杏鮑菇生長模型的建立與分析

杏鮑菇生長模型的建立與分析

0杏鮑菇栽培特點及存在問題30年來，中國食品產業(yè)快速發(fā)展。除蘑菇、平陽、耳液、雙殼蘑菇等大型蘑菇外，杏鮑蘑菇、白靈蘑菇和斑點肉等珍稀蘑菇的種植量迅速增加。目前,報道可人工栽培的食用菌品種100余種,不同食用菌生物學特性各不相同,生長發(fā)育過程復雜,不僅受到物種自身的生理特性的控制,而且受到各種環(huán)境條件以及周圍其他生物競爭的影響,比如水分和溫度、光照條件等。目前國內外關于植物生長與環(huán)境之間數(shù)量關系的模型研究比較系統(tǒng)的是番茄,對食用菌生長發(fā)育與環(huán)境因子關系的相關研究基較少。2006年,沈陽農業(yè)大學的林靜等研究了培養(yǎng)料松散密度、含水率和pH對滑菇產量的影響,建立了各因子和試驗指標的回歸數(shù)學模型。2007年袁俊杰等以雞腿菇為研究對象,在栽培室內的溫濕度對食用菌生長影響的基礎上,采取英國統(tǒng)計學家皮爾遜(Pearson)提出的積差相關分析法,建立了子實體高度模型、直徑模型和質量模型,得出了雞腿菇在栽培室內在溫度12℃~28℃,相對濕度70%~95%能正常生長;生長的最適宜溫濕度組合為20℃,90%,并在此基礎上建立了食用菌子實體基于溫濕度變化的動態(tài)生長模型。但總體上看,相關研究報道少,尚未建立明確的食用菌生長發(fā)育數(shù)學模型。杏鮑菇(Pleurotuseryngii)是一種優(yōu)質大型肉質傘菌,菌肉肥厚似鮑魚,菇柄色澤雪白,質地脆嫩,營養(yǎng)豐富,素有“平菇王”美譽。杏鮑菇人工栽培研究起始于法國、意大利和印度。Kalmar(1958)首次開展人工栽培試驗。日本、中國臺灣等在20世紀90年代實現(xiàn)杏鮑菇規(guī)模化、工廠化生產,年產量2萬t以上。中國大陸1993年開始引進栽培,近10年來快速發(fā)展,涌現(xiàn)了一大批日產量1t以上的杏鮑菇工廠化、規(guī)?；a企業(yè)。此外,季節(jié)性在栽培杏鮑菇在河北、山東、山西、河南、內蒙等地發(fā)展迅速。據(jù)中國食用菌協(xié)會統(tǒng)計,2009年中國杏鮑菇總產量達32.2萬t。然而,杏鮑菇生長發(fā)育狀況和環(huán)境控制因子之間的內在關系缺乏系統(tǒng)研究,一方面由于缺乏理論指導,在生產管理中生產者僅僅憑借栽培經驗來確定杏鮑菇不同生長階段所需要的溫度、濕度及其他環(huán)境條件;另一方面,生產者由于不清楚食用菌不同生長階段最佳的生長狀況,在環(huán)境調控過程中缺乏控制目標參數(shù)標準,造成生產穩(wěn)定性差,導致杏鮑菇生產高耗能低效益。因此,在推進杏鮑菇設施化栽培的過程中,需要開展對杏鮑菇生長發(fā)育的數(shù)量化研究,確定生長發(fā)育的最佳條件,制定不同生長階段的參數(shù)標準,從而從理論上指導杏鮑菇栽培,實現(xiàn)節(jié)能高效和環(huán)境優(yōu)化控制,最終提高栽培企業(yè)的整體經濟效益。本研究采用生長度日法,通過采集大量數(shù)據(jù)并系統(tǒng)分析,建立數(shù)控菇房中杏鮑菇的生長發(fā)育模擬模型,為杏鮑菇栽培過程中的出菇管理、環(huán)境調控和設施條件下的茬口安排的優(yōu)化提供理論依據(jù)和決策支持,為其他食用菌生產提供參考依據(jù),促進食用菌栽培技術水平的提高。1材料和方法1.1品種進品種杏鮑菇‘日引一號’,福建省漳州市農業(yè)科學研究所從日本引進品種。培養(yǎng)料配方:棉籽殼15%、木屑15%、玉米芯15%、麩皮30%、玉米粉5%、蔗渣17.5%、碳酸氫鈣1.5%、石灰1%,培養(yǎng)基含水量64%。1.2杏鮑菇的制備工藝試驗在福建省漳州市農業(yè)科學研究所進行。菌棒所用栽培袋規(guī)格為17cm×35cm聚丙烯塑料栽培專用袋。每個栽培袋裝料量為400g(干料)。滅菌方式采用高壓滅菌方式(滅菌時間2.5h)。