全 文 ：第 27 卷 第 12 期 农 业 工 程 学 报 Vol.27 No.12
2011 年 12 月 Transactions of the CSAE Dec. 2011 105

电导率对温室黄瓜叶面积和干物质生产影响的动态模拟
倪纪恒，毛罕平※
（江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室，镇江 212013）

摘 要：电导率是温室营养液管理的重要参数。为定量研究不同电导率对温室黄瓜光合与干物质生产的影响，该文以温
室黄瓜为试验材料，于 2009 年 10 月至 2010 年 7 月进行了不同电导率的营养液栽培的试验，定量分析了电导率对温室黄
瓜叶面积、光合速率和干物质生产的影响，构建了以辐热积为尺度的叶面积指数、最大光合速率和干物质生产模型，并
用独立的试验数据对模型进行了检验。结果表明：模型对温室黄瓜叶面积、最大光合速率和干物质产量的模拟值与实测
值之间的决定系数分别为 0.89、0.93 和 0.94，回归估计标准误差分别为 0.21 m2/m2、1.52 μmol/(m2·s)和 36.77 kg/hm2，预
测相对误差分别为 4.5%、11%和 9.2%。该研究建立的模型可以为温室黄瓜的营养液管理和决策提供依据。
关键词：电导率，光合，动态，温室，叶面积指数，干物质生产
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.12.020
中图分类号：S625.5 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2011)-12-0105-05
倪纪恒，毛罕平. 电导率对温室黄瓜叶面积和干物质生产影响的动态模拟[J]. 农业工程学报，2011，27(12)：105－109.
Ni Jiheng, Mao Hanping. Dynamic simulation of leaf area and dry matter production of greenhouse cucumber under different
electrical conductivity[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(12): 105－109. (in Chinese with English abstract)

0 引 言
黄瓜（Cucumis Sativus）是中国温室栽培的主要作物
之一[1]。随着中国设施农业的发展，采用无土栽培在设施
农业中所占的比例越来越大。目前中国温室黄瓜营养液
采用过量灌溉的管理模式，这样不仅容易引发病虫害，
而且造成水肥资源的浪费，污染环境，不符合现代化农业
高产、高效的要求，因此按需施肥，对降低温室黄瓜生产
成本，提高产品品质，提高水肥利用率具有重要意义。
电导率（electrical conductivity，EC）是营养液管理
中最重要的参数之一，所浇灌营养液浓度的高低直接影
响作物的生长发育 [2]。Li[3-4]认为高 EC 值的营养液会造
成温室番茄产量降低，降低果实体积，影响果实对水分
的吸收。EC 值过低会造成养分亏缺，影响作物生长。周
庐萍[5]认为高营养液电导率有助于提高菊花地上、地下部
的鲜质量和干质量，同时提高叶片光合速率。赵勇[6]认为
土壤电导率与冬小麦产量呈线性关系，可以利用冬小麦
抽穗后期的土壤 EC 值来作为衡量冬小麦的产量评价指
标。Min[7]认为高 EC 值能提高温室番茄果实番茄红素、
葡萄糖、果糖和可溶性固形物含量。但关于不同营养液浓

