應(yīng)用生態(tài)學報 Chinese Journal of Applied Ecology ISSN 1001 9332 CN 21 1253 Q 應(yīng)用生態(tài)學報 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)論文 題目 中國蔬菜生長模型研究進展 作者 伍袁泉 趙闖 王若詩 王茜 叢佳慧 楊曉光 馮利平 DOI 10 13287 j 1001 9332 202412 015 收稿日期 2024 06 04 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)日期 2024 10 22 引用格式 伍袁泉 趙闖 王若詩 王茜 叢佳慧 楊曉光 馮利平 中國蔬菜生長模 型研究進展 J OL 應(yīng)用生態(tài)學報 https doi org 10 13287 j 1001 9332 202412 015 網(wǎng)絡(luò)首發(fā) 在編輯部工作流程中 稿件從錄用到出版要經(jīng)歷錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿等階 段 錄用定稿指內(nèi)容已經(jīng)確定 且通過同行評議 主編終審?fù)饪玫母寮?排版定稿指錄用定稿按照期 刊特定版式 包括網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)版式 排版后的稿件 可暫不確定出版年 卷 期和頁碼 整期匯編定稿指出 版年 卷 期 頁碼均已確定的印刷或數(shù)字出版的整期匯編稿件 錄用定稿網(wǎng)絡(luò)首發(fā)稿件內(nèi)容必須符合 出 版管理條例 和 期刊出版管理規(guī)定 的有關(guān)規(guī)定 學術(shù)研究成果具有創(chuàng)新性 科學性和先進性 符合編 輯部對刊文的錄用要求 不存在學術(shù)不端行為及其他侵權(quán)行為 稿件內(nèi)容應(yīng)基本符合國家有關(guān)書刊編輯 出版的技術(shù)標準 正確使用和統(tǒng)一規(guī)范語言文字 符號 數(shù)字 外文字母 法定計量單位及地圖標注等 為確保錄用定稿網(wǎng)絡(luò)首發(fā)的嚴肅性 錄用定稿一經(jīng)發(fā)布 不得修改論文題目 作者 機構(gòu)名稱和學術(shù)內(nèi)容 只可基于編輯規(guī)范進行少量文字的修改 出版確認 紙質(zhì)期刊編輯部通過與 中國學術(shù)期刊 光盤版 電子雜志社有限公司簽約 在 中國 學術(shù)期刊 網(wǎng)絡(luò)版 出版?zhèn)鞑テ脚_上創(chuàng)辦與紙質(zhì)期刊內(nèi)容一致的網(wǎng)絡(luò)版 以單篇或整期出版形式 在印刷 出版之前刊發(fā)論文的錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿 因為 中國學術(shù)期刊 網(wǎng)絡(luò)版 是國家新聞出 版廣電總局批準的網(wǎng)絡(luò)連續(xù)型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以簽約期刊的網(wǎng)絡(luò)版上網(wǎng)絡(luò)首 發(fā)論文視為正式出版 應(yīng)用生態(tài)學報 中國蔬菜生長模型研究進展 1 伍袁泉 趙 闖 王若詩 王茜 叢佳慧 楊曉光 馮利平 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院氣象系 北京 100193 通信作者 E mail zhaochuang 摘要 蔬菜生長模型作為在不同環(huán)境下預(yù)測作物生產(chǎn)力的重要工具 不僅能動態(tài)模擬蔬菜生長發(fā)育的基本過程 還能 反映不同環(huán)境因子 管理措施對各個過程的影響 國外學者自 20 世紀 80 年代開始研究蔬菜生長模型 包括溫室黃 瓜 番茄 甜椒 洋蔥等主要蔬菜作物 但國內(nèi)蔬菜模型發(fā)展歷史和進程尚不明確 本 文綜述了我國蔬菜模型研究發(fā) 展歷史 國內(nèi)蔬菜模型的研究起步較晚 但近年來發(fā)展較快 從最初對國外現(xiàn)有模型進行驗證和拓展到基本實現(xiàn)了蔬 菜模型的本土化 過程化和綜合化 但是 目前國內(nèi)模型依然存在普適性差 設(shè)施環(huán)境模擬性能不足 模型開發(fā)缺乏 統(tǒng)一標準 針對蔬菜栽培管理措施的模擬考慮較少 蔬菜的品質(zhì)模擬機理性不強等問題 未來研究需要兼顧模型復(fù)雜 性和較高的準確性 普適性及機理性 關(guān)鍵詞 蔬菜 模型模擬 生長發(fā)育 產(chǎn)量與品質(zhì) DOI 10 13287 j 1001 9332 202412 015 Research advance on vegetable growth models in China WU Yuanquan ZHAO Chuang WANG Ruoshi WANG Xi CONG Jiahui YANG Xiaoguang FENG Liping Department of Meteorology College of Resources and Environment China Agricultural University Beijing 100193 China Abstract Vegetable growth models serve as crucial tools for predicting crop productivity under various environments They not only dynamically simulate the basic processes of