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。

2、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。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

3、、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

4、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

5、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

6、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

7、、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，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