收稿日期：2011-01-28 修订日期：2011-08-10
基金项目：国家“863”高技术研究发展计划资助项目（2008AA10Z204）；江
苏省农业装备与智能化高技术研究重点实验室项目资助（BM2009703）。高
校博士学科点专项基金（200802990009），江苏省高校自然科学研究重大项
目（10KJA210010），江苏省科技支撑计划资助项目（BE2011338）
作者简介：倪纪恒（1976－），男，河南许昌人，博士，主要从事作物生长
模型与智能决策研究。镇江 江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部
重点实验室，212013。Email: nijiheng@163.com
※通信作者：毛罕平（1961－），男，教授，博士生导师，主要从事农业生
物环境工程研究。镇江 江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点
实验室，212013。Email: maohp@ujs.edu.cn
度对温室黄瓜叶面积、干物质生产的研究鲜有报道。
本研究以中国温室栽培中主要作物之一黄瓜为试验
材料，在现代化温室中通过不同营养液栽培试验，定量
分析不同营养液浓度对叶面积、光合速率和干物质生产
的影响，并建立了营养液浓度（EC）对温室黄瓜叶面积
指数和干物质生产的模拟模型，以期为中国温室黄瓜营
养液优化管理和决策提供参考和技术支持。
1 材料与方法
1.1 试验安排
试验与 2009年 10月至 2010年 7月在江苏大学Venlo
型试验温室中进行。温室东西走向，长 100 m，宽 40 m，
温室肩高 2.4 m，跨度 2.4 m。供试温室黄瓜品种为“津
优 1 号”。
试验分为 2 个部分，试验 1 于 10 月 7 日播种，种植
密度为每平方米 2.7 株。试验 2 于 3 月 10 日播种，种植
密度为每平方米 2.5 株。均在第一片真叶展开时移栽，栽
培基质均为珍珠岩。
1.2 试验处理
黄瓜幼苗移栽后采用正常营养液浇灌，正常营养液
配制步骤：从母液（母液营养液配方见表 1）中吸取
100 mL，然后溶解在 10 L 水中，加入磷酸调整 pH 值为
6.24～6.57。每天浇灌 4 次，每次每株 150 ml。开花后进
行不同 EC 的营养液处理，试验 1 营养液配制步骤：从母
液中吸取 50、75、120 mL 母液，溶解于 10 L 水中，然
后采用 EC 计（HI9932，浙江托普，中国）测定营养液
EC 值，则各营养液 EC 值分别为 1.5、2.0、2.3 mS/cm，
试验 2 各营养液配制过程：分布吸取 50、100、150 mL
母液，然后采用 EC 计测定营养液 EC 值，则各营养液的
EC 分别为 1.5（T1）、2.2（T2）、2.5（T3） mS/cm。然
农业工程学报 2011 年

106
后用磷酸调整 3 种营养液 pH 值，使 3 种营养液 pH 值在
6.24～6.57 之间。试验 1 和试验 2 均浇清水为对照（T0）
（清水 EC 值经测定为 0.036 mS/cm），每个处理 30 株，
每天浇灌营养液 4 次，每次 300 mL。各处理重复 3 次，
每个处理 90 株。
表 1 营养液母液组分
Table 1 Component of standard nutrient solution
罐 1 罐 2
化学试剂 质量/g 化学试剂 质量/g
Ca(NO3)2·4H2O 944 KNO3 604
KNO3 79 KH2PO4 170
NH4NO3 40 MgSO4·7H2O 339
Fe-EDTA(13.1%) 7 MnSO4 ·4H2O 1.7
— — ZnSO4 ·7H2O 1.45
— — Na2B4O7·10H2O 2.45
— — CuSO4 (g) ·5H2O
0.19
— — Na2MoO4·2H2O 0.12
注：每罐 10 L

