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(diǎn)及存在問題30年來，中國食品產(chǎn)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(diǎn)肉等珍稀蘑菇的種植量迅速增加。目前,報(bào)道可人工栽培的食用菌品種100余種,不同食用菌生物學(xué)特性各不相同,生長發(fā)育過程復(fù)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(nèi)外關(guān)于植物生長與環(huán)境之間數(shù)量關(guān)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(guān)系的相關(guān)研究基較少。2006年,沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)的林靜等研究了培養(yǎng)料松散密度、含水率和pH對滑菇產(chǎn)量的影響,建立了各因子和試驗(yàn)指標(biāo)的回歸數(shù)學(xué)模型。2007年袁俊杰等以雞腿菇為研究對象,在栽培室內(nèi)的溫濕度對食用菌生長影響的基礎(chǔ)上,采取英國統(tǒng)計(jì)學(xué)家皮爾遜(Pearson)提出的積差相關(guān)分析法,建立了子實(shí)體高度模型、直徑模型和質(zhì)量模型,得出了雞腿菇在栽培室內(nèi)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(chǔ)上建立了食用菌子實(shí)體基于溫濕度變化的動(dòng)態(tài)生長模型。但總體上看,相關(guān)研究報(bào)道少,尚未建立明確的食用菌生長發(fā)育數(shù)學(xué)模型。杏鮑菇(Pleurotuseryngii)是一種優(yōu)質(zhì)大型肉質(zhì)傘菌,菌肉肥厚似鮑魚,菇柄色澤雪白,質(zhì)地脆嫩,營養(yǎng)豐富,素有“平菇王”美譽(yù)。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(yàn)。日本、中國臺灣等在20世紀(jì)90年代實(shí)現(xiàn)杏鮑菇規(guī)?；⒐S化生產(chǎn),年產(chǎn)量2萬t以上。中國大陸1993年開始引進(jìn)栽培,近10年來快速發(fā)展,涌現(xiàn)了一大批日產(chǎn)量1t以上的杏鮑菇工廠化、規(guī)?；a(chǎn)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(nèi)蒙等地發(fā)展迅速。據(jù)中國食用菌協(xié)會統(tǒng)計(jì),2009年中國杏鮑菇總產(chǎn)量達(dá)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(nèi)在關(guān)系缺乏系統(tǒng)研究,一方面由于缺乏理論指導(dǎo),在生產(chǎn)管理中生產(chǎn)者僅僅憑借栽培經(jīng)驗(yàn)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(chǎn)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(diào)控過程中缺乏控制目標(biāo)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),造成生產(chǎn)穩(wěn)定性差,導(dǎo)致杏鮑菇生產(chǎn)高耗能低效益。因此,在推進(jìn)杏鮑菇設(shè)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(biāo)準(zhǔn),從而從理論上指導(dǎo)杏鮑菇栽培,實(shí)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(jīng)濟(jì)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(diào)控和設(shè)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(chǎn)提供參考依據(jù),促進(jìn)食用菌栽培技術(shù)水平的提高。1材料和方法1.1品種進(jìn)品種杏鮑菇‘日引一號’,福建省漳州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所從日本引進(jìn)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(yàn)在福建省漳州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所進(jìn)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(gè)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(shí)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(jìn)行出菇管理。菇房采用環(huán)境控制系統(tǒng)加執(zhí)行機(jī)構(gòu)(制冷機(jī)組、排氣扇和加濕器等)控制環(huán)境。杏鮑菇的整個(gè)生育周期為50天左右。隨機(jī)抽取3個(gè)大小、布局完全一樣的數(shù)控菇房,測定整個(gè)生長期溫度,抽樣測定出菇階段子實(shí)體大小。1.3測量項(xiàng)目2結(jié)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(jié)為菌絲生長期、原基形成期、菇蕾形成期、子實(shí)體伸長期和子實(shí)體成熟期這5個(gè)生育階段。根據(jù)實(shí)際觀察得到的杏鮑菇菌絲和子實(shí)體生長特性,對各個(gè)生育階段的形態(tài)特征進(jìn)行描述。(Ⅰ)菌絲生長期,生長時(shí)間為33天,菌絲長滿菌袋,菌絲白且濃密,菌袋堅(jiān)硬;(Ⅱ)原基形成期,生長時(shí)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(shí)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(shí)體伸長期,生長時(shí)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(shí)體成熟期,生長時(shí)間為2天,子實(shí)體完全形成,菌蓋邊緣稍微內(nèi)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(shí)體高度和子實(shí)體菌蓋直徑也會隨生育進(jìn)程的發(fā)展而發(fā)生相應(yīng)的變化(表1)。2.2子實(shí)體高度生長規(guī)律及擬合結(jié)果利用DPS6.50軟件,對杏鮑菇的子實(shí)體高度與生長度日進(jìn)行計(jì)算機(jī)曲線擬合,依次選擇Logistic模型、指數(shù)函數(shù)、負(fù)指數(shù)函數(shù)、Weibull函數(shù)、二次多項(xiàng)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(jié)果及相關(guān)系數(shù)分析見表2。