vegetable growth and development but also reflect the impact of different environmental factors and management practices on these processes Foreign scholars began researching vegetable growth models in the 1980s including greenhouse cucumbers tomatoes bell peppers onions and other major vegetable crops However the history and progress of domestic vegetable model development in China are not yet clear We reviewed the history of vegetable model research development in China which started relatively late but had developed rapidly in recent years It has evolved from initially verifying and expanding existing foreign models to essentially achieving localization process oriented and integration of vegetable models Nevertheless domestic models still face issues such as poor universality insufficient simulation performance in facility environments lack of unified standards for model development limited consideration of simulation for vegetable cultivation management practices and weak mechanistic simulation of vegetable quality Future research needs to balance complexity with high accuracy universality and mechanistic understanding while developing models Key words vegetable model simulation growth and development yield and quality 蔬菜作為 人們 日常膳食的重要組成部分 富含多種維生素和膳食纖維 對人體健康至關(guān)重要 我 國是蔬菜生產(chǎn)大國 自 2011 年起 蔬菜產(chǎn)量已超過糧食產(chǎn)量并成為 我國第一大農(nóng)產(chǎn)品 同時全國蔬 菜供給由生產(chǎn)總量供應(yīng)不足逐步發(fā)展到周年供應(yīng)趨于平衡 1 隨著生活水平的不斷提高 人們對蔬菜 的需求量和品質(zhì)要求也越來越高 因此 深入探索提升蔬菜產(chǎn)量與品質(zhì)的途徑 確保蔬菜的全年均衡 供應(yīng)以及實現(xiàn)其生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展 成為了關(guān)乎國家糧食安全與國民健康安全的重大議題 蔬菜生長 模型作為精確管理蔬菜生產(chǎn)的有力工具 對蔬菜生產(chǎn)具有重要的理論指導意義和應(yīng)用價值 收稿日期 2024 06 04 基金項目 國家自然科學青年基金項目 42201032 和拼多多 中國農(nóng)業(yè)大學研究基金項目 PC2023B01004 資助 作者簡介 伍袁泉 女 2003 年生 本科生 主要從事作物模型研究 E mail 2021303090419 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時間 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址 2024 10 22 11 46 55 2 應(yīng)用生態(tài)學報 蔬菜生長模型是綜合利用數(shù)學建模和計算機技術(shù) 對不同環(huán)境和管理措施下的蔬菜生長發(fā)育相關(guān) 的生理生態(tài)過程進行動態(tài)定量模擬和預(yù)測的數(shù)學模型 它 注重 對蔬菜的生長發(fā)育 光合生產(chǎn) 產(chǎn)量形 成等過程及其與環(huán)境生態(tài)因子的關(guān)系進行概括和數(shù)量分析 不僅能將 蔬菜 生長機理與實際生產(chǎn)相結(jié) 合 還能為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學的指導 以優(yōu)化栽培管理措施和提高蔬菜的產(chǎn)量及品質(zhì) 與此同時 蔬 菜生長模型作為實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)的重要手段 可以對蔬菜產(chǎn)量進行預(yù)測 進而為市場供應(yīng) 價格波動和 供應(yīng)鏈管理提供信息支持 隨著科技的不斷發(fā)展 模型可以與遙感 GIS 物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)相結(jié)合 形 成一個綜合的精準農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng) 