[发明专利]融合效率约束的设施光合目标值的优化调控模型的构建与应用

说明书

本发明针对设施环境调控系统缺乏融合调控效率的多因子耦合光合目标值模型，造成生产效率低下的问题，研究融合效率的设施光合目标值调控模型构建方法。通过光照强度、环境温度和CO2浓度为变量的多因子耦合嵌套试验获取南瓜幼苗的光合数据样本，构建了光响应直角双曲线修正模型，利用曲线曲率理论获得不同特定温度下的光限制上限光强点，以此作为调控目标值拟合得到不同温度相应下的融合效率约束的南瓜幼苗光环境调控模型。该模型与传统以光合速率最大值点作为调控目标值的模型相比，光合速率平均仅下降4.48％，而需光量则平均下降29.91％，能解决设施作物环境高效调控的基础理论问题，对实际的设施环境因子调控有指导意义。

技术领域

本发明属于智能农业技术领域，特别涉及一种融合效率约束的设施光合目标值的优化调控模型的构建与应用。

背景技术

设施农业是为农作物生长各阶段提供最适宜环境和条件，获得优质高产农产品的现代农业经营活动，截止到2014，我国设施总面积超过全世界的85％，高达410.9万公顷，产值8000亿元以上，总面积和总产量均居全球第一位。不过我国的设施农业起步比较晚，在设施光环境智能调控方法和技术方面与美国、英国、荷兰等国家还有很大差距，所以近年来国内相关学者在这方面做了大量研究。光照作为影响光合作用最主要因素是决定作物的产量与品质的关键。由于温室大棚受到倾角结构、覆盖材料、太阳高度角以及表面洁净程度的遮光等影响，其光子通量密度仅为大田的30％-70％。温室内光子通量密度难以满足作物的生长需求，造成设施包括植物净光合速率在内的各种生理参数的降低，将导致生长发育迟缓、坐果率降低，会严重影响农产品的产量和品质，因而营造有利于作物生长的光环境，是实现设施高效优质生产、加快产业增效提质和转型升级亟待解决的重要问题。

相关研究表明，除了光照强度之外，环境温度等因素也是是影响光合速率的主要因素，而且在不同条件下不同因子间对光合速率的影响程度是动态变化的。现有作物人工补光技术大多通过阈值来实现对设施光环境的调控，没有考虑多环境因子对光饱和点的影响，虽然提高光合作用但高效调控效果不佳；在此基础上，本研究团队提出了多因子融合的光环境调控方法，通过融合多环境因素对光合作用的影响，构建了光饱和点动态获取方法，一定程度实现光环境的按需优化调控。但是进一步分析作物的光响应曲线可以发现在光逐渐增强的过程中植物经历了从BuBP限制到Rubisco限制的过程，其中快速上升部分直线的斜率就是光合碳同化的量子效率，表示光合作用受电子传递速率、RuBP羧化能力的限制，电子传递速率又受光子通量密度的限制，光是影响该部分的主要因素，这部分曲线被称为光限制部分；而曲线缓慢变换达到饱和状态后，卡尔文-本森循环中酶的作用无法与光反应过程中ATP和NADPH的产生协调一致，酶的羧化能力等成为主要的限制因素，而温度作为影响Rubisco活化酶活性等的重要因素，其也代替光成为限制该阶段光合速率的主要因素。而光饱和点出现在曲线缓变上升区间，光已经不是影响光合速率变化的主要因素，但是上述研究主要方法采用光饱和点补光，没有考虑以光限制上限光强点为调控目标值，其虽然可以达到最大光合速率，但是由于光能利用率极具下降，造成补光效率显著降低。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种融合效率约束的设施光合目标值的优化调控模型的构建与应用，以光限制上限光强点为光调控目标值，从光限制上限光强点获取方法入手，通过分析作物光合作用机理和主要环境影响因子，设计了以光照强度、环境温度和CO2浓度为试验变量的多因子耦合嵌套试验，利用Li-6400XT光合速率仪获取了南瓜幼苗的光合数据样本；分析光照强度、环境温度对作物光合速率的影响，构建了光响应直角双曲线修正模型；利用曲线曲率理论获得特定温度下的光限制上限光强点，以此作为调控目标值构建温度约束下的作物幼苗光环境调控模型。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种融合效率约束的设施光合目标值的优化调控模型的构建方法，包括如下步骤：