從表2各擬合模型的結(jié)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(dá)到0.9990和0.9988,即擬合效果最好,能夠真實(shí)的模擬杏鮑菇子實(shí)體高度生長發(fā)育過程。從圖2可以看出,杏鮑菇子實(shí)體高度增長呈單“S”曲線,子實(shí)體高度生長過程大體上可分為3個(gè)生長時(shí)期:第一個(gè)生長時(shí)期包括誘導(dǎo)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(gè)生長時(shí)期是子實(shí)體伸長期(生長第40天至第48天),屬于快速生長期;第三個(gè)生長時(shí)期是子實(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)杏鮑菇在各生育階段的累積生長度日值,對杏鮑菇的子實(shí)體高度進(jìn)行模擬,并與生產(chǎn)過程中實(shí)際觀測值進(jìn)行比較,結(jié)果如表3所示。從模擬值與試驗(yàn)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(yù)測杏鮑菇子實(shí)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(shí)體菌蓋直徑與累積生長度日進(jìn)行曲線擬合,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)觀測結(jié)果,依次選擇Logistic模型、指數(shù)函數(shù)、負(fù)指數(shù)函數(shù)、Weibull函數(shù)、二次多項(xiàng)式曲線、Density模型、Log-Modified模型、MorganMercerFlorin模型等擬合模型,擬合結(jié)果及相關(guān)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(gè)體組成部分生長成熟的內(nèi)在動(dòng)力與這種動(dòng)力進(jìn)行表達(dá)時(shí)生長環(huán)境之間的相互關(guān)系。在植物的整個(gè)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(shí)生長相對緩慢,以后逐漸加快,生長速率達(dá)到最高點(diǎn);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(yàn)數(shù)據(jù)分析,研究結(jié)果表明,在適宜的生長環(huán)境條件下,杏鮑菇子實(shí)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(shí)體生長屬于有限生長型。因此,在實(shí)際生產(chǎn)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(shí)收獲,避免了生長速率下降或生長衰退導(dǎo)致子實(shí)體營養(yǎng)物質(zhì)消耗,從而獲得最高生長效率和生產(chǎn)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(dǎo)生產(chǎn),為生產(chǎn)者獲得優(yōu)質(zhì)、高效和節(jié)能的目標(biāo)服務(wù)。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(chǎn))自動(dòng)采集整個(gè)生育期內(nèi)杏鮑菇菌絲生長的實(shí)際溫度(圖1)。頻率為3min采集一個(gè)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(jì)算杏鮑菇的有效積溫。利用EXCEL和DPS軟件進(jìn)行繪圖和統(tǒng)計(jì)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(gè)菇房每天隨機(jī)挑選正常生長杏鮑菇個(gè)體20個(gè),測量其子實(shí)體高度(cm)和子實(shí)體菌蓋直徑(cm)。1.4生育階段有效積溫?cái)M合結(jié)果在設(shè)施栽培條件下,杏鮑菇的發(fā)育進(jìn)程在一定范圍內(nèi)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(dòng)控制條件下,杏鮑菇在生育期內(nèi)大部分時(shí)間處于生長發(fā)育的適宜溫度。試驗(yàn)引入常用的生長度日法[10,11,12,13,14,15],即在實(shí)際環(huán)境條件下,杏鮑菇完成某一生育階段所經(jīng)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(diǎn)溫度,Tb=5℃;Td是指栽培基質(zhì)中菌絲實(shí)際生長日平均溫度,一般在生育期內(nèi)Td>Tb。各生育階段的有效積溫可以表示為:式中,Ai第i個(gè)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(jié)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(dá)到0.9989和0.9986,即擬合效果最好,如圖3所示。結(jié)合圖2可知,杏鮑菇子實(shí)體菌蓋直徑的生長變化規(guī)律和子實(shí)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(yīng)用上述杏鮑菇子實(shí)體菌蓋直徑生長模型,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(shí)體菌蓋直徑進(jìn)行模擬,并與實(shí)際觀測值進(jìn)行比較,結(jié)果如表5所示。從模擬值與試驗(yàn)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(yù)測杏鮑菇子實(shí)體菌蓋直徑的生長變化規(guī)律。虛擬植物生長模型對產(chǎn)量預(yù)測、土地生產(chǎn)力評價(jià)、資源環(huán)境分析、作物栽培指導(dǎo)、作物生長機(jī)理研究以及調(diào)控作物生長發(fā)育及其對環(huán)境的反應(yīng)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(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,分析并建立了設(shè)施栽培條件下杏鮑菇子實(shí)體長度和菌蓋生長模型,分別為Weibull函數(shù),通過觀測實(shí)際值與數(shù)據(jù)模型模擬值進(jìn)行了驗(yàn)證分析,表明所建立的生長模型能夠真實(shí)地反映該杏鮑菇的生長特性,該研究結(jié)果將對杏鮑菇栽培管理和生產(chǎn)產(chǎn)量預(yù)測,提供科學(xué)依據(jù),也是對大型食用真菌生長規(guī)律進(jìn)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)