以實現(xiàn)田間管理的自動化和智能化 在 全球氣候變化 的大背景下 聚焦蔬菜生長發(fā)育研究 有助于 了解不 同蔬菜對不同氣候的適應(yīng)性 為不同地區(qū)的蔬菜種植選種 及評估 氣候變化對蔬菜生長的影響 提供參考 近年來 氣候智能型農(nóng)業(yè)應(yīng)運而生 我國不斷強化頂層設(shè)計 在 2022 年發(fā)布 國家適應(yīng)氣候變化戰(zhàn)略 2035 2 明確了發(fā)展氣候智能型農(nóng)業(yè)的一系列措施并出臺 相關(guān)政策 因此 研究蔬菜生長模型對提高我國農(nóng)業(yè)應(yīng)對氣候變化的能力 推動農(nóng)業(yè) 綠色低碳轉(zhuǎn)型 和 可持續(xù) 發(fā)展 具有重要意義 目前有關(guān)我國蔬菜生長模型的研究綜述較少 這也限制了蔬菜生長模型研究 成果的廣泛傳播與深入交流 本文通過系統(tǒng)梳理國內(nèi)有關(guān)蔬菜生長模型的研究文獻 明確了我國蔬菜生 長模型的發(fā)展進程與研究現(xiàn)狀 并提出了現(xiàn)有模型存在的問題以及未來的發(fā)展方向 以期為推動蔬菜生 長模型研究的深入發(fā)展 指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐 促進農(nóng)業(yè)信息化與智能化發(fā)展提供參考 1 我國蔬菜生長模型研究進展及現(xiàn)狀 自 20 世紀 90 年代末 以來 我國學者通過借鑒國外已有的模型并結(jié)合國內(nèi) 實際生產(chǎn)環(huán)境和 條件 在蔬菜生長模型的研究上取得了豐 碩 的成果 21 世紀初 以南京農(nóng)業(yè)大學為代表的研究團隊開發(fā)了 番茄 黃瓜 甜瓜 甜椒等溫室蔬菜的生長模型 之后西北農(nóng)林科技大學 石河子大學 山西農(nóng)業(yè)大 學 沈陽農(nóng)業(yè)大學等也開展了相關(guān)模型的研究工作 隨著數(shù)據(jù)獲取技術(shù) 人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不 斷進步 我國的蔬菜生長模型研究也在不斷深入 具體來講 國內(nèi)對蔬菜生長模型的研究主要包括 對 生育期進程的模擬 干物質(zhì)生產(chǎn)與分配的模擬 產(chǎn)量 形成和品質(zhì)形成 的模擬 其發(fā)展歷史如圖 1 所 示 圖 1 中國蔬菜生長模型各模塊發(fā)展歷史 Fig 1 Development history of each module of vegetable growth models in China 伍袁泉等 中國蔬菜生長模型研究進展 3 1 1 生育期進程 生育期是指 蔬菜 從出苗到成熟 或收獲 所經(jīng)歷的時間 對于蔬菜生育期的模擬 在 20 世紀 90 年代 末 李萍萍等 3 借鑒 國外 MACROS 模型 4 的研究思路 以生菜生長發(fā)育過程中的生長速率為基礎(chǔ) 構(gòu)建了用于模擬溫室生菜生長動態(tài)及其生產(chǎn)潛力的模型 該模型 對生菜抽苔期預(yù)測的精確度較高 預(yù) 測結(jié)果與實際抽苔期僅差 1 d 21 世紀初 我國學者通過借鑒國外的有效積溫法 5 對溫室蔬菜的生育 期開展研究 有效積溫法是將 蔬菜 的發(fā)育速率與有效積溫 看 作線性相關(guān) 利用累積生長度日來表示 蔬 菜 各個生育階段 6 這也是最常用的方法 其計算公式為 1 式中 GDD 為有效積溫 Td 為日平均溫 度 Tb 為所研究蔬菜的發(fā)育基點溫度 且 Td Tb 利用有效積溫法 徐剛等 7 建立了溫室長季節(jié)栽培番茄發(fā)育動態(tài)模擬模型 施澤 平等 8 建立了溫室甜瓜發(fā)育的動態(tài)模擬模型 謝祝捷等 9 建立了溫室黃瓜發(fā)育速率模型 雖然有效積 溫法的計算公式簡單且輸入?yún)?shù)少 但 也存在 不足之處 溫度與蔬菜的發(fā)育速率并非一直呈線性關(guān) 系 實際上在最佳溫度范圍內(nèi) 溫度與發(fā)育速率之間的關(guān)系呈 S 型曲線 10 蔬菜對溫度的敏感性并 非恒定不變 該方法只考慮溫度而忽略了光周期對蔬菜生長的影響 因此 其 普適性較差 只有 在光 溫變化同步的條件下模擬效果較好 11 13 為進一步考慮溫度和光照對蔬菜生長的影響 生理發(fā)育時間法被用于模擬更復(fù)雜的生育期進程 為預(yù)測蔬菜各個階段的發(fā)育提供了一個新的角度 生理發(fā)育時間是指 蔬菜 在最適的光溫條件下完成某 一生育階段所需要的時間 14 基于生理發(fā)育時間 我國學者先后建立了溫室番茄 14 溫室網(wǎng)紋甜 瓜 15 溫室黃瓜 16 溫室茄子 17 等 蔬菜的 生育期模擬模型 模擬精度相較于有效積溫法得到了顯著 提升 以李永秀等 16 基于生理發(fā)育時間所建立的溫室黃瓜生育期模擬模型為例 生理發(fā)育時間 PDT 可由每日相對生理發(fā)育效應(yīng) RPDE 累積獲得 2 RPDE 在幼苗前和開花后不受光周期的影響 僅由每日相對熱效應(yīng) RTE 決定 自幼苗后到開花 前 RPDE由 RTE與每日相對光周期效應(yīng) RPE 共同決定 即 3 式中 GER 為播種到幼苗時所需要累積的生理發(fā)育時間 d FLO 為從播種到開花時所需要累積 的生理發(fā)育時間 d 自 21 世紀 10 年代起 我國模擬蔬菜生育期 研究 取得了顯著進展 研究方法不僅多樣化且持續(xù)深 化 表 現(xiàn)出本土化 和 復(fù)雜化的趨勢 這一時期 研究者們 不斷 創(chuàng)新 研究 方法 如李萍萍 等 18 采用正弦 指數(shù)函數(shù)法成功構(gòu)建了溫室黃瓜生育期的精準預(yù)測模型 