑制番茄根系的生長，原因可能是水分脅迫促使根系向土壤深處生長，相應(yīng)地加大深層根系生物量的分配比例。這與張坤[15]等灌溉制度為75%ET0的灌水定額更適宜根系研究一致。根系的數(shù)量一般通過數(shù)根或者儀器掃描得到，MATLAB是處理數(shù)據(jù)的常用手段，基于MATLAB的快速分析建立模型，預(yù)測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，使得其在水利和農(nóng)業(yè)上使用的越來越多，本文對MATLAB訓(xùn)練和預(yù)測的功能進(jìn)行了使用，最后得到只需更改參數(shù)就可以預(yù)測任意生長指標(biāo)的結(jié)果。

4 結(jié) 論

(1)試驗(yàn)中A、B、C基質(zhì)在高、低灌水量下的日耗水強(qiáng)度分別0.66、0.43、1.43、1.22、0.68、0.54 mm/d，在高、低灌水量情況下，全生育期內(nèi)耗水強(qiáng)度表現(xiàn)為B>C>A。

(2)以番茄株高、莖粗、根長、根尖數(shù)等根系生長指標(biāo)入手，探索得出滴灌條件下適合番茄的根系生長最佳基質(zhì)和灌水量。30 mm的低灌水量更為適合番茄的莖粗生長。在結(jié)果盛期時(shí)，40 mm高灌水量時(shí)會(huì)抑制番茄莖粗和地下部分的生長。

(3)不適宜的基質(zhì)和灌水量會(huì)抑制番茄幼苗地下部根系的生長積累，故BD有利于番茄根尖數(shù)根系增長，且基質(zhì)B>C>A。

(4)用MATLAB對14組數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，得到可以很好地?cái)M合訓(xùn)練結(jié)果，用2組數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測驗(yàn)證，結(jié)果相對誤差范圍在0.04%～0.398%之間。