基于PLSR和BPNN方法的番茄光合速率预测比较

CO₂作为温室作物光合作用的重要原料,不同环境因子交互作用的植株叶片对CO₂浓度需求具有较大差异。为寻求CO₂浓度合理增施量,该文基于偏最小二乘法和BP神经网络方法对不同生长阶段番茄作物进行光合速率预测,进而探讨作物生长过程中可通用的光合速率预测方法。试验以无线传感器网络系统实时监测环境信息(CO₂浓度,光照强度,空气温度及相对湿度),以LI-6400XT光合速率仪获取作物单叶净光合速率。剔除样本奇异点后,对样本值进行统一归一化。以CO₂浓度、光照强度、空气温度及相对湿度为模型输入变量,以光合速率为输出量,利用偏最小二乘法和BP神经网络方法分别建立番茄幼苗期,开花期及结果期的光合速率预测模型。模型验证结果表明,偏最小二乘法在番茄各生长阶段的决定系数分别为0.74,0.88和0.85,最大相对误差为15.01%;而BP神经网络在各阶段具有较高的预测精度,其决定系数分别为0.94,0.96和0.97,最大相对误差为9.56%。因此,基于BP神经网络模型预测了特定环境下的CO₂浓度饱和点,为温室CO₂增施提供依据。     

温室作物叶-气系统水流阻力研究初探

温室作物叶-气系统水流阻力的确定对计算作物蒸腾量、制定温室作物灌溉制度以及调控温室小气候具有重要意义,但测量难度较大。该文通过对温室作物周围环境微气象条件的连续观测，计算分析了温室作物叶-气系统水流阻力各分项即叶片周围层流副层边界层阻力(r_b)、冠层上方湍流边界层阻力(r_g)、空气动力学阻力(r_e)和叶片气孔阻力(r_i)的变化规律。结果表明：温室内r_b比较稳定，平均约235 s/m，且与环境因素关系不甚密切；温室内黄瓜、西红柿类植物生殖生长期r_g<b，在计算r_e时，r_g的影响可忽略，取r_e≈r_b；利用基于能量平衡方程和空气动力学方程得出的叶-气温差计算公式计算得到r_i，符合其变化的一般规律；在此基础上计算了温室黄瓜的蒸腾速率，与实测值的一致性较好。     

温室CO2气体浓度环境自动调控系统的研究

为了改善现代温室内气体环境的质量，提高温室的生产产量和产品品质，介绍一种新型温室CO₂浓度自动调控系统，并运用射流理论，分析研究了系统的设计原理和方法，对系统的工作性能也作了相应的对比实验研究，结果表明该系统具有结构简单、自动控制性能好、造价低、运行经济可靠、补充CO₂速度快、CO₂浓度和气体流速分布均匀、增产效果和经济效益明显等特点。     

空间电场对植物吸收CO2和生长速度的影响

为研究空间电场对植物吸收CO₂和生长速度的影响，首先采用同位素示踪法，分析了不同空间电场调控营养液栽培的番茄秧吸收CO₂气体和HCO^-₃阴离子的能力，证实了 ¹⁴C—HCO^-₃是一种受控于空间电场变化的阴离子，且空间电场强度的变化方向调控着 ¹⁴C—HCO^-₃阴离子流的流动方向。在此基础上以蕹菜(空心菜)为试验材料，采取空间电场与增施CO₂浓度的参数组合，做对比生长试验，通过红外线CO₂分析法揭示了空间电场的极性对植物吸收CO₂的速度有显著影响，且正向空间电场能显著促进植物对CO₂的吸收，并得到正向空间电场与足量的CO₂浓度相配合能大幅度提高温室蔬菜生长速度，使作物产量倍增的结论，为建立空间电场促进植物生长技术提供理论依据。     

组培苗光合速率测量系统的研制与试验

光合生长模型是组培微环境调控的依据，组培苗光合速率测量系统是定量研究生长模型所必备的实验装置。现有成熟的植物光合速率测量系统，如Li-6400不能适用于组培苗的测量。该文在综合分析国外现有测量系统的基础上，兼顾国内在大型组培育苗设施类型选择上的经济可行性，采用CO₂传感器和自动控制技术，研制了半开放式组培苗光合速率测量系统。该系统自动化程度高，能够实现整个生长过程在线连续测量，测量误差小，不干扰组培微环境，数据真实性好，所建立的光合模型可以直接应用于半开放式组培设施环境的调控系统。以阶段Ⅲ甘薯组培苗为实验材料，采用本测量系统对其第8 d的光合速率进行了测定，并建立了CO₂浓度和光合光量子通量密度的2因子光合生长模型。     