滅菌、冷卻后接種,采用枝條加麥粒菌種。接種后菌絲培養(yǎng)30天后,菌棒被移入數(shù)控菇房進行出菇管理。菇房采用環(huán)境控制系統(tǒng)加執(zhí)行機構(制冷機組、排氣扇和加濕器等)控制環(huán)境。杏鮑菇的整個生育周期為50天左右。隨機抽取3個大小、布局完全一樣的數(shù)控菇房,測定整個生長期溫度,抽樣測定出菇階段子實體大小。1.3測量項目2結果與分析2.1第1階段形態(tài)特征根據(jù)杏鮑菇的形態(tài)變化,將杏鮑菇的生育期歸結為菌絲生長期、原基形成期、菇蕾形成期、子實體伸長期和子實體成熟期這5個生育階段。根據(jù)實際觀察得到的杏鮑菇菌絲和子實體生長特性,對各個生育階段的形態(tài)特征進行描述。(Ⅰ)菌絲生長期,生長時間為33天,菌絲長滿菌袋,菌絲白且濃密,菌袋堅硬;(Ⅱ)原基形成期,生長時間為3天,菌袋面出現(xiàn)半圓形小突起,頂端有針狀菌蓋;(Ⅲ)菇蕾形成期,生長時間為3天,菌柄和菇蕾菌蓋剛剛完全形成,未看到菌褶形成;(Ⅳ)子實體伸長期,生長時間為9天,菌柄快速伸長,菌蓋逐漸展開,菌褶逐漸形成;(Ⅴ)子實體成熟期,生長時間為2天,子實體完全形成,菌蓋邊緣稍微內卷,菌褶開立,孢子尚未彈射。在不同生育階段,生長度日有所不同,杏鮑菇子實體高度和子實體菌蓋直徑也會隨生育進程的發(fā)展而發(fā)生相應的變化(表1)。2.2子實體高度生長規(guī)律及擬合結果利用DPS6.50軟件,對杏鮑菇的子實體高度與生長度日進行計算機曲線擬合,依次選擇Logistic模型、指數(shù)函數(shù)、負指數(shù)函數(shù)、Weibull函數(shù)、二次多項式曲線、Density模型、Log-Modified模型、MorganMercerFlorin模型等一元非線性回歸模型,擬合結果及相關系數(shù)分析見表2。從表2各擬合模型的結果可以看出,Weibull函數(shù)和Logistic模型擬合得到的R2均比其他擬合模型大,其值分別達到0.9990和0.9988,即擬合效果最好,能夠真實的模擬杏鮑菇子實體高度生長發(fā)育過程。從圖2可以看出,杏鮑菇子實體高度增長呈單“S”曲線,子實體高度生長過程大體上可分為3個生長時期:第一個生長時期包括誘導出菇期和菇蕾形成期(生長第34天至第39天),屬于緩慢生長期;第二個生長時期是子實體伸長期(生長第40天至第48天),屬于快速生長期;第三個生長時期是子實體成熟期(生長第49天至第50天),也屬于緩慢生長期。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計杏鮑菇在各生育階段的累積生長度日值,對杏鮑菇的子實體高度進行模擬,并與生產過程中實際觀測值進行比較,結果如表3所示。從模擬值與試驗觀測值的誤差來看,模擬值與觀測值的誤差較小,說明Weibull函數(shù)模型和Logistic模型能較好地反映和預測杏鮑菇子實體高度的變化。2.3擬合模型的篩選同樣,利用DPS6.50軟件對杏鮑菇的子實體菌蓋直徑與累積生長度日進行曲線擬合,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)觀測結果,依次選擇Logistic模型、指數(shù)函數(shù)、負指數(shù)函數(shù)、Weibull函數(shù)、二次多項式曲線、Density模型、Log-Modified模型、MorganMercerFlorin模型等擬合模型,擬合結果及相關系數(shù)分析見表4。3杏鮑菇生長過程中的“s型”曲線生長規(guī)律植物生長曲線表示植物在生長周期中的生長變化趨勢,它反映了植物整體或各個體組成部分生長成熟的內在動力與這種動力進行表達時生長環(huán)境之間的相互關系。在植物的整個生長過程中,生長速率都表現(xiàn)出“慢-快-慢”的基本規(guī)律,即開始時生長相對緩慢,以后逐漸加快,生長速率達到最高點;然后生長速率又逐漸減慢以至停止,也就是植物生長呈“S型”曲線形狀。