1.3 测定项目与方法
1.3.1 光合速率的测定
分别在苗期、结果期、采收期选取具有代表性的植
株每处理 3 株，采用 LI-6400 便携式光合系统测定仪定株
测定植株倒7叶的光响应曲线，所设定的光照强度分别为0，
50，100，200，400，600，800，1 000，1 200，1 400，1 600，
1 800，2 000，2 200，2 500 μmol/(m2s)，测定时间为 9:00～
11:00。选择每个生育期的 3 个晴天测定。依照参考文献[8]
计算各处理的最大光合速率和光能初始利用率。
1.3.2 单株叶面积、各器官干物质量的测定
移栽后，苗期每隔 3 d，其他生育期每隔 7 d，每处
理选择具有代表性植株 3 株，进行破坏性测定，首先测
定各取样植株的叶面积，用直尺测定叶片的叶长、叶宽，
依据韦泽秀[9]的经验公式计算单叶叶面积，然后累加得到
整株叶面积。然后将植株分为根、茎（包括叶柄）、叶、
果（包括花）4 部分，105℃下杀青 15 min 后烘干至恒质
量，采用精度为 0.01 g 的电子天平称量各部分干质量。
1.3.3 环境数据的获取
温室内温度和辐射数据有温室自动控制系统自动采
集，温度探头位于温室中部，距地面 1.5m。辐射探头位
于温度探头正上方，距地面 2m。数据采集频率为每 10s
一次，存储每小时的平均值。
2 模型的描述
2.1 辐热积的计算
温度和辐射直接影响温室黄瓜叶面积和干物质生
产，因此本文采用辐热积[10-12]来模拟温室黄瓜叶面积和
干物质生产。辐热积是相对热效应与光合有效辐射的乘
积。其计算过程如下：首先计算每小时的相对热效应
（relative thermal effectiveness，RTE），然后将每小时的
相 对 热 效 应 乘 以 相 应 时 段 的 总 光 合 有 效 辐 射
（photosynthetically active radiation，PAR）即得到每小时
的辐热积（hourly product of thermal effectiveness and
PAR，HTEP），将一天内各小时的辐热积累加即为每日
总辐热积（daily total product of thermal effectiveness and
PAR，DTEP）。某个生育期的累积辐热积TEP（accumulated
product of thermal effectiveness and PAR）为该阶段日总辐
热积之和。具体计算公式见参考文献[13]。
2.2 不同 EC 对叶面积指数的模拟
用累积辐热积来描述试验 2 单株叶面积的动态变化
（图 1），不同 EC 值条件下温室黄瓜单株叶面积的随累
积辐热积的变化可以用式（1）～（4）表示
T0： 2
3208 4329.75 exp( /154.97)
0.95, 222.94
LA TEP
R SE
= − × −
= = （1）
T1： 2
7362 8812.885 exp( / 285.49)
0.95, 377.01
LA TEP
R SE
= − × −
= = （2）
T2： 2
34373 36049.295 exp( /1126.69)
0.97, 483.15
LA TEP
R SE
= − × −
= =
（3）
T3： 2
24516 27154.335 exp( / 592.88)
0.97, 608.98
LA TEP
R SE
= − × −
= =
（4）
式中，LA 为单株叶面积，cm2；TEP 为累积辐热积，MJ/m2。
R2为决定系数，SE 为标准误。从图 1 可以看出，温室黄
瓜单株叶面积随着营养液 EC 值的增加而增加。当累积辐
热积达到 187 MJ/m2时，不同处理间差异显著。
综上，单株叶面积与累积辐热积的关系可表达为
exp( / )LA a b TEP c= − × − （5）
式中，参数 a，b，c 的生物学意义为：a 为不同 EC 条件
下温室黄瓜生育期中最大单株叶面积，cm2；b 为营养液
EC 值对温室黄瓜单株叶面积增长的影响系数，无量纲；
c 为不同EC 值条件下叶面积随辐热积的扩张速率，cm2 /MJ。
参数 a、b、c 随 EC 值的变化公式为
2
2138.94 32584 sin(6.28 / 2.83 6.25)
0.99, 0.14
a EC
R SE
= + × × − −
= = （6）
2
4128.73 32124.8 sin(6.28 / 2.83 6.25)
0.99, 0.13
b EC
R SE
= + × × − −
= =
（7）
2
1212.56 sin(6.28 / 2.66 6.14) 1874.73
0.99, 0.006
c EC
R SE
= × × − − −
= =
（8）
/10000LAI LA d= × （9）
LAI 为叶面积指数（单位土地面积上的叶片面积，m2/m2）。
EC 为营养液电导率，mS/cm。10000 为将 cm2转化为 m2
的转化系数。d 为温室黄瓜的种植密度，株/m2。

图 1 不同电导率（EC）下黄瓜单株叶面积与累积辐热积关系
Fig.1 Relationship between leaf area of single plant and TEP
under different EC
第 12 期 倪纪恒等：电导率对温室黄瓜叶面积和干物质生产影响的动态模拟

