土壤容重对棉花根系作用模拟的知识管理研究

昆明理工大学 现代农业工程学院，昆明 650500

昆明理工大学 现代农业工程学院，昆明 650500

1 引言

作物根系是作物吸收和传输养分的主要器官，是土壤资源的直接利用者和产量的重要贡献者。土壤容重的大小影响根系在土壤中的形态和分布从而改变根系构型，良好的根构型能提高根系对土壤养分和水分的利用率[1-2]。为研究土壤容重对作物根构型的影响，采用盆栽、根窖容器或田间挖掘测定法，研究了不同土壤容重下根量、根长、根直径、根间夹角等根构型参数的生长情况，但并未量化土壤容重和作物根构型参数之间的动态关系，不能实现特定土壤容重下根系生长的预测[3]。作物管理专家系统和模拟模型的发展为作物生产管理的现代化和信息化提供了新的方法和手段[4-5]。为定量分析油菜生育指标和栽培技术以及玉米分阶段定量灌溉与环境影响因子之间的关系，应用系统分析原理和数学建模技术构建油菜栽培管理和玉米水分管理动态知识模型，实现了动态预测和管理决策的有机耦合与综合协调[6-7]。为直观描述作物根系生长形态，采用L系统法结合OpenGL图形库实现了作物根系的三维可视化模拟，但该方法注重提取作物根系的几何形态结构，忽略了根系形态结构与生长环境的动态关系[8-11]。

本文分析土壤容重与棉花主根轴向生长速度之间的量化关系并建立数学模型，应用C++编程语言和数据库技术将根构型参数传递给SimRoot模拟模型实现不同土壤容重下棉花根系构型的可视化模拟，构建土壤容重对棉花根系作用模拟的知识管理系统，实现不同土壤容重下棉花根系动态生长的知识管理、预测和可视化。

2 棉花根系的形态特征和拓扑结构

2.1 棉花根系的形态特征

棉花（Gossypium hirsutum L.）属直根系作物，分为主根和侧根。种子萌发时，先生初生根，初生根发育成主根，向下伸长。约在地面下3 cm左右处，从主根的四周发生出一级侧根，起初近乎水平生长，以后斜向下层生长，多呈四原型，与主根近乎成直角。在一级侧根生长点约5 cm处可分生出二级侧根，适宜条件下，还可继续分生出三级、四级乃至五级侧根，整个根系呈倒圆锥形。如图1所示。

图1 棉花根系形态特征

2.2 棉花根系的拓扑结构

在描述作物根系的拓扑结构[12]时，通常使用图论上一个倒向放置的轴向树来进行分析（如图2所示）。棉花根系的拓扑结构可以用此轴向树表示。将棉花根系设定为一组根轴，根轴由主根和无数个次级根轴组成，并具有一定的分根等级。每一级根的形成又遵循一个同样的方式：在第i级根的分枝结点处分枝出第i+1级根(i≥0)，一级级不断分枝衍生，直至根终止结点处结束。棉花根系在其形态的发生与发展过程中就是按照基本相似的根系生长发育参数进行[13]。

图2 棉花根系拓扑结构图

基于棉花根系的形态特征和拓扑结构，用以下参数对棉花根系拓扑结构和几何结构进行描述：根类型数量、根类型、每一次生长的子根数目、生长的子根是否随机、是否规则拓扑、父根上基端无根区长度、父根上生根间距、首次分根时间、父根上生长子根的时间间距、分根时间间隔、分根与主根的轴向夹角和径向偏移角、轴向生长速度、径向生长速度，并建立土壤容重和主根轴向生长速度的量化关系，其他参数设为固定值。另外，由于根在生长过程中受向地性和随机性等因素的影响，其生长形态具有极大的不确定性和随机性，在建立数学模型的过程中引入随机参数来表现根系的随机性。

3 棉花根系知识模型的构建

3.1 棉花主根轴向生长速度与土壤容重关系的数学模型

增长模型和三次多项式均能描述棉花主根轴向生长速度与土壤容重的定量关系，但在程序运行时增长模型的运算较复杂且误差偏大，利用三次多项式拟合法建立棉花主根轴向生长速度与土壤容重关系的数学模型步骤为：

（1）取不同土壤容重下四个生长周期的棉花主根轴向生长速度平均值，作为不同土壤容重下的主根轴向生长速度[14]。

（2）在Matlab中绘制棉花主根轴向生长速度和土壤容重关系的散点图，根据散点图的分布情况，进行三次多项式拟合，即

式中，x为土壤容重（g/cm3），a，b，c，d 为三次多项式系数，y为棉花主根轴向生长速度（cm/d）。

（3）求出增长模型拟合公式为 y=exp(1.839-1.97×x)，残差平方和为0.857，三次多项式拟合公式为y=22.291 7× x3-89.187 5×x2+117.195 8×x-50.05,残 差 平 方 和 为0.010 5。结果表明：三次多项式的拟合效果较好，残差平方和小于10%。

