丁星文,王慧純,李樹發(fā),蹇洪英,張 顥,邵 林,唐開學(xué)

(1. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所,昆明 650205;2. 云南大學(xué)資源植物研究院,昆明 650504)

【研究意義】月季(Rosahybrida)是薔薇科(Rosaceae)薔薇屬(Rosa)植物[1],是世界四大切花之一[2]。在歐洲國家,月季享有“花中皇后”的美稱,又被眾多國家封作“國花”,在中國切花月季是許多城市的“市花”[3-5]。切花月季也是國內(nèi)目前種植面積最廣、產(chǎn)值最大的花卉種類,但產(chǎn)品價格波動較大,情人節(jié)、春節(jié)等熱門節(jié)假日其單支價格可達平時價格的3～4倍。對于種植戶來說,讓產(chǎn)品能夠在市場價格高的時候采收上市,實現(xiàn)產(chǎn)值最大化一直是重要需求。月季大部分喜充足日照,光照不足影響其正常生長。影響月季生長的另一個重要因素是溫度[6],溫度超過上限或低于下限都會影響月季的生長及品質(zhì)。此外,濕度和水肥管理不當會造成月季不孕蕾或花朵提前凋謝等情況[7]。因此,根據(jù)自然環(huán)境的變化及月季生長情況及時對棚內(nèi)環(huán)境進行調(diào)整非常有必要,根據(jù)市場的預(yù)測行情人為調(diào)控棚內(nèi)環(huán)境,可以在一定范圍內(nèi)有效地調(diào)整切花月季收獲期?！厩叭搜芯窟M展】月季是一種自感開花植物(Self-inductive plant),開花不受光周期、溫周期等的影響[8],溫度熱效應(yīng)和光合有效輻射協(xié)同作用于發(fā)育速率[9]。在切花月季的無土栽培生產(chǎn)模式中,光照、溫度、濕度、水肥以及修剪方式均會影響其生長周期與產(chǎn)品質(zhì)量,但溫度和光照是決定其生長發(fā)育過程的最重要因素。張勇等[10]研究表明,月季雖然喜陽,但光照耐性限度寬,輕遮陰能促進光合效率,減少光抑制,成花率高。Khayat等、Moe和Zieslin等[11-13]發(fā)現(xiàn)氣溫對月季切花的生長發(fā)育和切花品質(zhì)有重要影響。在此基礎(chǔ)上,遲東明等[14]通過記錄萌芽到初花的天數(shù)、日均溫度積累量及照度,發(fā)現(xiàn)月季生長發(fā)育所需時長與其日均溫度積累量呈正相關(guān),與日均溫度積累量、照度和日照時數(shù)呈負相關(guān),構(gòu)建出了月季收獲期周年積溫預(yù)測模型方程;姚德宏等[6]通過記錄花莖長度,研究了溫度對切花月季的影響,構(gòu)建了月季發(fā)育速度與溫度的關(guān)系模型;Kim等[15]利用光照和氣溫條件,模擬了月季的根系生長,建立了月季全年養(yǎng)分吸收的動態(tài)模型;張軍云等[16]通過研究不同季節(jié)切花月季花枝的生長規(guī)律,提出不同季節(jié)的管理應(yīng)根據(jù)發(fā)育時間采取相應(yīng)的水肥措施;張海兵[17]利用花枝生長量與發(fā)育天數(shù)建立了月季生長發(fā)育模型。在培養(yǎng)室內(nèi)盆栽一品紅過程中,徐國彬等[18]整合了熱效應(yīng)與光合有效輻射的關(guān)系,首次引入了輻熱積(熱效應(yīng)與光合有效輻射的乘積,TEP)的概念。在此基礎(chǔ)上,楊再強等[19]提出了生理輻熱積(PTEP)的概念,并以生理輻熱積為尺度建立了溫室標準切花菊的生長發(fā)育模型,可以較精確地對切花菊的收獲期進行預(yù)測。但目前尚未見將溫度與光照兩個因素有效結(jié)合起來的切花月季生長發(fā)育模型?！颈狙芯壳腥朦c】目前國內(nèi)外對切花月季生長發(fā)育模型的研究多基于溫度或光照單一因素對枝條或根系生長的影響,但切花月季的生長發(fā)育是光照與溫度共同作用的結(jié)果,將溫度與光照兩個因素有效結(jié)合起來的切花月季生長發(fā)育模型能夠更好地應(yīng)用于實際生產(chǎn)中,用于輔助溫室內(nèi)的環(huán)境調(diào)控?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過切花月季4個季節(jié)達到各個生長階段所需的生理輻熱積構(gòu)建生長發(fā)育模擬模型,旨在分析模擬并預(yù)測切花月季達到各生長發(fā)育階段所需天數(shù),以期能夠通過調(diào)節(jié)切花月季棚內(nèi)的溫度與光照來調(diào)控切花月季的生長周期,從而使經(jīng)濟效益最大化。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以生育期長度明顯不同的3個市場主流切花月季品種‘洛神’‘歡樂頌’和‘粉紅雪山’作為試驗材料。

