西瓜幼苗发育阶段热量需求及模型模拟

李彭丽 ，陈罡晓 ，牛庆良 ，黄丹枫 ，孙治强

（1.河南农业大学园艺学院，郑州，450002；2.上海交通大学农业与生物学院）

温度或者说热量是影响西瓜（Citrullus lanatusM.）种苗生长发育的重要因素，根据育苗环境准确预测幼苗发育阶段进而改进育苗环境管理水平，对提高种苗质量和生产水平具有重要意义。通过5次试验，对西瓜幼苗发育阶段和热量需求进行了细分和量化，初步构建了西瓜幼苗发育阶段模拟模型，旨在为西瓜种苗精量化生产管理提供依据和参考。

1 材料与方法

1.1 育苗试验

试验于2014年2～7月在上海交通大学农业与生物学院玻璃温室进行。5次试验分别于2月22日、4月29日、5月22日、6月23日、7月12日播种，分别用 E1、E2、E3、E4、E5表示，72 孔穴盘基质（草炭∶珍珠岩∶蛭石=9∶3∶1） 育苗。西瓜品种选用早佳8424，单因素随机设计，3次重复。子叶展平前清水灌溉，子叶展平后用花无缺瓜类专用育苗肥（15-15-15）配制营养液浇灌。

1.2 测定指标与方法

①温室小气候环境指标 采用美国HOBO自动气象站记录温室温度、光照等小气候因子，采集间隔时间为5 min。累积热量单位（ΣTu）按Baker等[1]的方法计算。

②幼苗形态指标 每2～5 d随机选择10株幼苗测量叶长、叶宽、叶面积等指标。叶面积采用植物生长分析仪（EPSON PERFECTION V700 PHOTO）测定。

③生育期观测与划分 西瓜苗期划分为出苗期、子叶展平期、1片真叶期、2片真叶期、3片真叶期、3叶1心期6个时期（表1）。采用上海交通大学机动学院自制的植物生长监测仪对幼苗全程拍照监测，并记录各生育时期到达时间，拍照间隔时间为2 h。

表1 西瓜穴盘苗生育进程与形态特征

表2 5次育苗试验的温度参数

1.3 数据分析

数据采用 SAS 8.0、Microsoft Excel 2007、Sigma Plot 10.0等软件进行统计分析和绘图，用t检验进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 育苗环境因子对西瓜幼苗生育期的影响

不同育苗时期的温度、光照、昼夜温差等小气候因子差异明显（表2）。E1为早春育苗，温度较低，平均温度为18.6℃，昼夜温差大，昼夜温差和为473.8℃。随着育苗时期的延后，平均温度逐渐升高，昼夜温差降低。

不同环境条件下所育西瓜幼苗生育进程差异显著，幼苗达相同发育阶段所需时间差异显著（表3）。5次育苗试验中，成苗平均所需时间分别为33.0、25.0、20.0、18.5、16.0 d。相邻播期处理的幼苗成苗时间差分别为8.0、5.0、1.5、2.5 d，且随播期延后，温度升高，各发育阶段完成时间缩短。

表3 5次试验的西瓜幼苗生育期比较

表4 西瓜幼苗发育阶段所需的累积热量单位

2.2 西瓜幼苗发育阶段对累积热量单位的需求

5次育苗各发育期完成所需ΣTu的计算结果表明（表4），不同育苗时期西瓜幼苗完成同一生育阶段的热量需求差异显著，说明幼苗的生长发育还受热量外的其他环境因子影响，是综合作用的结果；但就任一发育阶段来说，其热量需求波动范围较小。完成1～6生育进程平均所需的ΣTu分别2451.02、639.71、2 240.85、1 916.65、1 802.19、670.22 ℃·h，完成整个苗期所需的累积热量单位为9 720.64℃·h；发育阶段的完成主要取决于热量条件，这也是构建基于ΣTu的发育模拟模型的重要基础。

2.3 西瓜幼苗生育期模拟模型的构建与检测

①模型构建 尽管作物发育速率的描述方法有多种[2～4]，但已有的发育速率描述方法忽略了温度变化对作物发育的影响。在有效积温原理的基础上，本文模型以ΣTu表征温度对生长发育的影响，作为模型驱动力，进行模拟模型的构建，建模过程如下。