標志著模型構(gòu)建技術(shù)的初步飛躍 隨后 Wang 等 19 聚焦于環(huán)境溫度對 蔬菜 發(fā)育速率的直接影響 引入生理發(fā)育時間概念 優(yōu)化了番茄生長發(fā) 育的模擬模型 進一步提升了模型的實用性 李彭麗等 20 為考慮溫度變化對蔬菜生長的影響并準確描 述在超過生長適宜溫度情況下溫度對蔬菜生長發(fā)育的影響 構(gòu)建了以累積熱量單位為衡量尺度的甜瓜 幼苗發(fā)育期模擬模型 進入 21 世紀 20 年代 蔬菜模型 研究邁向了新高度 鐘模型作為一種先進的 模 擬工具被引入 到 溫室蔬菜生育期預(yù)測中 程陳等 21 利用鐘模型針對溫室黃瓜的生長發(fā)育特性 建立了 更為精細的模擬模型 展現(xiàn)了鐘模型在復(fù)雜環(huán)境條件下的強大適應(yīng)性 溫永菁 22 將鐘模型應(yīng)用于溫室 番茄的模擬 進一步驗證了其在不同蔬菜種類中的廣泛應(yīng)用潛力 牛寧等 23 用鐘模型 生理發(fā)育時間 法和有效積溫法對日光溫室櫻桃番茄的動態(tài)發(fā)育過程進行模擬 結(jié)果表明 鐘模型在提升櫻 桃番茄生 育期 模擬的準確性和適應(yīng)性方面具有獨特優(yōu)勢 為溫室蔬菜生育期模擬研究開辟了新的路徑 這一系 列研究成果不僅豐富了我國在該領(lǐng)域的理論體系 也 為實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了強有力的科技支撐 4 應(yīng)用生態(tài)學報 近年來 我國學者 對蔬菜生長及其與環(huán)境的關(guān)系進行了深入研究 從單個因子的基本過程發(fā)展到 多因子綜合的小氣候模型 不僅 聚焦于非正常環(huán)境條件下的蔬菜生育期研究 還在模型構(gòu)建中引入了 微氣候適宜度指數(shù) 24 可以更加全面 直觀地描述多種氣候因子對蔬菜生長速率的影響 高若星 等 25 為準確描述寡日照天氣條件對設(shè)施番茄生長的影響 利用 EPIC 模型中的作物生長模塊 開發(fā)了 寡日照條件下設(shè)施番茄生長模型 Zhu 等 26 利用生理發(fā)育時間法 輻熱積法和有效積溫法構(gòu)建了不同 氮素水平 下的辣椒生育期模擬模型 結(jié)果表明 以生理發(fā)育時間為指標建立的模型是模擬不同氮素水 平下辣椒生育期的最佳模型 1 2 干物質(zhì)生產(chǎn)與分配 干物質(zhì)的生產(chǎn)和分配是蔬菜產(chǎn)量形成的重要物質(zhì)基礎(chǔ) 葉面積指數(shù)作為蔬菜生長過程中的一個重 要生理參數(shù) 與光合生產(chǎn) 干物質(zhì)的分配等過程密切相關(guān) 葉面積指數(shù)通常是指單位地表面積上單面 葉片的面積之和 27 通過合理調(diào)控葉面積指數(shù)可以促進干物質(zhì)的生產(chǎn)和合理分配 21 世紀 00 年代初 期 我國學者通過借鑒國外的積溫法和比葉面積法對溫室番茄 28 溫室黃瓜 29 進行 了 葉面積指數(shù)的 模擬 積溫法是通過建立葉面積與生育期的函數(shù)來進行葉面積指數(shù)模擬 30 該方法的模型簡單且參數(shù) 較少 但是它只考慮溫度而忽略輻射對葉面積的影響 因此 在光溫同步變化的大田條件下的模擬效 果較好 31 而比葉面積法的機理性更強 它是利用葉干重與比葉面積的乘積來模擬葉面積 但 其 只適 合在水肥不受限制的條件下使用 且只能破壞性取樣 32 為突破積溫法和比葉面積法的局限性 并綜合考慮溫度和光合有效輻射對作物發(fā)育的影響 李永 秀等 33 將 輻熱積 熱效應(yīng)與光合有效輻射的乘積 引入溫室蔬菜的葉面積指數(shù)模擬研究中 進 而利 用輻熱積對溫室黃瓜葉面積進行模擬 并與傳統(tǒng)的積溫法和比葉面積法得到的結(jié)果進行對比 結(jié)果表 明 輻熱積法在預(yù)測精度上有較大的優(yōu)勢 顯著提升了模型的準確性 實用性和機理性 在該模型中 輻熱積 TEP MJ m 2 可由每日相對輻熱積 RTEP MJ m 2 d 1 累積獲得 即 4 5 式中 RTEi為一天內(nèi)第 i 小時的平均相對熱效應(yīng) 無量綱 PARi為一天內(nèi)第 i 小時的平均光合 有效輻射 J m 2 s 1 3600 和 106為單位換算系數(shù) 此 后 輻熱積法在模擬溫室番茄 30 溫室網(wǎng)紋甜瓜 15 的葉面積指數(shù)上得到廣泛運用 雖然輻熱 積法相較于積溫法和比葉面積法在模型的機理性和準確性上有所改進 但在不同品種和地點的適用性 上仍存在限制 為了進一步完善這一方法 并提高模型的普適性 需要深入研究光溫條件如何影響溫室 蔬菜葉片的出生速率和伸展速率 30 2010 年 徐蕊等 34 提出了溫室作物葉面積指數(shù)的光溫模型 并 應(yīng)用在溫室黃瓜和甜椒的葉面積指數(shù)模擬上 該模型將冠層截光率作 為 節(jié)間發(fā)育率的函數(shù) 并根據(jù)特 定葉片的大小和伸長速率來預(yù)測葉面積指數(shù) 可以更好地預(yù)測不同緯度 不同種植密度 和修剪措施下 溫室作物的葉面積指數(shù) 但在實際生產(chǎn)中 經(jīng)常會通過施肥來促進蔬菜的生長發(fā)育 定量分析施肥量 對蔬菜葉面積指數(shù)的影響對優(yōu)化施肥管理 保護農(nóng)田生態(tài)環(huán)境具有重要意義 岳延濱等 35 構(gòu)建了不同 氮素水平下辣椒葉面積指數(shù)動態(tài)模型 結(jié)果表明 施氮水平可以改善辣椒的冠層光合結(jié)構(gòu) 增大有效 光合面積 這也為優(yōu)化辣椒栽培管理提供了理論依據(jù) 隨著先進的光學儀器和 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 36 在葉面 積指數(shù)測定中的廣泛應(yīng)用 