基于生长发育模拟模型的加工番茄氮素吸收模型研究

摘要

作物生长发育模型是利用系统理论方法对作物生长发育过程及其与环境的动态关系进行定量描述和预测，对指导生产者优化作物生长发育环境和调控栽培管理措施具有重要意义。氮肥是农业生产中需求量最大的化肥品种，对提高作物产量，改善农产品品质具有重要作用。滴灌是干旱半干旱地区的一种新型节水技术，具有节水、省肥和提高作物产量与品质的多重作用。加工番茄（Lycopersicon esculentum Mill）是我国以新疆地区为代表的干旱区特色优势产业，在新疆农业规划与发展中加工番茄产业占有十分重要的地位。通过近几年的发展和壮大，加工番茄已成为新疆“三大产业”之一，产量与番茄酱出口量均居全国首位。如何做到加工番茄产集约化发展，现代化管理与栽培已成为加工番茄产业发展中的关键技术问题。加工番茄种植过程中过量施用氮肥不仅不能提高产量而且造成了氮肥的浪费和生态环境的污染。因此，氮肥的精准、合理施用对提高加工番茄产量、品质和降低农业生产成本尤为重要。本研究于2010~2012年在新疆石河子大学农学院试验站开展。设置不同品种的播期和氮素水平试验。利用播期试验数据，建立了基于生理生态过程的加工番茄干物质生产、积累、分配和产量形成的模拟模型；利用氮素水平试验分析了加工番茄地上部生物量、氮累积及氮利用率的动态变化特征，构建了基于整株、叶片氮浓度的加工番茄临界氮浓度稀释曲线及基于临界氮浓度的氮素吸收、氮营养指数模型。在此基础上，对加工番茄植株的氮素营养状况进行诊断，确定了适宜的施氮量范围，以期为加工番茄水肥一体化管理和生长环境优化调控、氮肥的精确施用提供理论依据和技术支持。本研究主要内容包括：
　　⑴建立了基于生理发育时间（PDT）的加工番茄叶面积指数（LAI）、比叶面积（SLA）和干物质生产与积累的模拟模型。对模型的检验结果表明，PDT法对加工番茄叶面积指数(LAI)与1:1直线间的决定系数R2、回归估计标准误RMSE和模型效率指数ME分别为0.9265、12.87％和0.9724；SLA法模拟叶面积指数的预测结果与1:1直线间的R2、RMSE和ME分别为0.6758、42.24%和0.7124。本模型对加工番茄地上部干物质量的预测结果与1:1直线间的R2、RMSE和ME分别为0.9903、11.91%和0.9901；而SLA法对加工番茄地上部干物质量的预测结果与1:1直线间的R2、RMSE和ME分别为0.8956、31.29%和0.7504。与SLA法相比，PDT法在改善加工番茄叶面积指数预测精度的同时也提高了干物质量的预测精度。
　　⑵建立了基于分配指数(Partitioning Index，PI)和收获指数(Harvest Index，HI)的加工番茄地上部干物质分配与产量预测的数学模型。对模型的检验结果表明，模型对不同播期、品种的加工番茄各生育期（出苗至开花、开花至坐果、坐果至红熟、红熟至拉秧期）干物质量，全生育期总干物质量、地上部茎、叶、果干质量的预测结果与1:1直线间的R2分别为0.9754、0.9936、0.9840、0.9713；0.9856；0.9595、0.9798、0.9671；RMSE和RE分别为0.029 t/hm2、11.43%；0.074 t/hm2、5.09%；0.250 t/hm2、6.83%；0.102 t/hm2、5.71%；0.504 t/hm2，8.06%；0.332 t/hm2，14.62%；0.200 t/hm2，10.84%；0.549 t/hm2，18.30%。模型对加工番茄产量的预测结果与1:1直线间的R2为0.9658，RMSE和RE分别为5.806 t/hm2、8.07%。
　　⑶通过不同年份的氮素水平试验，对加工番茄地上部生物量、氮累积及氮累积利用率的动态变化进行模拟。结果表明，加工番茄地上部生物量、氮累积量与氮素利用率随出苗后累积生理发育时间（PDT）的动态变化符合Logistic模型，氮快速累积起始时间较地上部生物量的快速累积起始时间T1早4~6 d（PDT）；瞬时氮利用率随出苗后累积生理发育时间的动态变化表现为先增加后降低的单峰曲线。不同氮素水平下，以300 kg/hm2处理的地上部生物量和氮累积量最多，地上部生物量和氮动态累积的特征参数最为协调，产量最高，得出北疆地区膜下滴灌条件下加工番茄的理论施氮量在349~382 kg/hm2之间。
　　⑷构建了加工番茄地上部生物量的临界氮浓度稀释曲线模型。结果表明，临界氮浓度与地上部最大生物量之间符合幂函数关系(Nc=4.352DW-0.274)。加工番茄最高(Nmax)、最低(Nmin)临界氮浓度稀释模型亦符合幂函数关系(Nmax=5.063DW-0.246，Nmin=3.522DW-0.163)。基于临界氮浓度建立的加工番茄氮素吸收(Nupt)、氮素营养指数模型(NNI)可作为加工番茄植株氮素营养状况的判别指标。氮素吸收和氮营养指数模型对北疆加工番茄种植区在膜下滴灌条件下的适宜施氮量诊断结果一致，均以300kg/hm2为最佳施氮量。
　　⑸通过对氮素水平对加工番茄叶片生物量效应的研究，构建了加工番茄叶片临界氮浓度稀释曲线模型。结果表明，1）叶片生物量与氮浓度间符合幂函数关系（LNc=4.048DW-0.605），决定系数为R2=0.938。利用不同年份的试验资料对模型进行检验，叶片临界氮浓度的观测值与预测值间基于1:1直线的R2、RMSE和ME分别为0.9945、2.46%和0.99。2）基于叶片氮浓度的最小（LNmin）和最大值（LNmax）值构建了叶片临界氮浓度的氮稀释边界模型（LNmin=3.522DW-0.163）、（LNmax=5.063DW-0.246），最小和最大叶片临界氮浓度稀释曲线模型亦符合幂函数关系，决定系数分别为R2=0.980、R2=0.958。3）基于加工番茄叶片临界氮浓度构建的氮素吸收、氮营养指数模型对加工番茄适宜施氮量诊断结果一致，均以300 kg/hm2为最佳施氮量。