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2.3 单叶光合速率的模拟
本研究以负指数模型来描述单叶的光合速率。
max max(1 exp( / ))Pg P ε PAR P= × − − × （10）
其中，Pg 为单叶光合速率，μmol/(m2·s)；Pmax 为单叶最
大光合作用速率，μmol/(m2·s)；ε 为光转换因子即吸收光
的初始光能利用效率，μmol/μ mol；PAR 为冠层吸收的光
合有效辐射，μmol/(m2·s)。
从图 2 可以看出，温室黄瓜叶片光合速率值随营养液EC
值的增加而增加。不同 EC 值与温室黄瓜叶片最大光合速率
和初始光能利用效率的关系（图 3）可以用下列公式表示
最大光合速率
max max( )
2
(0.61 exp( / 3.76) 0.17)
0.98, 0.06
P P EC
R SE
ο= × × −
= = （11）
初始光能利用效率
2
( ) (1.37 exp( / 9.7) 0.76)
0.95, 0.07
ε ε EC
R SE
= ο × × −
= = （12）
式中，Pmax(o)为营养液最适 EC 值条件下最大光合速率，
μmol/(m2·s)；ε(o)为营养液最适 EC 值条件下初始光能利
用效率，μmol/μ mol。

图 2 不同 EC 值条件下光合速率与累积辐热积的关系
Fig.2 Relationship between photosynthesis rate and TEP under
different EC

a. EC 值与最大光合速率的关系

b. EC 值与初始光能利用效率的关系
图 3 EC 值与最大光合速率和初始光能利用效率的关系
Fig.3 Relationship between maximum photosynthesis rate, initial
light use efficiency and electrical conductivity
2.3 冠层光合作用、呼吸作用和干物质生产的模拟
冠层光合作用、呼吸作用和干物质生产的模拟依据
参考文献 11 计算。
3 模型检验方法
采用回归估计标准误（root mean squared error，简称
RMSE）[11]和预测相对误差（relative estimation error, RE）
[12]检验模型。RMSE 可用下面公式计算
2
1
( - )
n
i
OBSi SIMi
RMSE
n
=
=
∑
（13）
式中，OBSi 为实测值，SIMi 为模型模拟值，n 是样本
容量。RMSE 值越小，表明模拟值与观测值间的偏差越小。
预测相对误差采用下面公式计算
100%RE = ×均方根差实测样本平均值 （14）
4 模型检验
采用与建模数据相独立的试验 1 的试验数据，首先
利用参考文献 13 中的公式计算累积辐热积，然后依据式
（5）～（9）模拟出不同 EC 值条件下温室黄瓜叶面积。
利用式（11）～（12）模拟温室黄瓜叶片的最大光合速
率和初始光能利用效率，并利用参考文献 13 中的冠层光
合作用、呼吸作用和干物质生产模型计算温室黄瓜的植
株总干质量，然后与实测值进行了比较。结果表明，模
型对温室黄瓜不同 EC 值条件下叶面积指数、最大光合速
率和植株总干质量的模拟值与实测值之间的决定系数
（R2）分别为 0.89、0.93 和 0.94，RMSE 分别为 0.21m2/m2、
1.52μmol/(m2·s)和 36.77 kg/hm2，预测相对误差分别为
4.5%、11%和 9.2%。模型较好的预测了温室黄瓜不同 EC
条件下的叶面积指数、最大光合速率和植株总干质量。

a. 叶面积指数

b. 最大光合速率
农业工程学报 2011 年

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c. 植株总干质量
图 4 不同 EC 条件下温室黄瓜叶面积指数、最大光合速率和植
株总干质量模拟值与实测值的比较
Fig.4 Comparison between simulated and measured leaf index, Pmax
and dry matter production under different EC.

