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李双伟, 朱俊奇, EVERS Jochem B., VAN DER WERF Wopke, 郭焱, 李保国, 马韫韬. 基于植物功能-结构模型的玉米-大豆条带间作光截获行间差异研究[J]. 智慧农业(中英文), 2022, 4(1): 97-109.
LI Shuangwei, ZHU Junqi, EVERS Jochem B., VAN DER WERF Wopke, GUO Yan, LI Baoguo, MA Yuntao. Estimating the differences of light capture between rows based on functional-structural plant model in simultaneous maize-soybean strip intercropping[J]. Smart Agriculture, 2022, 4(1): 97-109.
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基于植物功能-结构模型的玉米-大豆条带间作光截获行间差异研究
李双伟1,2,3, 朱俊奇4, Jochem B. EVERS3, Wopke VAN DER WERF3, 郭焱1, 李保国1, 马韫韬1*
(1.中国农业大学 土地科学与技术学院,北京 100193;2.浙江省农业科学院 农业装备研究所,浙江杭州 310021;3.瓦赫宁根大学 作物系统分析中心,海尔德兰瓦赫宁根 430-6700 AK,荷兰;4.新西兰植物和食品研究所 马尔堡研究中心,马尔堡布莱尼姆 7240,新西兰)
摘要: 间作种植形成了异质冠层空间结构,但因此导致的作物生长、表型和光截获的行间差异目前还少有定量化。为解析条带间作生产力的行间差异,本研究基于田间观测数据构建植物功能-结构模型(Functional-Structural Plant Model,FSPM),量化间作系统中光截获的行间差异。于2017—2018年开展了玉米和大豆单作、2行玉米和2行大豆的2:2 MS间作以及3行玉米和6行大豆的3:6 MS间作田间试验。基于植物生长平台GroIMP开发了玉米-大豆间作的FSPM,模型较好地模拟了叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)、株高和光截获系数动态三个指标,均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)分别为0.24~0.70 m2/m2、0.06~0.17 m和0.06~0.10。田间试验结果表明,间作种植显著增加了玉米节间直径。受玉米遮阴影响,大豆节间变长、变细,且随大豆条带变窄差异越明显。模型模拟的2:2 MS间作玉米光截获比单作玉米高35.6%,3:6 MS边行玉米和内行玉米的光截获分别比单作玉米高27.8%和20.3%。2:2 MS与3:6 MS边行大豆的光截获比单作大豆分别少36.0%和28.8%;3:6 MS大豆内I行和内II行比单作大豆的光截获分别少4.1%和1.8%。基于三维FSPM,未来可进行不同生长环境下间作种植模式等的布局优化,以达到最佳系统光截获优势。
关键词:玉米-大豆间作;植物功能-结构模型;光截获;三维结构;表型可塑性;行间差异
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图1 2017—2018年梨树实验站玉米-大豆不同种植模式的示意图
Fig. 1 Schematic diagram of different planting patterns for maize and soybean in Lishu experimental station during 2017—2018 growing season
图2 梨树实验站2017—2018年生育期内气象数据
Fig. 2 Meteorological data in Lishu experimental station during 2017-2018 growing season
图3 出苗65 d后各处理群体三维可视化及光分布
Fig. 3 Visual outputs of simulated plot for each planting pattern in 65 days after emergence
图4 2017—2018年玉米和大豆2:2 MS间作系统不同行位置光截获系数实测值和模拟值的比较
Fig. 4 Comparison between observed and simulated fraction of light interception for different row positions in 2:2 MS intercropping of maize and soybean in 2017—2018
图5 生育期内2:2 MS和3:6 MS处理中玉米和大豆行间单位土地面积日光截获量
Fig. 5 Daily light capture for maize and soybean in different rows in 2:2 MS and 3:6 MS intercropping during the growing season
图6 生育期内2:2 MS和3:6 MS间作中行间单位土地面积光截获的减少量
Fig. 6 Attenuated light capture for different rows in 2:2 MS and 3:6 MS intercropping during the growing season
通信作者简介
马韫韬 教授马韫韬,中国农业大学土地科学与技术学院教授,博士生导师。中国农业大学计算机应用数学学士,资源与环境学院农学博士,中科院自动化研究所和荷兰瓦赫宁根大学信息/农业交叉学科博后。现代农业产业技术体系北京市创新团队“植物体征数字化获取技术熟化与应用”岗位科学家。法国国家计算机科学与控制研究所(INRIA)、法国巴黎中央大学(ECP)和加州大学戴维斯分校访问学者。中国农业生物技术学会植物表型组学专业委员,国际植物生长建模、仿真与数字孪生(PMA/FSPM)委员会常务理事,农业建模与仿真专业委员会委员,中国计算机学会会员,农业人工智能与作物表型内蒙古工程研究中心副主任、首席科学家。主持和参与了国家重点研发计划、973、863、行业科技专项、国家自然基金和内蒙古科技重大专项等项目。发表SCI/EI等论文50余篇。当前主要研究领域:(1)植物功能-结构-环境互作的系统仿真研究;(2)植物(三维)表型研究;(3)人工智能及其农业算法研发与应用;(4)多源传感器的融合及数字农业应用。(5)大规模三维场景的快速获取与渲染。
来源:《智慧农业(中英文)》2022年第1期
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