高精度的數(shù)據(jù)促進了蔬菜葉面積指數(shù)模擬模型 的 準確性和機理性 從而更 準確地模擬蔬菜對光能的捕獲與利用 模擬蔬菜 干物質(zhì)生產(chǎn)的方法 可 分為兩類 一類是基于 植株干物質(zhì)形成過程與環(huán)境因子的 經(jīng)驗回歸 模型 另一類是以光合作用為驅(qū)動的干物質(zhì)生產(chǎn)模型 37 國內(nèi)在實際生產(chǎn)上使用 第一種方法 較多 雷 波 38 利用 Logistic 方程構(gòu)建了基于輻熱積的水培生菜干物質(zhì)生產(chǎn)模擬模型 李建明等 39 基于干物質(zhì)生 產(chǎn)與生長度日的自然指數(shù)關(guān)系構(gòu)建了溫室甜瓜幼苗的干物質(zhì)生產(chǎn)回歸模型 這種方法相對簡單且參數(shù) 少 但由于是經(jīng)驗性模型 其 機理性 和可解釋性 較弱 在以光合作用為驅(qū)動的干物質(zhì)生產(chǎn)模型中 主 要通過計算冠層光合作用所生產(chǎn)的同化物積累量和呼吸作用 的消耗量 進而得出干物質(zhì)的生產(chǎn)量 37 伍袁泉等 中國蔬菜生長模型研究進展 5 即 6 式中 W 為干物質(zhì)增長速率 kg hm 2 d 1 DTGA 為一天內(nèi)該蔬菜的總光合量 kg CO2 hm 2 d 1 RM 為植物體維持呼吸消耗量 kg CO2 hm 2 d 1 RG 為生長呼吸消耗量 kg CO2 hm 2 d 1 ASRQ 為 CH2O 轉(zhuǎn)化為干物質(zhì)時的轉(zhuǎn)化系數(shù) kg CH2O kg 1 30 44 為光合產(chǎn)物由 CO2轉(zhuǎn)化為 CH2O 的分子量轉(zhuǎn)化系數(shù) 從 21 世紀 00 年代中期開始 我國學者通過將 已建立的葉面積指數(shù)模擬模型 與 以光合作用為驅(qū)動 的蔬菜生長模型相結(jié)合 構(gòu)建了適合我國溫室生產(chǎn)條件的溫室番茄 30 溫室黃瓜 33 溫室甜椒 40 等 干物質(zhì)生產(chǎn)模型 不僅實現(xiàn)了模型的本土化 還為進一步模擬其產(chǎn)量形成奠定 了 基礎(chǔ) 近 15 年來 鑒于上述研究沒有考慮到水分和養(yǎng)分對蔬菜干物質(zhì)生產(chǎn)的影響 為進一步提高模型的機理性和普適 性 研究者在模型中融入了水分和氮素的響應(yīng)模塊 如 徐蕊 41 構(gòu)建了溫室黃瓜干物質(zhì)生產(chǎn)對葉片含氮 量響應(yīng)的模擬模型 王新等 42 建立了滴灌加工番茄的干物質(zhì)生產(chǎn)與積累的模擬模型 為我國 干旱地區(qū) 準確預(yù)測加工番茄的產(chǎn)量提供 了 科學性的指導 王澤鵬等 43 提出了不同氮水平下的日光溫室茄子干物 質(zhì)積累模型 可以實現(xiàn)對日光溫室茄子干物質(zhì)積累量的動態(tài)預(yù)測 干物質(zhì)的分配是同化物通過運輸路徑從源器官流動到匯器官的最終結(jié)果 44 直接影響到 蔬菜 的產(chǎn) 量形成 早在 1980 年代 蔣先明 45 研究了蔬菜產(chǎn)量形成過程中的源庫關(guān)系 這對如何利用源庫關(guān)系 來調(diào)控蔬菜的產(chǎn)量形成具有重 要的生產(chǎn) 意義 21 世紀初 李靈芝等 46 對溫室番茄的干物質(zhì)分配規(guī)律 開展 了 相關(guān)研究 21 世紀 00 年代中后期 研究者 通過引進國外的分 配指數(shù)法 47 模擬 了 溫室番茄 48 溫室黃瓜 49 和溫室甜瓜 50 的干物質(zhì)分配 以倪紀恒等 48 研究溫室番茄干物質(zhì)分配時用的分配指數(shù)法 為例 在利用分配指數(shù)法時通常假定光合作用產(chǎn)生的同化產(chǎn)物首先會在植物的地上部分和地下部分之 間進行分配 隨后這些產(chǎn)物會繼續(xù)在各個地上部分之間進行再分配 具體相關(guān)分配指數(shù)的計算公式 為 7 8 式中 PIS 為地上部分分配指數(shù) PIR 為根分配指數(shù) WSH 為地上部分干重 kg hm 2 B 為總 干物質(zhì)量 kg hm 2 9 10 11 式中 PIST PIL PIF 分別為莖 葉和果實的分配指數(shù) Ws Wl Wf 分別為莖 葉和果實的干 重 kg hm 2 隨著干物質(zhì)分配模型研究的不斷深入 分配系數(shù)法 51 庫強調(diào)節(jié)模型 52 以及 源庫調(diào)節(jié)法 53 也在 國內(nèi)得到推廣和應(yīng)用 謝祝捷等 54 利用庫強調(diào)節(jié)函數(shù)建立了溫室黃瓜的干物質(zhì)分配模型 朱晉宇 等 55 基于源庫調(diào)節(jié)法將單葉同化物生產(chǎn)模型與 GreenLab 模型相結(jié)合 對溫室番茄的干物質(zhì)生產(chǎn) 與 分 配進行了更為精確的 模擬 與倪紀恒等 48 基于分配指 數(shù)所建立的溫室番茄干物質(zhì)生產(chǎn)與分配模型相 比 朱晉宇等 55 構(gòu)建的模型能實現(xiàn)單穗果實生產(chǎn)的動態(tài)模擬 更具機理性 分配系數(shù)法和分配指數(shù)法 的優(yōu)勢在于原理簡單 參數(shù)少且易確定 但是也存在機理性 和 普適性較差的缺陷 37 且分配系數(shù)法更 適用于大田作物 在庫強調(diào)節(jié)模型中 干物質(zhì)在生長器官和果實中分配的比例是由各個器官自身的庫 強所決定的 而 源庫調(diào)節(jié)法強調(diào)植物本身的運輸能力和庫對同化產(chǎn)物的利用能力在植株的地下與地上 各器官之間分配過程中 的 重要性 雖然更具機理性 但也 存 在參數(shù)多 