（4）画出三次多项式和增长模型的拟合效果图，如图3所示，三次多项式的拟合效果较好，随着土壤容重的增加，棉花主根轴向生长速度呈现先增大后减小的趋势，最大轴向生长速度的土壤容重为1.17 g/cm3左右。

图3 土壤容重对棉花主根轴向生长速度的影响

3.2 棉花主根轴向生长速度与土壤容重关系的知识模型

土壤容重对棉花根系作用模拟的知识管理系统是基于Visual C++6.0利用控件技术、计算机编程技术和数据库技术所构建的。其中，土壤容重对棉花根系作用的数据库，由主根轴向生长速度和土壤容重关系的三次多项式模型、对应系数、根构型参数组成，且一组模型系数对应一个表，根构型间的关系由表间关系体现；可视化是通过触发控件调用Simroot仿真模型实现的；编程连接数据库，一方面使所需定量知识显示在相应控件中，形成定量知识模型，另一方面将根构型参数传递给Simroot仿真模型，形成直观描述土壤容重与根构型参数动态关系的模拟知识模型。因此，通过构建土壤容重对棉花根系作用模拟的知识管理系统，可实现棉花根系知识的管理、预测和可视化。

图4 系统实现流程图

表1 第120天棉花主根长度和一次侧根数实测值和模拟值的对比

4 系统设计与实现

图5 系统实现效果图

系统以Visual C++6.0为开发平台，建立人机接口。设置下拉菜单、工具条、图标、图形等与用户进行交互，用户通过鼠标或快捷键完成对信息的查询、修改、删除、添加、仿真等功能。具体流程如图4所示：用户在界面输入作物类型、土壤容重、作物生长时间等条件，触发相关Command控件，系统对数学模型库进行搜索。若有相关信息，则继续匹配模型系数，通过程序计算出结果。这部分结果，一方面，以TextBox控件的形式显示在界面上，另一方面，把此结果传递给SimRoot仿真模型[15]，可视化显示此时棉花根系形态。若数学模型库中没有要搜索的根系信息，则需要建立适当的数学模型，然后把此模型导入到数学模型库，此时，再进行对数学模型库的搜索。图5（a）为系统实现界面，图5（b）和图5（c）分别表示土壤容重为1.1 g/cm3和1.5 g/cm3时的系统棉花根系模拟图。

由图5可知，该系统能够实现特定土壤容重下棉花根系生长的预测和可视化。土壤容重介于1.1～1.2 g/cm3之间时主根的下扎能力较强，根系分布较稠密，当土壤容重增加到1.5 g/cm3时，主根下扎能力减弱，根系分布逐渐稀疏。

根据上述建模与模拟方法，得出棉花构型参数模拟数据。表1为棉花在砂土中生长第120天主根长度和一次侧根数实测值和模拟值的对比，从中可看出，主根长度实测值和模拟值之间误差介于1.33%～8.87%之间，最大为8.87%，一次侧根数实侧值和模拟值之间的误差介于0.51%～7.48%之间，最大为7.48%，因此，模拟值与实际根的生长基本吻合。产生的误差主要是由以下原因造成的：

（1）三次多项式拟合精度和平均化处理。由于实测数据是第x天的根系长度和一次侧根数，三次拟合对象是土壤容重和根系日变量，这样在[0 x]范围内的生长速度都是一个平均值，造成一定的误差。

（2）根系的曲直程度会造成一定的误差，因为是把它当成一条直线处理的。

（3）一次侧根分布密集度。在一次侧根的实际分布中，可能是顶端密集，也可能是根尖处密集，而设定的一次侧根生长间距是一定的，会造成一定的误差。

5 结束语

根据棉花根系的拓扑结构和不同土壤容重下棉花根构型参数的变化规律，建立了土壤容重与棉花主根轴向生长速度的定量关系模型，结合SimRoot根构型几何模拟模型，开发了土壤容重对棉花根系作用模拟的知识管理系统。结果表明：该系统能够直观地观察不同土壤容重下棉花根系的生长状态，实现对不同土壤容重下根系生长状态的预测，方便对作物的生长进行调控，为作物的高效生产提供依据。

[1]Bingham I J，Bengough A G，Rees R M.Soil compaction-N interactions in barley：root growth and tissue compaction[J]. Soil&Tillage Research，2010，106：241-246.

