蓖麻籽粒油分含量預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

徐壽軍，王 磊，德木其格，王金波，齊海祥，朱國(guó)立，5

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼028043；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古 通遼028043；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 通遼028043；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新培育中心，內(nèi)蒙古 通遼028043；5.內(nèi)蒙古 通遼市農(nóng)科院，內(nèi)蒙古 通遼028015）

蓖麻屬大戟科蓖麻屬（Ricinus communisL.），是生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)的首選作物，在工業(yè)、軍事和醫(yī)藥中占有重要的位置.因適應(yīng)性強(qiáng)、耐瘠薄、抗旱，在我國(guó)曾被廣泛種植.蓖麻油是一種高級(jí)植物油，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，用途大，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、醫(yī)藥和化學(xué)工業(yè)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有一定地位.但因蓖麻是分枝型作物，果穗著生部位分散且不能集中成熟，導(dǎo)致栽培管理粗放，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，嚴(yán)重影響了蓖麻的生產(chǎn)水平.因此，輕簡(jiǎn)化、機(jī)械化、現(xiàn)代化和精細(xì)化已成為當(dāng)前蓖麻生產(chǎn)栽培技術(shù)的研究熱點(diǎn).農(nóng)業(yè)信息技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要支撐，作為其突出代表的作物模擬技術(shù)是作物生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化和精細(xì)化的重要基礎(chǔ).目前，作物模擬技術(shù)研究已在水稻［1］、玉米［2］、小麥［3］、大豆［4］、油菜［5］、大麥［6］、棉花［7］等作物取得較多成果.關(guān)于蓖麻生長(zhǎng)發(fā)育的模擬研究，僅見(jiàn)徐壽軍等的蓖麻生育物質(zhì)生產(chǎn)、分配的模擬研究［8-9］.油分含量是蓖麻重要品質(zhì)指標(biāo)，關(guān)于蓖麻籽粒油分形成的模擬模型研究，迄今為止尚未見(jiàn)報(bào)道.構(gòu)建蓖麻籽粒油分含量預(yù)測(cè)模型，是利用量化工具精確預(yù)測(cè)蓖麻籽粒油分含量、構(gòu)建蓖麻生產(chǎn)管理決策支持系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)蓖麻生產(chǎn)的精確化和數(shù)字化迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年和2018年在內(nèi)蒙古通遼市科爾沁區(qū)農(nóng)牧業(yè)高新科技示范園區(qū)（43°63′N(xiāo)，122°25′E）進(jìn)行，試驗(yàn)地年平均氣溫為6.3 ℃，≥10 ℃活動(dòng)積溫為3 164 ℃，日照時(shí)數(shù)為3 112 h，年平均降水量350 mm.

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取在內(nèi)蒙古地區(qū)廣泛種植的籽粒油分含量差異較大的蓖麻品種4個(gè)，即通蓖9號(hào)、通蓖10號(hào)、通蓖11號(hào)和通蓖13號(hào)，均由內(nèi)蒙古通遼市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)氮肥處理，分別為0，60，120，180 kg·hm-2（分別用N0、N60、N120、N180表示）.肥料分2次施入，基肥在播種時(shí)施入，追肥在現(xiàn)蕾前施用，基追比為7∶3.磷、鉀肥作為基肥一次性施用，磷肥30 kg·hm-2，鉀肥60 kg·hm-2.試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)面積60 m2，行距65 cm，株距60 cm.2017年4月21日播種，2018年4月23日播種.栽培管理措施同大田.

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

從第一片復(fù)葉出現(xiàn)開(kāi)始，選擇長(zhǎng)勢(shì)相同的蓖麻掛牌標(biāo)記.從開(kāi)花期開(kāi)始，每小區(qū)每隔10 d取1次樣，按葉片、莖稈、籽粒等器官分開(kāi)，各器官在105 ℃下殺青0.5 h，80 ℃下烘干至恒重，烘干后測(cè)各器官干物重、含氮量，測(cè)定蓖麻籽粒的粗脂肪含量.含氮量用凱氏定氮-半微量蒸餾法測(cè)定［10］；粗脂肪含量采用經(jīng)優(yōu)化后的索式提取法測(cè)定［11］.

