基于时间尺度的温室作物生长指标与环境因子耦合关系研究

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1、基于时间尺度的温室作物生长指标与环境因子耦合关系研究(省教育厅重点项目)一、立论依据（包括项目的研究意义和必要性、国内外研究现状和发展趋势分析，并附主要参考文献及出处。字数不限）温室（Greenhouse）利用人工建造的设施为蔬菜、花卉、瓜果类等作物提供最佳的环境条件,以期获得速生、高产、优质、高效的农产品。温室产业集中代表了现代农业的发展方向[1]。荷兰、美国、英国、以色列、日本等国家的温室产业非常发达，中国从1970年代末开始，经过30年的研究和发展，目前已成为世界上温室绝对面积最大的国家。温室环境控制技术是现代温室产

2、业的核心问题之一。设施栽培投入高，因此必须要有高产出、高效益。要实现高产出、高效益，通常是通过反季节培育、提前上市、生产名贵蔬菜和花卉等途径，依靠高技术和先进的环境调控技术，使作物获得最优的光、温、水、气、肥等生长环境条件。但是，环境调控需要较大的的设备成本和能源消耗，控制技术不当，会造成产投比低、经济效益差的现象。因此，如何根据作物的生态适宜性，采用经济有效的技术途径，将生态环境因子调控在合适的水平上，达到作物产量和经济效益的统一，就成为温室高产高效生产的关键[2]。基于经济最优的温室环境控制策略是较理想和实用的控制方法

3、。目前温室环境控制方法大体上可分为：设定值控制、预测控制、积温控制策略等。经济最优的温室环境控制方法基于作物生长发育生态模型、控制机构运行成本模型和环境控制效果模型，以产出投入比最大为控制目标，实现对温室环境参数的优化控制和控制决策。其核心是将作物生长监测和环境因子控制统一为一个系统加以研究，根据被控对象不同生长阶段对生态环境的要求，进行光、温、水、气、肥环境因子协调控制[2,3]，寻找最佳的环境控制管理技术，提高温室农业生产效益。尤其适合解决我国设施可控水平低、机械不配套、能源消耗大的现状。作物生长状态和环境因子的动态监

4、测是实现温室环境高效控制的前提。目前各种类型的环境参数传感器、无线传感器网络、远程通信、互联网和数据库等技术较为成熟，温室环境的多点、多参数、实时、动态监测已较好实现[4]。但是作物生长信息的全面、精确检测和数字化感知、解析依然是一个瓶颈问题。农业发达国家已经研制开发了先进的作物生长监测系统[5]，能监测作物光合作用、叶面积指数、茎粗、植株生长速率、果实生长速率、生物量、水分、营养水平等，为作物生长状态的在线感知创造了有利条件。我国目前在温室系统和研究中还较少使用。作物生长状态和环境因子的耦合关系是实现温室环境高效控制的基

5、础。众所周知，环境因子对作物生长状态影响较大；同时，温室是一个半封闭的结构，作物生长过程中进行的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等又影响环境因子。作物生长状态与温室环境互相影响。由于在长期生长过程中的积累效应，作物生长状态和环境参数的耦合不同步，即时间尺度不一致，且具有非线性强、时变、滞后性强和干扰大的特点[3,6]。关于温室作物的生长-环境关系或模型方面，国内外开展了大量研究并取得了很大进展[7,8,9]。国际上有代表性的是以色列Tomgro番茄模型和荷兰的Hortisim系统。Tomgro番茄模型[10]研究了温室内主要环

6、境要素如温度、太阳辐射、CO2等与番茄生长发育的定量关系,采用叶片数、茎、果、叶面积、叶面积指数、干物质重等状态变量描述整个模型；Hortisim系统[11]借鉴、引入了许多有关番茄、黄瓜、甜椒等模型和研究成果,并通过结合环境控制、栽培管理、决策支持等方面的研究现状,实现对番茄、黄瓜、甜椒等多种园艺作物生长发育过程的模拟。我国的相关研究总体尚处于起步阶段,但在消化吸收的基础上开展了一些中国特色的研究和探索，对温室栽培的黄瓜、番茄、甜瓜等品种的研究取得了阶段性成果。例如陈春宏等[12]研究了在大型温室的栽培生产实践中环境因子

7、的变化特点及黄瓜的生长发育规律；倪纪恒等[13]以生理发育时间为发育尺度，根据作物发育对光温的反应规律，建立温室番茄的发育模拟模型，并用不同播期、不同栽培地点和不同品种的番茄试验数据对模型进行检验；张娟等[14]采用基于遗传算法的RBF神经网络实现了对温室栽培番茄茎的生长过程的建模，该模型将温室室内的温度、湿度、光照强度和CO2浓度作为番茄生长过程的主要影响因素；毛罕平、李萍萍等[15]综合考虑了温度、光照、湿度等环境因子对作物生长的影响，结合了环境控制的成本分析，首次将作物生长、环境控制和经济分析置于一个大系统下进行研究

8、，在国内具有一定的代表性。但是，从环境调控的角度看，作物生理生态研究与环境调控技术研究仍缺乏有机联系。现有温室环境动态控制研究成果中，大都是以温室每一天单位时段内环境动态变化为优化控制条件，而没有考虑作物在长期生长过程中的积累，即作物生长模型和温室环境模型的时间尺度不一致。目前的控制技术只能是符合温室环