1.2 試驗方法

試驗地位于云南省曲靖市馬龍區(qū)古卡樂花卉有限公司的水肥一體化連棟塑料溫室,栽培基質(zhì)為椰糠,基質(zhì)槽寬35 cm、深20 cm,槽間距50 cm,株距10 cm,棚內(nèi)輻射大于400 w/s進行遮陰處理。水肥管理與切花月季無土栽培的標準化生產(chǎn)一致(DB53/T 996—2020),保證植株的正常生長。

每個品種設(shè)置3個隨機分布于溫室內(nèi)的試驗小區(qū),在每個試驗小區(qū)內(nèi)隨機選取15枝正常的切花枝作為試驗?zāi)钢Α＝y(tǒng)一修剪后,對母枝上的第一個芽點進行同期掛牌,記錄每支切花枝從上一批切花修剪到萌芽(芽伸長至1～2 cm)、萌芽到現(xiàn)蕾(花蕾直徑5 mm)、現(xiàn)蕾到收獲(花心打開,內(nèi)瓣可見)的具體時間。

試驗1于2021年4—7月進行,于4月2日對試驗植株統(tǒng)一修剪并掛牌;試驗2于2021年6—9月進行,6月22日對試驗植株統(tǒng)一修剪并掛牌;試驗3于2021年9—12月進行,9月8日對試驗植株統(tǒng)一修剪并掛牌;試驗4于2021年11月至2022年3月進行,11月20日對試驗植株統(tǒng)一修剪并掛牌;試驗5于2022年3—6月進行,3月21日對試驗植株統(tǒng)一修剪并掛牌。試驗1、2、3和4分別為用于構(gòu)建生長發(fā)育模型的春夏秋冬4個季節(jié)的試驗,試驗5為模型驗證試驗。

溫室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)由豪根道iSii控制系統(tǒng)(荷蘭,iSii compact 控制器)自動獲取。所收集的參數(shù)包括距離地面1.5 m處的空氣溫度和濕度,以及4 m處的太陽輻射。每5 min 進行一次數(shù)據(jù)采集,記錄值為該時刻的瞬時值。其中,光合有效輻射(Photosynthetically active radiation,PAR,波長400～700 nm)是太陽輻射的一部分,約為太陽輻射乘0.5[20]。

1.3 模型構(gòu)建

1.3.1 輻熱積與生理輻熱積的計算 切花月季不同生長階段的累積輻熱積(TEP)可用公式(1)～(4)計算[19]:

(1)

式中,TEP(i)表示從第m天到第n天的累積輻熱積(MJ/m2),DTEP(i)表示第i天的輻熱積(MJ/m2)。日輻熱積計算公式為:

(2)

PAR=0.5Q

(3)

式中,PAR(i)表示第i天總光合有效輻射[MJ/(m2·d)]。

RTE(i,j)表示第i天內(nèi)第j(j=1～24)小時內(nèi)相對熱效應(yīng)。通常根據(jù)切花月季發(fā)育的3基點溫度及實測的溫室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)計算,該公式可形式化表示如下:

(4)