5 讨 论
营养液的 EC 值是温室营养液管理中十分重要的参
数，EC 值的大小直接决定养分供应量的多少，从而影响
作物的生长发育和产量以及品质[14-16]。与前人的研究相
比，李永秀[13] 对温室黄瓜叶面积和干物质生产的模拟是
建立在潜在生长状态下（肥水供应充足的条件下），而
本文通过研究不同营养液 EC 值条件下的温室黄瓜叶面
积、最大光合速率和初始光能利用效率，模拟了不同 EC
值条件下温室黄瓜叶面积指数、最大光合速率和干物质
生产。本研究的进行，可以为温室作物营养液管理提供
技术支持。例如通过连续（3 次以上）测定温室黄瓜的单
株叶面积和各测定时期的累积辐热积，得到公式 5 的 a、
b、c 参数值，依据 a、b、c 参数值反推，即可求得当前
营养液的 EC 值，从而实现对温室黄瓜营养液管理的在线
监测。
6 结 论
本研究所建立的模型依据温室内温度、辐射和营养液
EC 值等信息，动态的预测了温室黄瓜的叶面积指数、最大
光合速率和植株总干物质量。其中，模型对温室黄瓜叶面
积模拟值与实测值之间基于 1:1 线之间的决定系数为 0.89，
回归估计标准误差为 0.21 m2/m2，预测相对误差为 4.5%；
模型对最大光合速率模拟值与实测值之间基于 1:1 线之间
的决定系数为 0.93，回归估计标准误差为 1.52 μmol/(m2·s)，
预测相对误差为 11%；对干物质产量模拟值与实测值之间
基于 1:1 线之间的决定系数为 0.94，回归估计标准误差为
36.77 kg/hm2，预测相对误差为 9.2%。本模型具有预测精度
高、实用性强的特点，能够为我国温室黄瓜营养液管理和
决策提供技术支持。但模型在其它品种和基质的实际应用，
尚需进一步的研究以便对模型进行校正和检验。
[参 考 文 献]
[1] 陈永山，戴剑锋，罗卫红，等. 叶片氮浓度对温室黄瓜花
后叶片最大总光合速率影响的模拟[J]. 农业工程学报，
2008，24(7)：13－19.
Chen Yongshan, Dai Jianfeng, Luo Weihong, et al.
quantifying the effects of leaf nitrogen concentration on the
maximum leaf gross photosynthesis rate of greenhouse
cucumber under different radiation and temperature condition
after flowering[J]. Transactions of CSAE, 2008, 24(7): 13－
19. (in Chinese with English abstract)
[2] Banedjschafie S, Bastani S, Widmoser P, et al. Improvement
of water use and N fertilizer efficiency by subsoil irrigation
of winter wheat[J]. European Journal of Agronomy, 2008,
28(1): 1－7.
[3] Ya Lingli, Cecilia S, Hugo C, et al. Effect of electrical
conductivity and transpiration on production of greenhouse
tomato (Lycopersicon esculentum L.)[J]. Scientia
Horticulturae, 2001, 88(1): 11－29.
[4] Ya Lingli, Cecilia S. Analysis of the effect of EC and
potential transpiration on vegetative growth of tomato[J].
Scientia Horticulturae, 2001, 89(1): 9－21.
[5] 周庐萍，崔永一. 光照强度和营养液电导率对微型水培菊花
苗生长的影响[J]. 浙江林学院学报，2010，27(4): 554－558.
Zhou Luping, Cui Yongyi. Chrysanthemum plantlet growth
with photosynthetic photon flux and electrical conductivity
treatments in a microponic system culture [J]. Journal of
Zhejiang Forestry College, 2010,27(4):554—558. (in Chinese
with English abstract)
[6] 赵勇，李民赞，张俊宁. 冬小麦土壤电导率与其产量的相
关性[J]. 农业工程学报，2009，25(增刊)：34－37.
Zhao Yong, Li Minzan, Zhang Junning. Correlation between
soil electrical conductivity and winter yield[J]. Transactions
of the CSAE, 2009, 25(Suppl): 34－37. (in Chinese with
English abstract)
[7] Min Wu, Chieri K. Effects of high electrical conductivity of
nutrient solution and its application timing on lycopene,
chlorophyll and sugar concentrations of hydroponic tomatoes
during ripening[J]. Scientia Horticulturae, 2008, 116(2): 122
－129.
[8] 曹卫星，罗卫红. 作物系统模拟与智能管理[M]. 北京：高
等教育出版社，2003：45-61.
[9] 韦泽秀，梁银丽，周茂娟，等.水肥组合对日光温室黄瓜叶
片生长和产量的影响[J].农业工程学报,2010,26(3)：69－74.
Wei Zexiu, Liang Yinli, Zhou Maojuan, et al. Physiological
characteristics of leaf growth and yield of cucumber under
different watering and fertilizer coupling treatments in
greenhouse[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(3): 69－
74. (in Chinese with English abstract)
[10] 倪纪恒，陈学好，陈春宏，等. 用辐热积法模拟温室黄瓜
果实生长[J]. 农业工程学报，2009，25 (5)：192－196.
Ni Jiheng, Chen Xuehao, Chen Chunhong, et al. Simulation
of cucumber fruit growth in greenhouse based on production
of thermal effectiveness and photosynthesis active
radiation[J]. Transactions of the CSAE, 2009, 25 (5):192－
196. (in Chinese with English abstract)
[11] 倪纪恒，罗卫红，李永秀，等. 温室番茄干物质分配与产
量的模拟分析[J]. 应用生态学报，2006，17(5)：811－816.
Ni Jiheng, Luo Weihong, Li Yongxiu, et al. Simulation of
greenhouse tomato dry matter partitioning and yield
prediction [J]. Journal of Applied Ecology. 2006, 17(5): 811
－816. (in Chinese with English abstract)
第 12 期 倪纪恒等：电导率对温室黄瓜叶面积和干物质生产影响的动态模拟