农田土壤主要温室气体(CO2、CH4、N2O)的源/汇强度及其温室效应研究进展

气候变化是当今全球面临的重大挑战, 人类社会生产生活引起的温室气体排放是全球气候变暖的主要原因。大气中CO₂、CH₄ 和N₂O 是最重要的温室气体, 对温室效应的贡献率占了近80%。据估计, 大气中每年有5%~20%的CO₂、15%~30%的CH₄、80%~90%的N₂O 来源于土壤, 而农田土壤是温室气体的重要排放源。本文重点阐述了农田土壤温室气体产生、排放或吸收机理及其影响因素, 指出土地利用方式和农业生产力水平等人为控制因素通过影响土壤和作物生长条件来影响农田土壤温室气体产生与排放或吸收。所以, 我们可以从人类活动对农田生态系统的影响着手, 通过改善农业生产方式和作物生长条件来探索温室气体减排措施, 达到固碳/氮增汇的目的。对国内外关于农田温室气体排放的源/汇强度及其综合温室效应评估的最新研究进展进行了综述, 指出正确估算与评价农田土壤温室气体的源/汇强度及其对大气中主要温室气体浓度变化的贡献, 有助于为温室气体减排以及减少气候变化预测的不确定性提供理论依据。     

基于模型的温室加温控制目标优化系统研究

温室加温控制目标的设定合理与否,直接影响温室作物生长及温室环境调控的能耗。本研究以温室作物生长模拟模型和温室加温能耗预测模型为基础,建立了基于模型的温室加温控制目标计算机优化系统。系统包括一个数据库(温室、作物以及气象资料)和三个模型(作物生长模拟模型、温室加温能耗预测模型以及加温控制目标优化模型)。系统的输入主要为温室类型、温室结构、覆盖材料、作物信息以及室外气象资料,系统输出主要为作物干物质生产量、温室加温能耗量以及干物质生产能耗量利用效率最高和生物量最高的温室白天和夜间的加温控制目标(温度设置点)。以2003年1月20日～2月20日上海孙桥现代农业开发区Venlo型自控玻璃温室水果型黄瓜生产为实例进行分析,结果表明,在上海地区冬季进行温室水果型黄瓜生产时,在开花至果实采收初期将白天和夜间加温控制目标分别设为23℃和17℃时可以获得最高的干物质生产量;将白天和夜间的温室加温的温度分别设为20℃和15℃能够使黄瓜干物质生产的能耗量利用效率达最大,并能够使黄瓜干物质产量也处于较高的水平。本研究建立的基于模型的温室加温控制目标优化系统为中国温室气候控制中温度的优化调控提供了理论依据和决策支持。     

增施CO2气肥对温室结球莴苣光合作用影响的综合模型研究

为探讨不同温度和光照条件下增施CO₂气肥对温室作物生长的影响，应用红外线CO₂气体分析仪测定方法，对不同CO₂浓度下结球莴苣光合作用速率的变化进行了深入系统的研究，并分别建立了低温条件下和中、高温条件下增施CO₂气肥对光合作用速率影响的综合模型。研究结果表明，在一定范围内，随着光照度提高和温度上升，增施CO₂气肥对于光合作用的促进效果提高，但是超过饱和点后会有负的效应。本实验条件下，结球莴苣光合作用最佳的生态因子组合为：光照度897.3 μmol·m^-2·s^-1，温度28.9℃，CO₂浓度2160 μL/L，此时的净光合速率(CO₂)Pn为36.0 μmol·m^-2·s^-1。     