[2]Abu-Hamdeh N H.Soil compaction and root distribution for okraasaffected by tillage and vehicle parameters[J].Soil Tillage，2003，74：25-35.

[3]才晓玲，李志洪.土壤容重和施肥条件对玉米根系生长的影响[J].云南农业大学学报，2009，24（3）：470-473.

[4]朱艳，曹卫星，姚霞，等.小麦栽培管理动态知识模型的构建与检验[J].中国农业科学，2005，38（2）：283-289.

[5]曹卫星.作物智能栽培学：信息科学与作物栽培学的结合[J].科技导报，2000（1）：37-41.

[6]朱艳，沈维祥，曹卫星，等.油菜栽培管理知识模型及决策支持系统研究[J].农业工程学报，2004，20（6）：141-144.

[7]郭银巧，李存东，郭新宇，等.玉米水分管理动态知识模型的设计与实现[J].农业工程学报，2007，23（6）：165-169.

[8]钟南，罗锡文，秦琴.基于生长函数的大豆根系生长的三维可视化模拟[J].农业工程学报，2008，24（7）：151-154.

[9]杨红云，孙爱珍，何火娇，等.水稻叶片形态日变化过程可视化模拟研究[J].计算机工程与应用，2009，45（36）：170-173.

[10]黄艳峰，薛占熬，陈涛.基于L系统的植物模拟研究[J].计算机工程与应用，2005，41（19）：53-55.

[11]钟南，罗锡文，严小龙，等.植物根系生长的三维可视化模拟[J].华中农业大学学报，2005，24（5）：516-518.

[12]刘静，戈振扬，林文如，等.荠菜根系的计算机模拟[J].计算机工程，2010，36（9）：266-270.

[13]钟南，罗锡文.基于微分L系统理论的植物根系生长模拟的算法[J].系统仿真学报，2006，18（2）：138-143.

[14]宋家祥，庄恒扬，陈后庆，等.不同土壤坚实度对棉花根系生长的影响[J].作物学报，1997，23（6）：719-726.

[15]Ge Zhenyang，Yan Xiaolong，Luo Xiwen.Simulation models of plant root system architecture and application：a review[J]. Transactions of the CSAE，2002，18（3）：154-160.

土壤容重对棉花根系作用模拟的知识管理研究

孙玉莲，戈振扬，于英杰，齐亚峰

SUN Yulian,GE Zhenyang,YU Yingjie,QI Yafeng

Faculty of Modern Agricultural Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China

In order to effectively manage the knowledge of crop roots growth in the soil,aiming at the problem of different cotton roots morphological features and growth characteristics with different soil bulk density,a method of knowledge management of crop roots-soil system by combined knowledge model with visual simulation is proposed.The mathematical model of the quantitative relationship between the cotton taproot axial growth rate and soil bulk density is developed to build a knowledge management platform of cotton roots as related to soil bulk density by using SimRoot,the roots architecture geometric simulation model,to simulate the variation of taproot axial growth rate with soil bulk density.The results show that the knowledge management method combined with visual simulation can predict cotton roots growth state in different soil bulk density.

knowledge management;soil bulk density;simulation;cotton roots

为了对作物根系在土壤中生长的知识进行有效管理，针对不同土壤容重中棉花根系的形态特征和生长特点，提出一种结合知识模型和可视化模拟的作物根-土系统知识管理方法。建立棉花主根轴向生长速度与土壤容重定量关系的数学模型，搭建土壤容重对棉花根系作用的知识管理平台，利用SimRoot根构型几何模型模拟棉花根构型参数主根轴向生长速度随土壤容重的变化。结果表明，结合可视化模拟仿真的知识管理方法能够预测不同土壤容重中棉花根系生长状态。

知识管理；土壤容重；模拟；棉花根系

A

TP391

10.3778/j.issn.1002-8331.1212-0340

SUN Yulian,GE Zhenyang,YU Yingjie,et al.Knowledge management of simulated cotton roots as related to soil bulk density.Computer Engineering and Applications,2013,49（11）：216-219.

国家自然科学基金（No.60971115，No.60371047）。

孙玉莲（1986—），女，硕士研究生，主要研究方向为生物系统功能系统建模与仿真；戈振扬（1959—），男，博士，教授，主要研究方向为生物系统功能建模与仿真；于英杰，女，博士，讲师，主要从事精准农业机具定位及控制研究；齐亚峰（1976—），男，工程师。E-mail：sunyulian2010@126.com

2012-12-28

2013-03-04

1002-8331（2013）11-0216-04