式中,RTE(T)表示溫度T的相對熱效應(yīng),T代表每小時的平均溫度,Tb表示切花月季生長發(fā)育的最低溫度,Tob表示切花月季生長發(fā)育的最適下限溫度,Tou表示生長發(fā)育的最適上限溫度,Tm則為生長發(fā)育的最高溫度。切花月季生長發(fā)育的3基點溫度見表1[6,9]。

表1 切花月季生長發(fā)育的3基點溫度Table 1 Three fundemental points of temperature of cut rose growth

利用試驗1～4的試驗數(shù)據(jù),利用公式(1)～(4)計算3個切花月季品種到達各個生長發(fā)育階段所需的輻熱積。不同品種達到不同生長發(fā)育階段所需累積輻熱積有差異,用生理輻熱積(PTEP)[19,21-22]來統(tǒng)一各個月季品種的發(fā)育進程。植物生長的基本發(fā)育因子是與品種相關(guān)的參數(shù),其作用是調(diào)控不同品種的生長速率。生長最迅速的月季品種基本發(fā)育因子為1[22],生長相對緩慢的月季的基本發(fā)育因子與生理輻熱積可按公式(5)～(6)計算:

(5)

PTEP=TEP×BD

(6)

式中,BD為基本發(fā)育因子,TEPs是生長速度最快的品種整個生長發(fā)育過程所需累積輻熱積,TEPsi為i品種整個生長發(fā)育過程所需累積輻熱積。

1.3.2 模型驗證 模擬值與觀察值之間的符合度用回歸標準誤差(Root mean squared error,RMSE)[23]表示:

(7)

式中,Pi為觀察值,為達到某生長發(fā)育階段所需天數(shù);Qi為模擬值,為驗證達到某生長發(fā)育階段的天數(shù);n為樣本容量。在模型預(yù)測中,RMSE減小表示模擬值與實際觀測值的差異程度減小,模型的預(yù)測準確度提高。

2 結(jié)果與分析

2.1 切花月季的全年生長發(fā)育周期

由表2可知,供試切花月季在曲靖馬龍古卡樂花卉有限公司塑料溫室無土栽培條件下(冬季夜間加溫,春季夜間溫度低于14 ℃加溫)一年可生產(chǎn)5茬切花。4—9月切花月季生長周期短,9月至翌年4月生長周期較長。切花月季的生長周期隨季節(jié)變化,春夏生長周期為40～55 d,秋冬季節(jié)為60～80 d,品種之間的差異在冬季表現(xiàn)更突出。

表2 切花月季全年生長發(fā)育周期Table 2 Annual growth and development cycle of cut rose

2.2 切花月季完成各生育期所需的生理輻熱積

使用試驗1～4和表1中的3個基點溫度,通過公式(1)～(6)計算各品種的基本發(fā)育因子BD,以及各品種到達不同生長發(fā)育階段的平均實際天數(shù)和所需的生理輻熱積。切花月季從修剪到萌芽、萌芽到現(xiàn)蕾和現(xiàn)蕾到收獲階段,需要的生理輻熱積分別為22.08、29.41和38.89 MJ/m2?！迳瘛L最快,其完成3個生育階段所需的平均實際天數(shù)分別為13、17和26 d(表3)。

表3 切花月季不同品種完成各發(fā)育階段所需的實際天數(shù)和生理輻熱積Table 3 The actual number of days and PTEP required for different cultivars to complete each development stage

表4 用生理輻熱積模擬標準切花月季各生育期的持續(xù)天數(shù)及其預(yù)測誤差(實測值-模擬值)Table 4 Simulation of the number of days needed for each growth period of the standard cut rose production and its prediction error by PTEP (measured value-simulated value)

2.3 切花月季生長模型預(yù)測

對試驗1～4的數(shù)據(jù)進行計算,利用公式(1)～(6)得到每個季節(jié)和每個品種在各個生長發(fā)育期中所需的累計輻熱積和生理輻熱積(圖1～4)。同時,計算4個季節(jié)中每個品種在各個生長發(fā)育期所需的平均累計輻熱積和平均生理輻熱積(圖5)。在完成相同生長發(fā)育階段時,3個品種所需的生理輻熱積基本相近。所以,預(yù)測不同品種達到不同生長發(fā)育階段的時間以及達到收獲期的日期可以使用生理輻熱積這個指標。

