不同基质下番茄耗水规律及生长指标数学模拟研究

2020-12-17柴景伟

节水灌溉 2020年12期

孟圆，王哲，夏辉，柴景伟

(1.河北农业大学城乡建设学院，河北保定 071000；2.河北省顺平县水利局，河北保定 072250)>

0 引言

水分是番茄生长发育的重要驱动因子，也是探索作物高产规律的重要内容[1]。研究表明，土壤水肥条件是影响作物耗水的重要因素[2]，且根系分布较浅，受生长环境因素影响较为明显。由此很多学者对番茄的灌水量和生长指标都有所研究。祁娟霞[3]研究是灌水量对番茄各植株生长指标、光合特性、果实及根系指标的影响效果较大，均随灌水量的增大而增加。费良军[4]等对日光温室滴灌条件下的基质栽培樱桃西红柿进行试验研究，各生育阶段的耗水量和耗水强度均随灌水量的增加而增加。王闯[5]等以椰糠、菇渣和珍珠岩为基质,按照不同配比混合,研究其对番茄株高、茎粗、根冠比、壮苗指数等指标的影响，筛选最佳番茄育苗基质配比，结果为T1(椰糠∶菇渣∶珍珠岩=2∶2∶1)更适宜番茄育苗。

在温室番茄种植过程中，基质类型、基质成分及基质中水分含量将直接影响番茄根系生长状况、作物地上部分生长发育和最终产量。因此，开展不同基质和水分下番茄根系的生长规律研究，对提高番茄水分及养分利用效率、甄选番茄种植中适用的基质类型、推动番茄产业发展具有重要意义。但番茄根系数量庞大且须根极多，本文用BP神经网络探讨了番茄一些生长指标与根系的关系。训练出的模型既有效地拟合了训练数据，同时也有较好的预测能力，为番茄生长发育预测提供另一种思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试番茄为福星高档粉果番茄。本试验基质分为3种(A、B、C)，A取自市区附近农田土，经过自然风干后与沙子、蛭石按体积比例8∶1∶1进行配制，B为购买于河北省保定市莲池区保育栽培厂的育苗营养土，C为自配基质，草炭土、珍珠岩与蛭石按3∶1∶1体积配制[6,7]。供试验土壤的理化性质如表1。

表1 供试土样理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of soil samples

1.2 试验设计

番茄温室试验于2018年在河北农业大学农田水利试验室内进行。试验所用灌溉方式为滴灌，试验所用温室占地24 m2(长6 m，宽4 m)，东西走向，坐北朝南。温室内温度为：白天23～30 ℃，夜间15～18 ℃，最低夜温不低于10 ℃；平均湿度为65%；生育期阶段分为幼苗生长期，开花坐果期和结果盛期，分别是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。试验中共设计基质和灌水两个因素，3种基质(A、B、C)，2个灌水量(W：100%ET0，D：75%ET0)，育苗箱种植为6个试验处理，每个试验处理设置3个重复。番茄每个育苗箱D、W灌水总量分别为40、30 mm，试验为盆栽种植。

1.3 测定指标及方法

用直尺测量株高、根长；用游标卡尺测量距离基质面1 cm处的茎粗；用人工目测法测量根尖数；地下部干重和鲜重的测定方法：用电子天平称其鲜重，然后放入105 ℃的烘箱中30 min，再放75 ℃恒温干燥箱中烘干24 h后称其干重。从每一个处理中选取10株幼苗对其进行生长指标测定，取其平均数以减小误差。

本次试验为确定不同处理下番茄的耗水量，自番茄移栽至盆内到番茄成熟，整个生育期内每隔2 d对盆栽番茄进行称重。通过连续称重计算番茄日耗水量。

1.4 数据处理

本文采用Microsoft Office Excel 2010进行试验数据处理，采用SPSS统计软件进行差异显著性检验(LSD法)，采用MATLAB软件对根系生长指标进行拟合及其预测。