长江中下游地区Venlo型温室空气温湿度以及黄瓜蒸腾速率模拟研究

根据温室能量和质量平衡的物理学原理,建立了一个以温室外气候条件(太阳辐射、温度、湿度、风速等)为驱动变量,以温室结构、温室覆盖材料、温室内作物(高度、叶面积指数)为参数的温室小气候模拟模型,并利用上海Venlo型温室的三季试验数据对模型进行了检验。结果表明：模型能较好地预测中国长江中下游地区Venlo型温室内夏季和冬季空气温度、湿度以及作物蒸腾速率。模型对该地区夏干季节(2001年8月,三伏天)、夏湿季节(2002年6月下旬至7月中旬,梅雨季节)和冬季(2002年1月27日~2月5日)温室内空气温度、湿度以及作物蒸腾速率预测值与实际观测值的决定系数(R²)和标准误(SE)分别为：0.89,0.75,0.52;1.1℃,4.4%,0.040 g·m^-2·s^-1;0.80,0.84,0.77;1.5℃,4.4%,0.018 g·m^-2·s^-1;0.84,0.59,0.73;1.6℃,6.0%,0.012 g·m^-2·s^-1。该研究为进一步探讨温室环境的优化调控提供了理论依据和决策支持。     

长江中下游地区夏季温室黄瓜冠层温度模拟与分析研究

根据作物冠层能量平衡原理，建立了以温室内温度、湿度、冠层净辐射等为变量的温室作物冠层温度的模拟模型，并利用实测资料对模型的可靠性进行了检验，同时就温室内部温度、冠层净辐射、蒸腾速率对冠层温度的影响进行了敏感性分析。结果表明：模型能较好地预测长江中下游地区温室作物冠层温度，模型对该地区夏季(2002年6月24至7月12日，梅雨季节)温室内作物冠层温度预测值与实测值的决定系数(R²)和标准误(SE)分别为：0.8321，0.0037℃；建立的温室内部温度、相对湿度、净辐射和作物蒸腾速率的多元线性回归模型，其决定系数(R²)和标准误(SE)分别为：0.9996，0.8829℃；通过敏感性解释因子的分析表明，作物冠层温度对温室内部温度最为敏感，室内温度是预测冠层温度的主要因子。     

面向控制的温室系统小气候环境模型要求与现状

以往的温室作物生长和小气候环境模型,主要是从面向研究而不是面向实际生产的温室获得的,这二者的最大不同是:面向研究的模型主要考虑的是得到作物生长高产所需的"最优"的温室内部气候环境参数设定值,而较少考虑温室内控制设备的能力（控制动态过程）、生产过程中温室外气候变化情况和达到"最优"所需付出的能量等代价;而后者在面向实际生产的自动化控制的温室系统模型中是必不可少的。当前温室系统自动化控制面临的一个最大困难,就是缺乏一个这样的可靠的温室系统模型,而只能采用面向研究的温室系统模型去进行实际生产的温室系统控制,这种忽视实际生产条件下的温室系统模型与理想条件下的模型之间差异的"纸上谈兵"的做法,必然导致温室控制技术水平低、达不到预期效果。该文介绍了温室系统的整个控制过程,对一个实际生产的温室系统中各种变量和参数作了简要描述,并概括了面向实际的温室生产控制要求的温室系统模型的基本结构,对温室环境模型、作物生长模型和能耗及CO₂消耗模型的研究现状作了详细的回顾。从满足控制需求出发对现有的温室系统模型所存在的问题进行了分析,并指出了其中的不足和局限性。探讨了未来温室系统的建模方法和需要解决的关键问题,提出了面向控制需求的温室系统建模要满足的要求,为温室系统的建模研究提供了一种新的思路和方向。     

基于作物模型的温室环境管理系统设计与实现

为改进温室环境管理系统的性能,获取实时动态生成的决策信息,建立了基于作物模型的温室环境管理系统。在借鉴前人先进研究成果的基础上,通过实验建立了简化的温室番茄和黄瓜作物生长模型;其次,通过收集资料和专家经验建立了温室环境管理知识库;最后,应用农业环境实时监测数据,综合利用模型预测和知识推理建立了温室环境管理决策支持系统。通过实际运行表明,系统可实时动态输出室内温度、光照等参数的优化值及其它相关辅助决策信息,通过进一步完善可望取得更好的应用前景。     