圖1 春季切花月季所需累積輻熱積與生理輻熱積Fig.1 TEP and PTEP required of cut rose in spring

圖2 夏季切花月季所需累積輻熱積與生理輻熱積Fig.2 TEP and PTEP required of cut rose in summer

圖3 秋季切花月季所需累積輻熱積與生理輻熱積Fig.3 TEP and PTEP required of cut rose in autumn

圖4 冬季切花月季所需累積輻熱積與生理輻熱積Fig.4 TEP and PTEP required of cut rose in winter

圖5 4個季節(jié)切花月季所需平均累積輻熱積與平均生理輻熱積Fig.5 Average TEP and PTEP required of cut rose in four seasons

2.4 切花月季生長模型驗證

利用第5次試驗對切花月季生長模型進行驗證。首先用公式(1)～(6)和表1計算不同品種各生長發(fā)育階段所需生理輻熱積,以反向推出第5次3個月季品種3個生長發(fā)育階段所需的時間為模擬值,將模擬值整合得到生長發(fā)育階段模擬值與觀測值的檢驗結(jié)果如圖6所示。在模擬值和觀測值之間,針對3個品種在修剪至萌芽、萌芽至現(xiàn)蕾和現(xiàn)蕾至收獲等時期的數(shù)據(jù),得到基于1∶1線的決定系數(shù)R2為0.99,3個發(fā)育階段的回歸統(tǒng)計標準誤差分別為0.4、6.7和9.4 d。

圖6 切花月季到達各個生長發(fā)育階段天數(shù)模擬值與觀測值比較Fig.6 Comparison of simulated and observed values for the number of days taken by cut rose varieties to reach various growth and development stages

3 討 論

3.1 溫度與光照對切花月季生長周期的影響

溫度和光照在決定作物生產(chǎn)力水平方面起著主要作用[8,23]。植物體整個生長發(fā)育過程都有溫度的參與[24],適宜的光溫條件可以保證作物的生長和品質(zhì)的提升[25],而低溫短日照環(huán)境會導(dǎo)致植株生長發(fā)育速率減慢,花芽分化進程延長,植株外觀品質(zhì)也會受到影響[26]。

在水肥充足的條件下,光照與溫度是影響切花月季生長發(fā)育的最主要因素。溫度對植物的光合作用和呼吸作用產(chǎn)生影響,從而影響有機物的合成和運輸,最終對植物的整個生長發(fā)育過程產(chǎn)生影響[27]。高溫會使月季發(fā)育周期延長[28],花朵直徑變小、品質(zhì)降低[29-30]。當溫度高于30 ℃時會影響月季的花器官發(fā)育,導(dǎo)致花芽停止分化,產(chǎn)量降低[31]。本研究發(fā)現(xiàn)4—9月氣溫上升,日平均氣溫由18 ℃上升至22 ℃,晝夜溫差由15 ℃降至6 ℃,隨著日均氣溫的升高和晝夜溫差的縮小,切花月季生長周期縮短,這與熊志穎等[32]、王彥華等[33]研究結(jié)果一致。其中7—8月切花月季3個生長發(fā)育階段均發(fā)育快,收獲期提前,生長周期明顯縮短,這與高博等[34]的研究結(jié)果一致。在低溫環(huán)境下,月季植株的光合作用、細胞膜流動性及基礎(chǔ)代謝會明顯降低,萌芽和枝條的生長也會受到抑制,嚴重時還會造成新梢、葉片凍害,甚至整株死亡[35-36]。本研究中,11月到翌年2月平均氣溫為17.4 ℃,在夜間加溫的情況下晝夜溫差為6.5 ℃,晝夜溫度均未在最適溫度范圍內(nèi),生長周期明顯延長,較夏季生長周期平均延長32 d,這與高博等[34]的研究結(jié)果一致。白天24～28 ℃,夜間14～18 ℃是月季生長發(fā)育最適溫度,將溫室內(nèi)的溫度控制在此范圍內(nèi)能夠促進月季生長,提高產(chǎn)量與品質(zhì)。本研究結(jié)果表明,夏季的切花月季生長周期明顯短于冬季,這是由于夏季氣溫高,晝夜溫差小,冬季溫度低且晝夜溫差大,說明在一定溫度范圍內(nèi),溫度升高有利于切花月季的生長發(fā)育。