難獲取且實用性弱的不足 56 因此 在 應(yīng)用這些方法時需要根據(jù)具體情況權(quán)衡其優(yōu)缺點 選擇最適合的方法來進行模擬 21 世紀 20 年代以來 我國在蔬菜干物質(zhì)分配模型的修訂和研究中不僅考慮了環(huán)境因子和管理措施的影響 6 應(yīng)用生態(tài)學報 還覆蓋了更多的蔬菜品種 這對提高模型的應(yīng)用性和普適性具有重大意義 石小虎等 57 基于輻熱積研 究了不同灌水量處理下日光溫室青椒 的 干物質(zhì)生產(chǎn)與分配模型 程陳等 58 利用分配指數(shù)法對溫室芹菜 建立了基于單株累積輻熱積的干物質(zhì)分配模擬模型 但是目前對蔬菜干物質(zhì)分配的內(nèi)在機理的探討尚 不充分 這仍是 我 國蔬菜生長模型研究的薄弱環(huán)節(jié) 15 1 3 產(chǎn)量 形成 在實際生產(chǎn)中 蔬菜最終的產(chǎn)量和品質(zhì)是 人們 關(guān)注的重點 通過模型預(yù)測出的產(chǎn)量結(jié)果可以為調(diào) 整生產(chǎn)管理措施提供指導 因此 研究蔬菜產(chǎn)量形成過程具有重要的科學意義和經(jīng)濟價值 產(chǎn)量形成 過程的主要研究內(nèi)容 包括 預(yù)測產(chǎn)量構(gòu)成要素 采收期 生物產(chǎn)量 經(jīng)濟產(chǎn)量等 對于不同外觀形態(tài)的 蔬菜 研究其產(chǎn)量形成的相關(guān)指標也有所差異 我國學者自 20 世紀 80 年代開始研究黃瓜 59 番 茄 60 甜椒 61 白菜 62 四棱豆 63 等蔬菜的產(chǎn)量形成 到 21 世紀 00 年代 逐步開始建立相關(guān)的產(chǎn) 量形成模型 64 66 在蔬菜產(chǎn)量的預(yù)測方法上 倪紀恒等 48 利用收獲指數(shù)法模擬 了 溫室番茄的產(chǎn)量 收 獲指數(shù)法是將干物質(zhì)分配模型中求得的果實總干重乘上收獲指數(shù) harvest Index HI 得出收獲的果 實干重 48 而收獲指數(shù)受輻射和溫度的影響 以倪紀恒等 48 建立的溫室番茄產(chǎn)量預(yù)測模型為例 其 收獲指數(shù)與累積輻熱積的擬合公式如下 12 式中 HI為收獲指數(shù) TEP 為累積輻熱積 MJ m 2 則收獲的果實干重計算公式為 13 式中 Ydi 為第 i 天收獲的果實干重 kg hm 2 Wfi 為第 i 天的果實干重 kg hm 2 在實際 生產(chǎn)中評估蔬菜產(chǎn)量往往用鮮重 因此 需要將計算出的干重轉(zhuǎn)化為鮮重 計算公式如下 14 式中 Yi 為番茄第 i 天收獲的果實鮮重 kg hm 2 DMC 為果實干物質(zhì)含量 番茄為 0 05 在之后的研究中 收獲指數(shù)法被用于模擬溫室甜椒 40 溫室黃瓜 49 的產(chǎn)量 其優(yōu)勢在于模型簡 單 參數(shù)易獲取 實用性強 但對具有多次收獲過程的蔬菜 如番茄 黃瓜等易產(chǎn)生模擬誤差 因 此 也有研究利用果實橫 縱徑的經(jīng)驗性模型來模擬果實產(chǎn)量 以張智優(yōu)等 65 基 于果實鮮重與橫 縱 徑的立方值呈線性關(guān)系構(gòu)建的設(shè)施番茄產(chǎn)量模擬模型為例 番茄果實鮮重可用以下公式計算 15 或 16 式中 M 為果實鮮重 g W 為果實橫徑 mm H 為果實縱徑 mm Rw 為果實鮮重與 果實橫徑立方的系數(shù) Rh 為果實鮮重與果實縱徑立方的系數(shù) 另外 產(chǎn)量因素構(gòu)成法 也被應(yīng)用于模擬 豆類蔬菜的產(chǎn)量形成過程 以蕓豆為例 其產(chǎn)量構(gòu)成因素包括種植密度 單株莢數(shù) 單莢粒數(shù)和百粒 重 即 17 式中 Y 為單位面積蕓豆產(chǎn)量 kg hm 2 P 為蕓豆的種植密度 株 hm 2 M 為蕓豆單株莢 數(shù) 個 N 為蕓豆單莢粒數(shù) 個 B 為蕓豆的百粒重 g 郝曦煜等 67 為提高蕓豆產(chǎn)量并優(yōu)化 其產(chǎn)量形成模型 還 探究了氮 磷 鉀 3 種不同施肥量對蕓豆產(chǎn)量的單因素及互作效應(yīng) 近年來 隨 著深度學習和機器學習技術(shù)的快速發(fā)展 我國在 蔬菜 產(chǎn)量預(yù)測的模擬算法上 取得了較大 的進展 王曉 麗等 68 通過構(gòu)建粒子群算法優(yōu)化的支持向量機模型 成功預(yù)測了不同水肥條件下溫室番茄的產(chǎn)量和品 質(zhì) Lin 等 69 借鑒 TOMGRO 模型和 Vanthoor 模型并綜合 等 優(yōu)點 經(jīng)過擴展傅里葉振幅敏感性測試和 貝葉斯優(yōu)化 構(gòu)建了一個更合理 通用性更強的溫室番茄產(chǎn)量預(yù)測集成模型 尹義志 等 70 通過系統(tǒng)地 收集和分析番茄在日光溫室中的生長與產(chǎn)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn) 番茄的產(chǎn)量受到多種環(huán)境因素的共同影響 包 括溫度 濕度 灌溉量 氮磷鉀肥料施用量 CO2 濃度 和 光照強度等 為預(yù)測未來溫室番茄的產(chǎn)量 他們將上述關(guān)鍵因素作為產(chǎn)量預(yù)測模型的輸入?yún)?shù) 開發(fā)了一個基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型 Zhou 等 71 利用粒子濾波和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了基于知識的三步數(shù)據(jù)驅(qū)動方法 不 僅保留了基于過程的溫室 伍袁泉等 