2 结果与分析

2.1 不同基质和灌水量下的耗水规律

在不同基质和灌水量的条件下，番茄的耗水规律见图1，全生育期A、B、C基质的耗水强度变化规律基本一致。A、B、C基质在高、低灌水量下的日耗水强度分别0.66、0.43、1.43、1.22、0.68、0.54 mm/d。随着番茄生长的进行，在不同基质和高灌水量的交互影响下，番茄日耗水强度从11月1日开始显著增长，在同一灌水量下，B、C基质的番茄耗水强度显著增大，到达峰值后缓慢下降，耗水高峰期出现在开花坐果期(11月10日-12月2日)，“A基质+高灌水量”的影响下番茄耗水高峰出现在结果期(12月4日-次年1月11日)，A基质比B、C基质耗水量小，生长慢，发育周期延后，因此不利于番茄种植生长。

图1 番茄在不同基质和灌水量下的耗水强度规律曲线Fig.1 Water consumption intensity curve of Tomato under different substrate and irrigation amount

番茄在幼苗生长期(10月11日-11月8日)阶段，由于温室内相对湿度较高、温度较低、太阳辐射较低且植株幼小、生长缓慢、植株耗水强度较低；开花坐果期处于冬季温室大棚封棚后相对湿度较为干燥，所以植株耗水强度显著增加；结果盛期由于植株的根系生长基本结束，相对湿度、温度、太阳辐射处于一个较为稳定的状态，较开花坐果期的耗水强度下降。在高、低灌水量情况下，全生育期内耗水强度表现为B>C>A。

2.2 番茄地上部分生长指标

图2为番茄株高和茎粗在各生育期内的变化情况。从两幅图中可以看出番茄的株高和茎粗呈增长趋势；在同一个灌水水平下，植株长势出现明显差异，BW处理长势高于AW处理和CW处理，减小灌水量后，株高和茎粗生长速度并无明显下降。温室番茄在幼苗期和开花期比结果期生长速度快，此阶段A、B和C处理株高和茎粗平均增长9.4 mm和1.26 mm。到了成熟期温室番茄生长速率减缓并基本到达稳定。番茄株高和茎粗随着生育期的推进而增大，在结果盛期时，高灌水量(40 mm)时会抑制番茄茎粗和地下部分的生长。B基质株高的平均周生长速率最大为3，A基质株高的平均周生长速率最小1.32。关于周增长速率的结论是B>C>A。

综上说明：在B基质下高灌水量能够促进温室番茄植株生长；番茄株高与灌水量呈正相关，茎粗与灌水量呈负相关，各处理间有差异。

2.3 番茄地下部分生长指标

不同试验处理番茄根系生长指标动态变化如图3所示，图3(a)、(b)、(c)、(d)图分别为根尖数、根系长度、须根直径和主根长动态变化。由图3(a)可看出，各处理的根尖数都随着生育期的推移而增加。定植后29～75 d番茄根系各项指标呈现快速增长趋势，定植后117 d AW、BW、CW、AD、BD、CD处理较定植后75 d的根尖数日均增长量分别是1.6、6.54、2.4、4.07、8.8、1.05个，表现为BD>BW>AD>CW>AW>CD，尤其是BD处理增速最快。由图3(b)可看出，定植后117 d AW、BW、CW、AD、BD、CD处理较定植后20 d的根系长度分别增加686.04%、1 290.3%、803.2%、817.4%、1 018.18%、506.55%。各处理根长日均增长量分别是8.19、39.37、16.03、17.56、41.08、3.68 mm，与其他处理相比，BW处理根系长度日均增长量最大。由图3(c)可看出，各处理的平均须根直径为0.41、0.37、0.30、0.36、0.46、0.29 mm。由图3(d)可知BD和BW处理的番茄主根长涨势明显高于其他几组处理。

图2 番茄株高和茎粗在各生育期内的变化情况Fig.2 Changes of plant height and stem diameter in different growth stages of Tomato

图3 番茄地下部分生长指标动态变化Fig.3 Dynamic changes of growth indexes in underground part of Tomato