植物的生長發(fā)育受光照影響,其機制包括影響植物光合作用和光形態(tài)學(xué)建成[37]。生產(chǎn)上可以通過冬季補光延長日照時長來提高切花月季產(chǎn)量[38],也通過改變植物生長環(huán)境的光質(zhì)延遲開花周期[39]。本試驗用棚內(nèi)測量的生長數(shù)據(jù)結(jié)合環(huán)境數(shù)據(jù),明確了溫度及太陽有效輻射與切花月季生長周期之間的關(guān)系。切花月季生長發(fā)育周期隨溫度與太陽輻射變化明顯,春夏季(4月后)所需生長發(fā)育時間明顯縮短,秋冬季(9月后)所需生長發(fā)育時間相對較長,這也與張海兵[17]、張金云等[40]的研究結(jié)果一致。

3.2 花卉生長發(fā)育模型構(gòu)建

作物的生長發(fā)育模型可以模擬和預(yù)測作物生長發(fā)育對不同作物管理以及環(huán)境管理措施的響應(yīng)過程,已成為優(yōu)化設(shè)施作物種植管理的重要工具。目前,溫室生長發(fā)育模型常用的方法有生理發(fā)育時間法、有效積溫法、輻熱積法和生理輻熱積法。本研究參考溫室多頭菊花[41]、單頭菊花[19]及大花蕙蘭[42]的生育期預(yù)測方法,綜合考慮光照和溫度兩個環(huán)境因子的協(xié)同作用,構(gòu)建了一個以生理輻熱積為尺度的日光溫室切花月季生長發(fā)育模型,該方法克服了有效積溫法的不足,并考慮到了品種之間的差異,具有較高的預(yù)測精度和實用性。姚德宏等[43]利用有效積溫法構(gòu)建了春季切花月季的生長模型,發(fā)現(xiàn)短、長積溫月季品種從萌芽到收獲的有效積溫分別為780和980 ℃。本研究彌補了有效積溫法未考慮太陽有效輻射的不足,且做了4個季節(jié)的重復(fù)試驗,誤差更小,適用性更強。張軍云等[16]以花枝長度為尺度構(gòu)建的切花月季模型將當季花枝生長劃分為漸長期、快長期和緩長期,在不同時期采取不同的肥水管理措施從而達到促進其生長的目的。本研究中,將當季花枝生長劃分為3個階段,并在此基礎(chǔ)上測量了切花月季整個生長周期所需的生理輻熱積。在得到整個生長周期所需的生理輻熱積后,不僅可以根據(jù)不同的階段調(diào)整水肥管理措施,還能通過補光加溫或降溫等方式來調(diào)節(jié)切花月季的生長周期。

本研究以4個季節(jié)為重復(fù),構(gòu)建了全年的生長發(fā)育周期預(yù)測模型,但各個季節(jié)各生長階段的生理輻熱積仍有一定的差異,可以進一步進行每個季節(jié)的重復(fù)與驗證試驗,分別構(gòu)建每個季節(jié)的生長發(fā)育時期預(yù)測模型,更精準地預(yù)測不同季節(jié)的收獲期。本試驗選取了對切花月季生長周期影響最大的兩個因素(光照與溫度)來構(gòu)建生長發(fā)育周期預(yù)測模型,但水肥管理及修剪方式也對切花月季的生長發(fā)育有一定的影響,模型有待增加參數(shù)以進一步提高模型的準確性。

4 結(jié) 論

3個切花月季品種在生長不同階段所需的生理輻熱積基本相似,可以借助生理輻熱積這一指標來預(yù)測不同品種達到特定生長發(fā)育階段所需時間以及達到收獲期的日期。本研究構(gòu)建的模型展現(xiàn)了從修剪到萌芽、萌芽到現(xiàn)蕾和現(xiàn)蕾到收獲的模擬預(yù)測值與實測值之間的良好吻合度。因此可用此模型來輔助調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫度及太陽輻射,在一定程度上輔助調(diào)控切花月季生長周期。