2 結(jié)果與分析

2.1 基于異速生長(zhǎng)關(guān)系的氮肥效應(yīng)因子模型構(gòu)建

氮肥用量對(duì)蓖麻籽粒油分含量有影響，其影響可用氮肥效應(yīng)因子來(lái)訂正，計(jì)算如下.

其中，TMNC為蓖麻地上部植株最小含氮量（%），TCNP為植株臨界含氮量（%），TANC為植株實(shí)際含氮量（%），TBNC為植株最高含氮量（%）.

在本試驗(yàn)條件下，蓖麻植株最高含氮量、臨界含氮量和最小含氮量均與植株干物重呈異速生長(zhǎng)關(guān)系.

上式中，DWP為蓖麻植株干物重.PDT為生理發(fā)育時(shí)間，其計(jì)算見(jiàn)參考文獻(xiàn)［8］.

2.2 基于異速生長(zhǎng)理論的蓖麻籽粒油分含量預(yù)測(cè)模型

異速生長(zhǎng)理論指出生物體特征變量和生物量的關(guān)系可以用冪函數(shù)表示.本研究中，蓖麻籽粒油分含量與籽粒干物重呈典型的冪函數(shù)關(guān)系，可用異速生長(zhǎng)模型表達(dá).此外，蓖麻籽粒在油分形成的過(guò)程中，除受氮素營(yíng)養(yǎng)的影響外，還要受到溫度、日長(zhǎng)等外界環(huán)境條件的影響.當(dāng)溫度小于籽粒灌漿的基點(diǎn)溫度時(shí)，溫度值越高，越有利于籽粒灌漿；當(dāng)溫度大于或等于籽粒灌漿的基點(diǎn)溫度時(shí)，溫度值越低，越有利于籽粒灌漿.當(dāng)日照時(shí)間少于臨界日照時(shí)間，則嚴(yán)重影響灌漿.當(dāng)日照時(shí)間大于蓖麻生長(zhǎng)的臨界日照時(shí)間，小于最適日照時(shí)間時(shí)，日照時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于灌漿.

上式中，BOAR（PDT）為PDT時(shí)刻蓖麻籽粒油分含量，DWG（PDT）為PDT時(shí)刻蓖麻籽粒干物重.F（Tmean）為溫度影響因子，取值在0～1之間.當(dāng)日均溫越接近最適溫度，F(xiàn)（Tmean）的值越接近1.Tmean為蓖麻在灌漿期間的日平均溫度，Tb為蓖麻籽粒灌漿的基點(diǎn)溫度，取值15 ℃，Tm為最高溫度，取值35 ℃，TO為蓖麻籽粒灌漿的最適溫度.本研究中，取值為25 ℃［7］.

SDF為日照對(duì)蓖麻籽粒灌漿的影響因子，取值在0～1之間.DL為蓖麻灌漿期間的日平均日照時(shí)數(shù)（h），DLo為蓖麻灌漿期的最適日照時(shí)間，DLc為蓖麻灌漿期間的臨界日照時(shí)間，根據(jù)文獻(xiàn)資料［8］及本研究的結(jié)果，10 h是蓖麻灌漿的最適日照時(shí)間，少于3 h則嚴(yán)重影響蓖麻灌漿.

2.3 模型檢驗(yàn)

運(yùn)用通遼市科爾沁區(qū)農(nóng)牧業(yè)高新園區(qū)試點(diǎn)2017 年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用絕對(duì)預(yù)測(cè)誤差A(yù)E、均方根誤差RMSE、相對(duì)均方根誤差RRMSE、模型效率EF和剩余系數(shù)CRM等指數(shù)對(duì)本模型進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià).