B处理在整个生育期稳步增长，该处理的幼苗根系平均根尖数和根系总长显著高于其他处理。综合幼苗根系形态指标，不适宜的基质和灌水量会抑制番茄幼苗地下部根系的生长积累，故BD处理有利于番茄根尖数根系增长。

2.4 生长指标和地下根系鲜重的BP神经网络

MATLAB作为在研究领域应用广泛的一种软件，可以快速建立回归分析预测模型，本文应用该软件中BP神经网络工具箱对番茄地下根系鲜重与生长指标之间的关系进行模拟。筛选出的5个相关参数，采用MATLAB中主成分分析法(PCA)进行分析找出最佳参数，最终结果可将前3个主成分作为预测模型的输入参数分别为株高，主根长，须根直径。将定植后第20～63 d的数据用于模型训练，第75 d和92 d用于预测检验。该BP神经网络的拓扑结构为3-2-1。本模型的学习率的初始值取为经验值0.065，为了能够使神经网络达到比较小的误差，研究选定的训练目标为1×10-8，训练次数2 000 次，学习速率为0.025，目标误差为0.000 05。

图4，图5，图6为对处理的训练和预测的模型结果。且每个处理经过MATLAB进行相关性分析相对应的R值分别为0.999 91、1、0.999 87、0.999 94、0.999 93、0.999 86。每个处理的训练数据的梯度与均方差之间关系比较好，不仅可以达到预期目标的误差，而且分别训练37、48、112、148、92、72次达到较小的误差；由图4，图5，图6可知实测值与拟合值基本吻合；处理AW、AD、BW、BD、CW、CD番茄地下根系鲜重经MATLAB进行训练预测第75 d的结果分别是0.543 4、1.059、5.042 4、3.686 6、2.278、1.833 7 g；同时第92 d后各处理的结果分别是0.557 2、0.336 6、7.478 3、6.311 2、2.381 7、0.900 3 g；与实测值相对误差范围是0.040%～0.398%。

图5 BW和BD地下根系鲜重对比图Fig.5 BW vs.BD root fresh weight

图6 CW和CD地下根系鲜重对比图Fig.6 CW vs.CD root fresh weight

3 讨论

单株番茄生育期内的蒸散量(耗水量)为92.38 kg，日蒸散量在0.14～1.8 kg；番茄耗水量与环境因子呈显著相关，不同光照强度下，植株耗水量存在显著差异[8]。试验中A、B、C基质在高、低灌水量下的日耗水强度分别0.66、0.43、1.43、1.22、0.68、0.54 mm/d，且耗水强度与基质和灌水量呈显著相关，进一步说明番茄的耗水规律与环境、基质、灌水等有直接联系，对节水灌溉有重大意义。刘浩[9]研究结果表明，温室番茄的需水规律表现为前期小，中期大，后期减小的变化规律，高峰期出现在开花坐果期和成熟采摘前期，这与本试验结果基本一致。张友贤[10]研究表明，处理L1由于水分亏缺，造成植株矮小，茎粗偏细，处理L3及CK由于供水充足，植株茂盛，株高较高，茎粗也较粗。这与本文有差异，本试验为灌水量高时会抑制番茄茎粗和地下部分的生长。

适宜的土壤水分状况有利于番茄的生长，番茄的株高、茎粗、叶面积、根系长度等各项生长指标均随着土壤含水率的升高而增大[11-13]这与本文研究具有一致性，而张燕等[14]灌水施肥量在番茄生长旺盛期反而会抑制茎粗增长，这可能与试验设置基质不同有关，有待进一步研究。灌水量过高会抑制番茄根系的生长，原因可能是水分胁迫促使根系向土壤深处生长，相应地加大深层根系生物量的分配比例。这与张坤[15]等灌溉制度为75%ET0的灌水定额更适宜根系研究一致。根系的数量一般通过数根或者仪器扫描得到，MATLAB是处理数据的常用手段，基于MATLAB的快速分析建立模型，预测数据精准，使得其在水利和农业上使用的越来越多，本文对MATLAB训练和预测的功能进行了使用，最后得到只需更改参数就可以预测任意生长指标的结果。