某 生 育 期 所 需 ΣTu为 ：Ti=ΣTun，式中i指生育期，n为时间，Ti为该生育期内每小时的Tu之和。

某一生育期的生育速率 （Developmental rate，DR）为：DRi=1/Ti；某一生育期第n小时的DR表示为：DRin=Tun×DRi，式中Tun为第i生育期第n小时的累积热量单位。

以小时为步长的西瓜幼苗的生育进程可以表示为：DPn=DPn-1+DRin，式中DPn为幼苗第n小时的生育进程，DPn-1为幼苗第n-1小时的生育进程。

图1 温室西瓜幼苗各发育阶段所需的累积热量单位

用2014年2、4、6月试验数据建模，用5、7月试验数据对模型进行检验。

Ti是该模型中需要确定的参数。由图1可知，各批次幼苗生育期所需的ΣTu较为接近，因而以实测各生育期ΣTu的平均值作为模型中各生育期所需 ΣTu的参数值。T1、T2、T3、T4、T5、T6分别为 2 451.02、639.71、2 240.85、1 916.65、1 802.19、670.22 ℃·h。

②模型检验 计算2次试验中观测的各发育期对应的累积热量单位值，采用均方根误差（Root mean square error，RMSE）分析模拟值与观测值的匹配度。

模型模拟的各生育期及整个苗期的均方根误差值分别为 3.2、1、6.3、3.6、2.8、2.7、3.9。2 次试验各生育期实测值与模拟值的绝对误差均≤7.0 h，对整个苗期的预测误差均≤4.0 h；2次试验各生育期的Si与Oi的相关分析结果（图2）显示，相关直线斜率分均接近于1，R2值均超过0.98，表明模型能较精确模拟西瓜幼苗各发育期。

表5 发育期细分模型的模拟误差

3 讨论与结论

西瓜幼苗生长发育受育苗环境温度、热量影响显著，幼苗各发育阶段平均所需的ΣTu分别为2451.02、639.71、2 240.85、1 916.65、1 802.19、670.22 ℃·h，播种至3叶1心期平均所需的ΣTu为9 720.64℃·h，生产中可根据幼苗不同时期的热量需求进行合理的育苗环境小气候因子调控。

以ΣTu为驱动力，构建了西瓜幼苗发育模拟模型，检验结果表明模型精度较高，可用于西瓜幼苗生产精量化、信息化管理。

目前生育期模型通常为描述性模型，通常以热量作为模拟驱动参数，简单但有局限性[5]。热量可以看作是日历时间的非线性转换，是一个潜在的随时间变化的温度解释型变量[6]，调控着植物器官的生长和发育，但植物发育同样受积光等其他环境因子的影响，是综合环境因子累积作用的结果，因此，要更好地模拟和预测西瓜幼苗生长发育，综合各环境因子进行模拟更为准确。

图2 西瓜幼苗发育期细分模型模拟值与实测值相关图

[1]Baker J T,Reddy V R.Temperature effects on phenological development and yield of muskmelon[J].Annals of Botany,2001,87（5）:605-613.

[2]黄冲平，王爱华，胡秉民.作物生长温度效应的非线性模型及其比较研究[J].生物数学学报，2005，19（4）：481-486.

[3]汤亮，朱艳，刘铁梅，等.油菜生育期模拟模型研究[J].中国农业科学，2008，41（8）：2 493-2 498.

[4]Baker J T,Leskovar D I,Reddy V R,et al.A simple phenological model of muskmelon development[J].Annals of Botany,2001,87:615-621.

[5]Marcelis L F M,Heuvelink E,Goudriaan J.Modelling biomass production and yield of horticultural crops:a review[J].Scientia Horticulturae,1998,74（1）:83-111.

[6]Dambreville A,Lauri P E＇,Normand F,et al.Analysing growth and development of plants jointly using developmental growth stages[J].Annals of Botany,2015,115（1）:93-105.