中國蔬菜生長模型研究進展 7 氣候 番茄產(chǎn)量模型的可解釋性 還提高了模型的預(yù)測精度 隨著人工智能等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和數(shù) 據(jù)采集方法的不斷進步 如何將蔬菜產(chǎn)量預(yù)測模型與 機器 在線學習相結(jié)合 實現(xiàn)模型的實時自動更 新 如何在簡化復(fù)雜的機理模型的同時 確保模型的預(yù)測精度 這些都是未來研究中需要考慮的問 題 72 1 4 品質(zhì)形成 蔬菜的品質(zhì)可分為外觀品質(zhì)和內(nèi)部品質(zhì)兩部分 關(guān)于蔬菜的品質(zhì)模擬研究主要包括預(yù)測收獲器官 的大小 形狀 鮮重 色澤 營養(yǎng)成分等 20 世紀 90 年代 沈火林等 73 通過試驗觀測對生菜的品質(zhì) 變化進行研究 但并沒有形成品質(zhì)模型 隨著計算機技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展 蔬菜的可溶性總 糖 單糖 維生素 C 蛋白質(zhì)等品質(zhì)形成模擬研究開始逐步深入 如張紅等 74 構(gòu)建了基于 Logistic 函 數(shù)的溫室甜瓜果實蔗糖 檸檬酸和糖酸比的動態(tài)模擬模型 準確預(yù)測了甜瓜成熟果實的內(nèi)部品質(zhì)特 性 并開始在實際生產(chǎn)中應(yīng)用 魏亦榕 75 基于生理輻熱積基本原理 建立了甜瓜果實單重 橫徑 縱 徑 果實網(wǎng)紋 果皮顏色等外觀品質(zhì)和果實可溶性固形物 維生素 C 可溶性總糖及單糖等內(nèi)部品質(zhì) 形成的模擬模型 滕林 76 以輻熱積為尺度 構(gòu)建了番茄各品質(zhì)指標 的模擬模型 以張紅等 74 基于 Logistic 函數(shù)構(gòu)建的溫室甜瓜果實糖酸積累模擬模型為例 其蔗糖積累 檸檬酸積累及糖酸比與有效 積溫 日溫差積的相關(guān)擬合公式如下 18 式中 Y 為果實生長發(fā)育過程中的 蔗糖積累 mg g 1 或檸檬酸積累 mg g 1 或糖酸比 X 為有 效積溫或日溫差積 a b c 均為常數(shù) 近十年來 我國學者通過田間試驗收集了大量有關(guān)蔬菜品質(zhì)形成與環(huán)境因子 管理措施之間關(guān)系 的數(shù)據(jù) 為深入了解蔬菜品質(zhì)變化及其與環(huán)境因子的響應(yīng)機制 模型的進一步開發(fā)與綜合化發(fā)展提供 了數(shù)據(jù)基礎(chǔ) 劉倩 77 將機器視覺方法和隨機森林 RF 算法引入溫室網(wǎng)紋甜瓜果實的外觀表型特征 及內(nèi)部品質(zhì)模擬模型中 不僅提高了模型的模擬精度 還進一步明確了溫室網(wǎng)紋甜瓜外部品質(zhì)與內(nèi)部 品質(zhì)對水分的響應(yīng)機制 Qin 等 78 探索了番茄果實綜合品質(zhì)與輻熱積之間的模擬模型 可準確模擬和 量化番茄果實成熟過程中果實品質(zhì)隨日光溫室環(huán)境條件變化的積累過程 另外 研究蔬菜成熟之后的 品質(zhì)變化模型對延緩蔬菜采收后的品質(zhì)劣變 優(yōu)化貯藏管理具有重要意義 如程陳等 79 構(gòu)建了基于標 準化脅迫積溫的黃瓜采后品質(zhì)模擬模型 量化分析了恒溫或微弱 溫度變化的貯藏環(huán)境對黃瓜果實采后 品質(zhì)的影響 提高了模型的應(yīng)用性 2 研究中存在的問題 過去幾十年來關(guān)于 我國 蔬菜生長模型的研究已經(jīng)取得了顯著的進展 在模型的構(gòu)建和應(yīng)用方面實 現(xiàn)了突破 但仍然存在一些問題和挑戰(zhàn) 2 1 模型普適性不足 現(xiàn)有 蔬菜生長 模型大多數(shù)都是基于特定地區(qū) 特定品種或是蔬菜的特定部位的 試 驗數(shù)據(jù)建立 而 我國南 北方的光溫條件存在較大差異 北方地區(qū)的黃瓜生長模型可能無法直接應(yīng)用于南方高溫高濕 環(huán)境 在模型的應(yīng)用上 由于我國幅員遼闊 氣候類型多種多樣 應(yīng)用的 局限性尤為突出 因此 如 何考慮復(fù)雜的氣候?qū)?蔬菜 生長發(fā)育的影響是今后改善和提高模型預(yù)測精度需要解決的關(guān)鍵問題 隨著 基因工程 生物技術(shù)的不斷發(fā)展和進步 設(shè)施蔬菜的品種和栽培方法也不斷更新 因此 模型的相關(guān) 參數(shù)也需要進行相應(yīng)的調(diào)整 以更好地反映實際情況 2 2 設(shè)施蔬菜的生產(chǎn)環(huán)境模擬性能不足 精確可靠的蔬菜生長模型包括不同生長階段的生物參數(shù)以及與之相關(guān)的環(huán)境因素數(shù)據(jù) 在設(shè)施蔬 菜生產(chǎn)中 溫室內(nèi)的溫度 濕度和光照等環(huán)境參數(shù)難以精確控制 會受外界天氣變化 設(shè)備性能等因 素影響而波動 溫室內(nèi)外部環(huán)境因子的轉(zhuǎn)化關(guān)系和模型可能并不穩(wěn)定 而目前已有模型對這一問題考 慮不 足 例如 當外界氣溫驟降時 即使溫室采取了加熱 保溫措施 但由于溫室結(jié)構(gòu) 保溫材料性 8 應(yīng)用生態(tài)學報 能差異及加熱設(shè)備響應(yīng)速度等因素的影響 溫室內(nèi)溫度的回升可能并不如預(yù)期迅速 導致模型預(yù)測的 生長速度與實際情況出現(xiàn)偏差 另外 設(shè)施環(huán)境中的數(shù)據(jù)收集可能受到傳感器精度 數(shù)據(jù)采集頻率和 數(shù)據(jù)處理方法等多種因素的影響 使模型輸入數(shù)據(jù)存在誤差 給溫室環(huán)境模擬模型的構(gòu)建帶來一定的 