式中，AE為絕對(duì)誤差.OBSi為觀測(cè)值，SIMi為模擬值，n為樣本容量.RRMSE（percent relative rootmean square error）取值范圍0～+∞，0 為最好.EF（modeling efficiency）取值范圍-∞～1，1 表示模擬精度最好.CRM（coefficient of residualmass）可為正值或負(fù)值，正值表示對(duì)觀測(cè)值模擬偏低，負(fù)值表示對(duì)觀測(cè)值模擬偏高，0表示模擬精度最好.RMSE（rootmeansquareerror）取值范圍0～+∞，0為最好.

不同品種不同處理蓖麻籽粒灌漿期間油分含量實(shí)測(cè)值與模擬值的絕對(duì)誤差見(jiàn)表1.

表1 灌漿期籽粒油分含量實(shí)測(cè)值與模擬值的絕對(duì)誤差Tab. 1 Absolute error between measured and simulated value of grain oil content during grain filling period %

表1顯示，本模型的絕對(duì)預(yù)測(cè)誤差在0.11%～5.22%間.

對(duì)不同品種不同處理蓖麻籽粒灌漿期間油分含量實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行比較，見(jiàn)圖1.

圖1 不同品種不同處理蓖麻籽粒油分含量實(shí)測(cè)值與模擬值的比較Fig. 1 Comparison of measured and simulated value of castor grain oil content in different varieties and treatments

運(yùn)用均方根誤差RMSE、相對(duì)均方根誤差RRMSE、模型效率EF和剩余系數(shù)CRM等指數(shù)對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2.顯示RMSE在0.413 8～3.032 3 之間，RRMSE在6.813 2～10.847 7 之間，EF在0.052 6～0.858 4之間，CRM在-0.047 3～0.010 4之間，模型表現(xiàn)出較好的預(yù)測(cè)性.

表2 模型檢驗(yàn)相關(guān)指數(shù)Tab. 2 Model test relevant index

3 討論

描述個(gè)體大小和生理屬性關(guān)系的規(guī)律叫做異速生長(zhǎng).目前，異速生長(zhǎng)關(guān)系主要應(yīng)用在樹(shù)木的生物量分配研究方面.孫蒙柯運(yùn)用異速生長(zhǎng)關(guān)系研究了武夷山常綠闊葉林木本植物小枝生物量分配表明小枝重和莖重在喬木中呈異速生長(zhǎng)關(guān)系［12］.朱江等［13］用異速生長(zhǎng)模型研究了山西太岳山華北落葉松生物量分配格局.冷寒冰等用異速生長(zhǎng)模型分析了上海兩種常綠闊葉樹(shù)種生物量分配［14］.在大田作物方面，王子勝等［15］運(yùn)用異速生長(zhǎng)理論，建立了東北特早熟棉區(qū)不同群體棉花氮臨界濃度稀釋模型，認(rèn)為不同種植密度下棉花氮臨界濃度與地上部最大生物量間均符合冪函數(shù)關(guān)系，即異速生長(zhǎng)關(guān)系.薛曉萍等［16］基于臨界氮濃度稀釋模型，建立了棉株地上部氮素與干物質(zhì)累積量之間的異速生長(zhǎng)模型和氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)模型.本研究運(yùn)用異速生長(zhǎng)關(guān)系，建立了蓖麻植株含氮量隨植株干物質(zhì)積累和蓖麻籽粒油分含量隨干物質(zhì)積累的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，模型考慮了氮素營(yíng)養(yǎng)、溫度和日照對(duì)灌漿期籽粒油分積累的影響.模型評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)結(jié)果表明，RMSE在0.413 8～3.032 3之間，RRMSE在6.813 2～10.847 7之間，EF在0.052 6～0.858 4之間，CRM在-0.047 3～0.010 4之間，模型表現(xiàn)出較好的預(yù)測(cè)性.