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缩略词表

引言

第一章 文献综述

1 作物模拟模型研究概述

2 我国加工番茄番茄模拟研究方面存在的问题

第二章 研究内容、目标和技术路线

1.1 研究内容

1.2 研究目标

1.3 技术路线

第三章 滴灌加工番茄叶面积、干物质生产与积累模拟模型

1 材料与方法

2 模型的建立

3 结果与分析

4 讨 论

5 结 论

第四章 滴灌加工番茄地上部干物质分配与产量预测模拟模型

1 材料与方法

2 模型的建立

3 结果与分析

4 讨 论

5 结 论

第五章 不同施氮水平下滴灌加工番茄植株生长和氮素积累与利用率的动态模拟

1 材料与方法

2 模型的建立

3 结果与分析

4 讨 论

5 结 论

第六章 滴灌加工番茄临界氮浓度、氮素吸收和氮营养指数模拟

1 材料与方法

2 模型的建立

3 结果与分析

4 讨 论

5 结 论

第七章 滴灌加工番茄叶片临界氮浓度、氮素吸收及氮营养指数的模拟

1 材料与方法

2 模型的建立

3结果与分析

4 讨论

5 结 论

第八章 研究结论、创新点及展望

1.1 研究结论

1.2 创新点

1.3 研究展望

参考文献

致谢

作者简介

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