109
[12] 倪纪恒，罗卫红，李永秀，等. 温室番茄叶面积与干物
质生产的模拟[J]. 中国农业科学，2005，38(8)：1629
－1635.
Ni Jiheng, Luo Weihong, Li Yongxiu, et al. Simulation of
leaf area and dry matter production in greenhouse tomato[J].
Scientia Agricultura Sinica, 2005, 38(8): 1629－1635. (in
Chinese with English abstract)
[13] 李永秀，罗卫红，倪纪恒，等. 用辐热积法模拟温室黄瓜
叶面积、光合速率与干物质产量[J]. 农业工程学报，2005，
21 (12)：131－136.
Li Yongxiu, Luo Weihong, Ni Jiheng, et al. Simulation of
leaf area, photosynthetic rate and dry matter production in
greenhouse cucumber based on product of thermal
effectiveness and photosynthetically active radiation.
Transactions of the CSAE, 2005, 21 (12): 131－136. (in
Chinese with English abstract)
[14] 韩利，戴剑锋，罗卫红，等. 氮素对温室黄瓜开花后干物
质分配和产量影响的模拟研究[J]. 农业工程学报，2008，
24(6)：206－213.
Han Li, Dai Jianfeng, Luo Weihong, et al. Simulation of the
effects of nitrogen on after anthesis dry matter partitioning
and yield of greenhouse cucumber[J]. Transactions of the
CSAE, 2008, 24(6): 206－213. (in Chinese with English
abstract)
[15] Lea-Cox J, David R, Teffeau K. A water and nutrient
management planning process for container nursery and
greenhouse production systems in Maryland[J]. Journal of
Environment Horticulture, 2001, 19(4): 226－229.
[16] Alberto P, Fernando M, Incrocci L, et al. A comparison
between two methods to control nutrient delivery to
greenhouse melons grown in recirculation nutrient solution
culture [J]. Scientia Horticulturae, 2002, 92(2): 89－95.

Dynamic simulation of leaf area and dry matter production of greenhouse
cucumber under different electrical conductivity

Ni Jiheng, Mao Hanping※
(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education and Jiangsu Province, Jiangsu University,
Zhenjiang 212013, China)

Abstract: Electrical conductivity (EC) is an important parameter of nutrient solution management. In order to
investigate the effects of EC on photosynthesis rate and dry matter production of greenhouse cucumber, experiment of
greenhouse cucumber with different EC was conducted in greenhouse of Jiangsu University from September 2009 to
July 2010. Effect of different EC on leaf area, maximum photosynthesis rate and dry matter production were quantitative
analyzed. A simulation model based on thermal and photosynthetically active radiation was founded. Independent
experimental data were used to validate the model. The results showed that the coefficient of determination between
simulated and measured values of leaf area index, maximum photosynthesis rate and dry matter production based on the
1:1 line were 0.89, 0.93 and 0.94, respectively. And root mean squared error between the simulated and measured values
were 0.21 m2/m2, 1.52μmol/(m2·s) and 36.77 kg/hm2, respectively. Relative error between the simulated and measured
values were 4.5%、11% and 9.2%, respectively. The model could be used for optimizing nutrient solution management
for greenhouse cucumber.
Key words: electric conductivity, photosynthesis, dynamics, greenhouses, leaf area index, dry matter production