秒尺度温室番茄作物-环境互作模型构建与验证

为了解决现有温室模型时间尺度不统一的问题,该研究建立了一个时间尺度统一的温室番茄作物-环境互作模型,描述作物与环境之间的相互作用,提高模型的精准性。首先,将番茄作物生长模型拆分成SUPPLY、PARTITION、GROWTH3个子模块,针对3个模块在由天数量级时间尺度到秒数量级时间尺度变换时存在的问题,通过模型替换、结构改造、参数辨识等方法对时间尺度进行了转换,并利用EFAST敏感性分析算法将模型中的不确定参数分为敏感参数和不敏感参数两类。然后,在秒时间尺度番茄作物生长模型的基础上,考虑番茄作物对温室环境的实时反馈,结合小气候模型形成包含未知参数的"通用"的互作模型结构。最后,利用贝叶斯优化方法及番茄生产温室的实际数据,分别对互作模型中生长模型和小气候模型的未知参数进行参数辨识,确定互作模型全部结构与参数,得到可用的互作模型。利用该研究得到的秒时间尺度生长模型对2015—2018年上海崇明A8温室番茄产量进行模拟,其与真实产量值间的均方根误差在7.34～18.85 g/m~2之间,平均相对误差在5.8%～18%之间,均小于TOMGRO模型与Integrated模型,可以更好地预测产量变化。含作物反馈的小气候环境模型经参数辨识后,模拟番茄作物3个不同生长时期(幼苗期、开花坐果期、结果期)的环境因子(温室内温度、湿度、CO_2浓度)变化的平均相对误差均在3%～6%之间,且相较于未考虑作物反馈的一般小气候模型有更好的模拟效果。互作模型的建立将作物与温室小气候环境统一成一个模型,可以为温室环境控制提供模型基础。     

温室作物生态健康智能监护系统(GH-Healthex)的研制与测试

研制温室作物生态健康智能监护系统是为了解决目前温室环境监控系统普遍存在的自动获取的数据未与具体作物健康生育的特殊需求相结合，也未被用于病虫害的智能化防治等问题。该文报导的温室作物生态健康智能监护系统(GH-Healthex)实现了这类数据在植物健康监护和病虫害智能化防治中的利用。以番茄为研究案例，系统通过对温室环境监测数据的分析，结合作物种植知识库中番茄生长发育及其病虫害发生规律可以进行智能化决策，即当温室内出现了不利于作物生长的气象条件时，系统会自动的通过系统界面提示用户采取相应措施，以保证温室番茄的优质、高效生产。该系统提供了一个作物知识库平台，若以其他作物的种植和病虫害防治数据替代番茄数据，便能更广泛地推广应用。     

温室封闭式栽培自适应灌溉方法

为了改进和提高温室封闭式栽培精细灌溉控制方法,针对利用Penman-Monteith(P-M)公式和传感器数据信息相结合进行灌溉控制中因为涉及参数较多而使用不便、需要近似计算导致建立的作物蒸腾模型精度不够等问题,该文根据封闭式栽培可以回收并循环利用多余灌溉水的特点,利用灌溉量与排出量的差值和温室小气候环境数据建立相对精确的作物蒸腾量计算模型,并在此基础上利用人工神经网络算法实现了温室封闭式栽培自适应灌溉控制,结果表明,在10 d内灌溉用水量为实际蒸腾量的97.8%,基本实现了按照作物需水量进行灌溉。研究对于实现按照作物蒸腾量进行准确的水分供给、节约灌溉用水量、提高水分利用效率具有一定的现实意义。     

基于UWB与物联网的移动式温室环境监测系统设计与实现

为低成本实现对温室不同区域环境的全面感知，该研究设计了移动式温室环境监测系统，其采用超宽带（Ultra Wide Band，UWB）网状拓扑结构进行分布式组网，节点设备以一主多从的形式对移动工作台实时定位。利用优化后的双向双边测距算法计算各基站与标签之间的距离，通过距离的归一化残差分布判断是否存在非视距（Non Line of Sight, NLOS）误差，利用改进后的增量卡尔曼滤波算法消除NLOS误差，通过Chan算法解算标签准确位置。移动工作台以Arduino控制器为核心，搭载温度、湿度、二氧化碳和光照度传感器，实现对温室环境的实时监测和对移动工作台的远程控制。测试结果表明，系统静态定位最大横向偏差为7.92 cm，最大纵向偏差为7.98 cm，横向和纵向偏差的平均值均<5 cm；移动工作台以0.4 m/s的平均速度行驶，动态定位最大横向偏差为8.7 cm，平均横向偏差为4.7 cm；采集参数上传平均丢包率为2.78%；温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度监测相对误差分别低于0.63%、0.34%、0.70%和0.67%，满足温室环境信息移动监测要求。该研究对温室环境调控和温室内作业机具精准定位技术的发展具有一定的理论意义和参考价值。     