通過大量田間試驗數(shù)據(jù)分析,研究結果表明,在適宜的生長環(huán)境條件下,杏鮑菇子實體高度和菌蓋直徑生長發(fā)育基本上符合植物的“S型”曲線規(guī)律,其子實體生長屬于有限生長型。因此,在實際生產中就是可利用了杏鮑菇的“S型”曲線生長規(guī)律,在其剛剛完成生長成熟期時收獲,避免了生長速率下降或生長衰退導致子實體營養(yǎng)物質消耗,從而獲得最高生長效率和生產效率。了解了杏鮑菇生長發(fā)育規(guī)律,能夠更好的有目的性的指導生產,為生產者獲得優(yōu)質、高效和節(jié)能的目標服務。1.3.1杏鮑菇有效積溫的測定采用溫度監(jiān)測記錄儀HOBOProv2DataLoggerU23(美國產)自動采集整個生育期內杏鮑菇菌絲生長的實際溫度(圖1)。頻率為3min采集一個溫度數(shù)據(jù)。采集后的溫度數(shù)據(jù)先整理成日平均溫度再計算杏鮑菇的有效積溫。利用EXCEL和DPS軟件進行繪圖和統(tǒng)計分析。1.3.2來自杏鮑蘑菇生長發(fā)育數(shù)據(jù)的收集自杏鮑菇原基發(fā)生期開始,每個菇房每天隨機挑選正常生長杏鮑菇個體20個,測量其子實體高度(cm)和子實體菌蓋直徑(cm)。1.4生育階段有效積溫擬合結果在設施栽培條件下,杏鮑菇的發(fā)育進程在一定范圍內隨溫度的升高而加快,溫度是影響杏鮑菇生長發(fā)育的重要環(huán)境參數(shù)。在現(xiàn)代化菇房自動控制條件下,杏鮑菇在生育期內大部分時間處于生長發(fā)育的適宜溫度。試驗引入常用的生長度日法[10,11,12,13,14,15],即在實際環(huán)境條件下,杏鮑菇完成某一生育階段所經歷的累積有效積溫值(生長度日,GrowingDegreeDays,GDD)。生長度日(℃·d)的表示方法:式中:Tb是指杏鮑菇發(fā)育基點溫度,Tb=5℃;Td是指栽培基質中菌絲實際生長日平均溫度,一般在生育期內Td>Tb。各生育階段的有效積溫可以表示為:式中,Ai第i個生育階段的有效積溫,i∈{Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}。從上述各擬合模型的擬合結果可以看出,Logistic模型和Weibull函數(shù)擬合得到的R2均比其他擬合模型大,其值分別達到0.9989和0.9986,即擬合效果最好,如圖3所示。結合圖2可知,杏鮑菇子實體菌蓋直徑的生長變化規(guī)律和子實體高度的生長變化規(guī)律基本一致,均屬于單“S”曲線型變化規(guī)律,也具有“慢-快-慢”的生長特性。一一一應用上述杏鮑菇子實體菌蓋直徑生長模型,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計中杏鮑菇在各生育階段的累積生長度日值對杏鮑菇的子實體菌蓋直徑進行模擬,并與實際觀測值進行比較,結果如表5所示。從模擬值與試驗觀一一一測值的誤差來看,模擬值與觀測值的誤差較小,說明Logistic模型和Weibull函數(shù)模型能較好地反映和預測杏鮑菇子實體菌蓋直徑的生長變化規(guī)律。虛擬植物生長模型對產量預測、土地生產力評價、資源環(huán)境分析、作物栽培指導、作物生長機理研究以及調控作物生長發(fā)育及其對環(huán)境的反應研究都具有十分重要的意義。筆者采用累積生長度日法,在大量田間試驗數(shù)據(jù)的基礎上,分析并建立了設施栽培條件下杏鮑菇子實體長度和菌蓋生長模型,分別為Weibull函數(shù),通過觀測實際值與數(shù)據(jù)模型模擬值進行了驗證分析,表明所建立的生長模型能夠真實地反映該杏鮑菇的生長特性,該研究結果將對杏鮑菇栽培管理和生產產量預測,提供科學依據(jù),也是對大型食用真菌生長規(guī)律進行的探索性研究。由于研究是在杏鮑菇特定生長環(huán)境下建立的生長模型,忽略了環(huán)