影響 從而導致對設(shè)施蔬菜生產(chǎn)環(huán)境的模擬效果較差 此外 進行蔬菜生長模型的研究需要長時間且 連續(xù)的觀測 數(shù)據(jù) 這不僅需要高精度的設(shè)備和技術(shù) 還涉及設(shè)備的維護和數(shù)據(jù)的收集 整個過程往往 需要大量的人力 物力和財力投入 2 3 模型的開發(fā)缺乏統(tǒng)一標準 在模擬相同的種植環(huán)境和氣候條件下 同一種蔬菜 時 每個學者的研究角度和研究方向都可能存在 差異 這些差異不僅體現(xiàn)在模型的結(jié)構(gòu)和算法上 還體現(xiàn)在一些參數(shù)的選擇和取值上 這可能會導致 模型間的可比性差 使得科研人員難以判斷哪個模型能更準確地反映蔬菜的生長過程 其次 建立模 型需要田間試驗的觀測數(shù)據(jù)作為參考 尤其是 在蔬菜外觀品質(zhì)模擬研究上 不同 種類 的蔬菜有不同的 測量標準 如果模型中的某些參數(shù)或變量與實測數(shù)據(jù)中的對應(yīng)項在定義 測量或計算方法上存在差 異 那么將難以判斷所構(gòu)建的模型是否符合蔬菜實際生長情況 這種情況也 限制了模型與其他信息技 術(shù)的有效結(jié)合 80 如精準農(nóng)業(yè) 智能溫室調(diào)控等 因為不同模型可能需要不同的數(shù)據(jù)接口和處理方式 才能與這些智能管理系統(tǒng)兼容 2 4 針對蔬菜的栽培管理措施的模擬考慮較少 在溫室生產(chǎn)中 除了常規(guī)的施肥 灌溉等傳統(tǒng)管理措施外 某些蔬菜 如番茄 黃瓜 茄子等還 需要通風 補光 修剪 摘心和整枝等特殊管理措施來調(diào)節(jié)蔬菜的生長環(huán)境 這類管理措施在模型中 基本未被考慮 或?qū)嶋H操作與模型預(yù)設(shè)不符 可能影響模型的準確性 以黃瓜的整枝措施為 例 當黃 瓜的主蔓長到一定高度時 需要通過整枝去除部分側(cè)蔓 以減少養(yǎng)分競爭 促進主蔓和保留側(cè)蔓的生 長 這也將影響黃瓜的干物質(zhì)分配及后續(xù)的產(chǎn)量形成 另外 蔬菜的種植密度或者間作會影響植株間 的生長競爭 例如 番茄與韭菜間作產(chǎn)生了利弊共存的生長效應(yīng) 溫室韭菜的養(yǎng)根期為 3 11 月 在 此期間間作番茄不僅不會影響到韭菜的養(yǎng)根 還可以提高溫室的生產(chǎn)效益 81 這是因為番茄是一種重 度養(yǎng)分消耗作物 而韭菜的根系較淺 對土壤養(yǎng)分的利用較少 兩者間作可以實現(xiàn)養(yǎng)分互補 再者 對于一些水培蔬菜來說 根系作為植株吸收水分和礦質(zhì)營養(yǎng)的 主要器官 其生長狀況直接影響植株地 上部分的生長和發(fā)育 而且其根系對溫度變化十分敏感 水培設(shè)施或管理措施的變化都會顯著影響根 際溫度 因此 在建立相關(guān)模型時考慮根際溫度是非常必要的 2 5 蔬菜的品質(zhì)模擬機理性不強 當前的蔬菜生長模型更側(cè)重于生育期 葉面積指數(shù) 產(chǎn)量等量化指標的模擬 而在蔬菜品質(zhì)方面 的模擬相對薄弱 且現(xiàn)有的品質(zhì)模型大多是以甜瓜 黃瓜 番茄的單一品質(zhì)指標為研究對象 蔬菜品 質(zhì)的形成是一個復(fù)雜的生物化學過程 涉及多種生理生化反應(yīng)和基因表達的調(diào)控 目前 蔬菜品質(zhì)形 成模型仍然停留在與單一變量如輻熱積等建 立簡單的經(jīng)驗統(tǒng)計模型層面 過程機理的研究還不夠深 入 導致在模型構(gòu)建的過程中難以準確描述這一過程 因此 加強對蔬菜品質(zhì)形成機理的研究是提升 蔬菜品質(zhì)模擬精度的關(guān)鍵 另外 蔬菜品質(zhì)是一個綜合性概念 構(gòu)建科學合理的蔬菜品質(zhì)評價體系 將多種品質(zhì)指標納入模型模擬范疇 對提高模型的實用性具有重要意義 3 未來研究發(fā)展方向 蔬菜 生長 模型研究對提升蔬菜產(chǎn)業(yè)的科技水平和促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用 通過整合分 析現(xiàn)有的研究成果可以發(fā)現(xiàn) 蔬菜生長模型在理論和應(yīng)用層面都取得了顯著進展 同時也面臨著許多 挑戰(zhàn) 未來的研究應(yīng) 重點 提高模 型的普適性和實用性 加強跨學科的交流合作 并充分利用信息技術(shù) 和人工智能 使 蔬菜生長模型研究 向 更高水平 更深層次的方向發(fā)展 3 1 加強基礎(chǔ)研究 當前 研究的蔬菜種類較少 主要集中于溫室番茄 溫室黃瓜 溫室甜椒等具有較高經(jīng)濟效益的作 伍袁泉等 中國蔬菜生長模型研究進展 9 物 未來研究還需 擴充 蔬菜 種類 在蔬菜產(chǎn)量的預(yù)測上 通常用鮮重數(shù)據(jù)來衡量一種蔬菜的經(jīng)濟產(chǎn) 量 而在模型的模擬中預(yù)測的是干物質(zhì)生產(chǎn) 積累和分配 15 因此 在模型的實際應(yīng)用中 如何將模 擬預(yù)測出來的干重換算成鮮重 同時降低誤差 還有待深入研究 溫室蔬菜生長模型研究的另一個難 點是關(guān)于化瓜 的模擬 化瓜是指幼瓜形成后 不能繼續(xù)正常發(fā)育成商品瓜 而出現(xiàn)黃萎 干癟 脫落 等現(xiàn)象 常出現(xiàn)在黃瓜 南瓜 西葫蘆等瓜類蔬菜中 由于溫室的環(huán)境相對封閉且溫濕度適宜 很容 易滋生病蟲害 例如 番茄易受到白粉虱的傷害 茄子易受到薊馬的危害 黃瓜易得霜霉病等 這些 病蟲害都可能造成化瓜現(xiàn)象 進而對其生長和產(chǎn)量形成產(chǎn)生嚴重影響 而現(xiàn)有的蔬菜生長模型中有關(guān) 病蟲害和化瓜的研究較少 在未來 模型 建模中 可以加入病蟲害模塊