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棉花栽培中光合产物的动态特性研究 棉花模型的重要组成部分是棉花模型的模拟。一般陆地棉的脱落率为60%～70%,引起蕾铃大量脱落的原因除病虫危害、水分胁迫、光照不足等因素外,主要是同化物的源、库、流关系不协调。已有许多学者对这一生理过程和基本规律进行了探索,但对其生理机制还认识不足。早在20世纪80年代,Baker 和Acock就建立了一个包括激素调节在内的蕾铃发育和脱落模型。潘学标等也在美国GOSSYM模型的基础上,建立了适合中国品种和管理特色的蕾铃发育和脱落模型。然而,这些模型仍存在计算复杂和量化不足等问题,需要更深入的研究。 本研究以同化物供需平衡理论为基础,考察同化物在蕾铃中的动态分配、碳水化合物供需胁迫的时间和强度等,运用车箱理论(escalator boxcar train)的建模方法,模拟蕾铃的生长发育和脱落过程,以期建立比传统方法更简单、实用的模型。 1 模型的构建 1.1 车箱理论方法 棉花从现蕾到开花,开花到吐絮成熟一般需要74～100 d,受外界环境影响较大。用≥12℃有效积温表示,大约需要1 190 ℃,其中蕾期、花期和铃期约分别为370、25和790 ℃。不同发育日数的蕾铃由于呼吸作用的强弱不同,其脱落情况也不同。一般条件下,1～8 d的幼铃较棉蕾更易脱落,棉蕾则以10～20 d的脱落率最高,5 d以下和20 d以上的脱落率较低。8 d以上的棉铃很少脱落,但若此时光合产物供应不足,铃重就会减轻。 模型采用车箱理论方法,将蕾铃发育分为N个级态,为方便计算,N取值为蕾铃发育的实际平均天数,模型中N=74 d,每个级态蕾铃在全部蕾铃发育进程中所占的比重γ为: γ=gf/Ν(1)γ=gf/N(1) 式中,γ为模型的控制变量;N为模型设定的蕾铃级态个数;gf为蕾铃完成整个发育需要的时间。综合文献资料,棉花蕾铃在最适温度下需要70 d完成发育进程,为了计算方便,将gf取值为70,则在最适温度条件下,蕾铃发育速率v的数值为1.0 d-1。 每个级态蕾铃在各发育进程中的比例为: Ci=Ai/γ(2)Ci=Ai/γ(2) 其中Ai为第i级态蕾铃的个数。 最适温度条件下,所有同级态蕾铃向下一级态发育的速率Qi+1为: Qi+1=v?Ci(3)Qi+1=v?Ci(3) 各级蕾铃个数的净增加速率由下式计算: Ri=Qi-Qi+1(4)Ri=Qi?Qi+1(4) 对净增加速率求积分,可得到任一时间蕾铃的个数: A=A0×exp(-v?t/γ)(5)A=A0×exp(?v?t/γ)(5) 无脱落时,发育成熟后吐絮棉铃的增长速率为: Qout=v/γ?A0×exp(-v?t/γ)(6)Qout=v/γ?A0×exp(?v?t/γ)(6) 式中,A0为初始蕾铃个数(个);Qout为完成蕾铃发育后吐絮棉铃的增长速率(个·d-1);v为发育速率(d-1);t为实际的生长天数(d)。 1.2 不同品种、播期试验资料 2001年在河南安阳实施了不同品种大田试验,均为9行区,小区面积为9 m×14.5 m,行距0.7 m,株距0.2 m,3次重复,完全随机区组设计。不同类型品种分别为中早熟抗虫杂交棉“中棉所29”、早熟短季棉“中棉所37”、中熟双价抗虫棉“中棉所41”和中熟常规棉“中棉所32”,其他管理同常规大田。试验除早熟品种中棉所37为5月16日播种外,其他处理均在4月19日播种。 2002年在河南安阳实施了3个不同品种的分期播种试验。品种分别为中熟常规棉花品种“中棉所35”、中熟双价抗虫棉“中棉所41”和早熟品种“中棉所36”。4个播期分别为4月15日、5月5日、5月25日和6月14日,管理同常规大田。 试验地土壤为黏垆土,洪积母质,深度1 m以上,pH 7.5～8.5,容重1.1 g/cm3,土壤密度2.65 g/cm3,有机质含量1.06%～1.53%;全N、全P和全K含量分别为0.102%、0.052%和1.73%。气象资料来自设置于田间的气象观测站。 建模语言使用基于Fortran的模拟编程语言FST。通过查阅相关资料对模型参数进行估计。应用2001年和2002年不同品种、播期试验资料对模型进行检验。利用差均方根RMSE对模型的符合度进行统计检验。 2 模型描述 2.1 热效应系数修正 假设在蕾铃发育过程中无脱落发生,随着生育进程,棉花蕾铃以v的速率发育,最终吐絮成铃。现蕾第1天的蕾铃发育速率Qin等于现蕾速率,是每日热效应的函数,与每日生理热效应RTE呈直线相关关系(Qin=a+b×RTE),不同类型的品种间存在差异。由于温度对蕾铃发育速率影响很大,因此在公式(3)基础上,用不同的热效应系数修正如下: Qi+1=v?Ci?RΤEi(7)Qi+1=v?Ci?RTEi(7) 综合文献资料,模型设定级态以1～22的蕾铃为蕾,23～2