基于热量平衡方程的温室冬季温度控制策略

为解决配备空气源热泵的温室在冬季加热时温度调控不稳定等问题，该研究在对温室热传递原理进行分析的基础上，通过实测数据分别计算了温室卷被闭合与揭开两种状态下的综合传热系数、空气源热泵系统工作性能参数和雾化喷淋工作性能参数。根据温室热量平衡方程，建立了调控设备控制时间与温室环境参数间的数学关系，并以此提出了温度控制策略，系统运行时利用传感器实时采集环境数据作为输入，输出设备所需工作时间，并据此控制设备启停。经试验验证，基于热量平衡方程的控制方法能有效控制温度在目标值附近，且温度变化稳定、波动幅度小。在外部天气状况相近条件下，该控制方法的单日耗电量比基于上下限阈值控制的方法节约9.06 kW·h，占其当日耗电量的10.95%。在控制策略研究的基础上，利用典型物联网结构设计并实现远程自动控制，研究结果可直接应用于实践。     

基于生长模型的温室小型西瓜栽培管理专家系统(ESWCM)的研究和建立

运用知识工程和信息技术原理,将温室小型西瓜生长模型与AIP1.0专家系统平台相结合,建立了基于生长模型的温室小型西瓜栽培管理专家系统(ESWCM),包括知识库(KB)、模型库(MB)、数据库(DB)、推理机(IE)和人机界面。系统综合运用推理、预测、解释等机制帮助用户设计栽培管理方案,解答栽培技术问题,以及动态模拟和预测温室小型西瓜的生育进程。基于生长模型的温室小型西瓜栽培管理专家系统将模型的预测功能与专家系统的逻辑推理相结合,提高了温室小型西瓜的栽培管理水平。     

中国设施园艺装备技术发展现状与未来研究方向

近年来,中国设施园艺装备产业得到了跨越式发展,一个完备的技术体系正在逐步建立。受设施环境-作物交互影响机理缺乏、设施-设备匹配性差等因素的制约,中国设施园艺装备在稳定性、智能化等方面与国际先进水平仍存在较大差距,制约了产业效益水平和劳动生产效率的提升。有必要对中国设施园艺装备技术进行一个系统总结,为下一步产业的技术研发指明方向。该文在准确把握中国设施园艺装备技术发展现状的基础上,从种苗装备、生产装备、物流装备、管理装备等4个环节入手,将中国设施园艺装备技术与国际发达国家的水平进行了比对,并找出了相关差距。研究得出了中国设施园艺装备技术发展中存在的技术研发系统性持续性不够、与装备匹配的农艺参数积累缺乏、装备的整体性和工程性亟需提高等问题,明确了区域化园艺作物生长机理、北方日光温室结构与装备升级、全产业链自动化作业、园艺信息化智能化管理、非耕地基地化与城镇化装备等未来重点研发的方向,提出了制定设施园艺装备技术创新发展规划、实施设施园艺技术促进与产业促进的"全面赶超"计划、创新以激发协同研发活力的体制机制、强化技术推广服务体系建设等政策建议,从而为指导中国设施园艺装备技术的革新提供借鉴。     

基于温室环境和作物生长的番茄基质栽培灌溉模型

为解决涵盖土壤蒸发和作物冠层蒸腾的土培作物蒸散模型不能直接应用于稻壳炭基质栽培番茄灌溉的问题,该研究首先通过修改Penman-Monteith模型的原始表达式来去除土壤蒸发部分,并引入TOMGRO模型来模拟番茄冠层生长,给出了阻抗参数的修正计算,得到了新的番茄基质栽培蒸腾模型。考虑到蒸腾模型中净辐射项削弱了室外太阳辐射对冠层及以下部整株植株的耗水影响,进而将新的蒸腾模型与太阳辐射线性比例供水模型结合建立蒸腾-辐射综合灌溉模型。结果表明,蒸腾-辐射综合灌溉模型对上海崇明A8温室番茄灌溉量的模拟结果与实际结果之间的相关系数高于0.95,平均相对误差小于20%。这说明蒸腾-辐射综合灌溉模型能够较好地估算温室稻壳炭基质栽培番茄的灌溉需水量,对深入研究温室灌溉实施具有参考价值。