發(fā)布時間：2020-06-25 00:15

【摘要】：溫室環(huán)境是影響溫室作物產(chǎn)量與品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一,而多環(huán)境因子之間存在相互關(guān)聯(lián)關(guān)系,且調(diào)控成本差異顯著,如何在滿足作物生長需求的同時降低調(diào)控成本,已成為溫室環(huán)境高效調(diào)控亟待解決的科學問題和難點問題。本文在分析影響作物光合速率內(nèi)外部影響因子的基礎(chǔ)上,針對溫度對光合速率的影響特性,研究基于徑向基插值-魚群算法的溫度適宜區(qū)間獲取方法;針對光與CO_2對光合速率的影響特性,研究基于遺傳-支持向量機算法的光合速率預測模型構(gòu)建方法,進而探尋基于L離散曲率-粒子群算法的光合速率次優(yōu)目標值模型獲取方法,建立滿足溫度約束的光合速率次優(yōu)目標值模型;融合光合速率次優(yōu)目標值模型和實時信息感知,基于粒子群多目標尋優(yōu)算法研究約束條件下的效益優(yōu)先的光與CO_2協(xié)同調(diào)控目標值在線尋優(yōu)方法;基于上述理論研究,設(shè)計并研發(fā)了溫室環(huán)境協(xié)同調(diào)控系統(tǒng)并進行實際部署驗證。本文融合作物光合速率次優(yōu)目標值模型與調(diào)控效益,提出了溫室環(huán)境多因子協(xié)同調(diào)控模型與方法,對溫室環(huán)境高效調(diào)控和設(shè)施產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有理論意義。論文研究內(nèi)容及結(jié)論如下。(1)開展了環(huán)境影響光合作用的機理分析與多因子嵌套試驗,研究并提出了基于徑向基插值-二維魚群尋優(yōu)算法的光合適宜溫度區(qū)間獲取方法。設(shè)計光、溫、CO_2嵌套的光合速率試驗方案,獲取14個溫度梯度、10個CO_2梯度與22個光合光量子通量密度(PPFD)梯度組合條件下的3080個試驗數(shù)據(jù)樣本。測試函數(shù)的5類插值基函數(shù)誤差結(jié)果表明,逆復合二次徑向基函數(shù)插值精度最高。以徑向基插值網(wǎng)絡(luò)作為魚群尋優(yōu)目標函數(shù),實現(xiàn)不同溫度條件下的光與CO_2二維尋優(yōu),獲取光與CO_2飽和條件下的溫度與光合速率的關(guān)系。驗證結(jié)果表明,擬合直線斜率為1.0070,截距-0.1505,決定系數(shù)為0.9973,均方根誤差為0.5649μmol/(m~2?s)。基于L離散曲率最大值法獲取番茄初花期的光合溫度適宜區(qū)間為[22,32]℃。(2)研究并提出了溫度約束條件下的光合速率次優(yōu)目標值模型的獲取方法�；谶z傳-支持向量機算法構(gòu)建光合速率預測模型,模型測試集決定系數(shù)為0.9867,均方根誤差為1.358μmol/(m~2?s)。以光合速率預測模型網(wǎng)絡(luò)為輸入,以光合適宜溫度區(qū)間作為溫度實例化條件,基于L離散曲率法對曲面曲線進行曲率計算。以曲率結(jié)果作為尋優(yōu)目標函數(shù),進行粒子群離散曲率最大值尋優(yōu),獲取光合速率次優(yōu)目標值坐標點�；贚M法擬合11個溫度條件下的光合速率次優(yōu)目標值函數(shù)曲面,曲面與原溫度實例化的光合速率預測模型曲面相交,獲取最終的光合速率次優(yōu)目標值模型。模型校驗結(jié)果表明,光合速率次優(yōu)目標實測值與預測值相關(guān)性擬合決定系數(shù)為0.9843,均方根誤差為0.3541μmol/(m~2?s),最大相對誤差小于3.33%。(3)研究了效益優(yōu)先的PPFD與CO_2協(xié)同調(diào)控目標值獲取方法,并進行了效益優(yōu)先性分析。以光合速率次優(yōu)目標值模型與PPFD、CO_2總調(diào)控成本函數(shù)構(gòu)建尋優(yōu)目標函數(shù),以光合速率盡可能高、調(diào)控成本盡可能低為目標,進行粒子群多目標尋優(yōu),獲取效益優(yōu)先的PPFD與CO_2協(xié)同調(diào)控目標值。效益對比分析結(jié)果顯示,與光合最優(yōu)PPFD與CO_2協(xié)同調(diào)控方式對比,效益優(yōu)先調(diào)控方式其光合速率平均下降11.67%,但需光量平均下降36.66%,需CO_2量下降29.79%。在實時環(huán)境PPFD為500μmol/(m~2?s),CO_2為600μmol/mol的條件下,采用光合最優(yōu)調(diào)控方式時光合速率平均提升26.92μmol/(m~2?s),調(diào)控成本平均為0.77元;采用效益優(yōu)先調(diào)控方式時光合速率平均提升22.27μmol/(m~2?s)調(diào)控成本平均為0.43元。(4)研發(fā)了溫室環(huán)境協(xié)同調(diào)控系統(tǒng)并進行實際部署驗證。系統(tǒng)主要分為傳感器監(jiān)測子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)融合與智能決策子系統(tǒng)、協(xié)同調(diào)控子系統(tǒng)。其中,傳感器監(jiān)測子系統(tǒng)主要實現(xiàn)光、溫、CO_2、電量與CO_2流量實時監(jiān)測與傳輸;數(shù)據(jù)融合與智能決策子系統(tǒng)集成光合適宜溫度區(qū)間獲取方法、光合速率次優(yōu)目標值獲取方法、效益優(yōu)先的光與CO_2協(xié)同調(diào)控目標值獲取方法,當接收監(jiān)測子系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)后,判斷溫度是否在適宜溫度區(qū)間。若在適宜溫度區(qū)間,調(diào)用對應溫度下的光合速率次優(yōu)目標值模型進行尋優(yōu),獲取協(xié)同調(diào)控目標值,否則等待下一次數(shù)據(jù)刷新后重新判斷;協(xié)同調(diào)控子系統(tǒng)根據(jù)下發(fā)的調(diào)控目標值驅(qū)動對應的光和CO_2調(diào)控設(shè)備,實現(xiàn)光與CO_2協(xié)同調(diào)控;調(diào)控結(jié)果經(jīng)過傳感器監(jiān)測子系統(tǒng)上傳,對調(diào)控目標值進行閉環(huán)修正。調(diào)控系統(tǒng)原型部署于西北農(nóng)林科技大學五泉試驗基地,能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示,效益優(yōu)先調(diào)控平均日消耗成本為4.48元,光合最優(yōu)平均日消耗成本為6.96元。相對于自然對照區(qū),效益優(yōu)先協(xié)同調(diào)控區(qū)CO_2日消耗1503.17L,日用電量2.97KW/h,光合速率平均提升45.15%,光合最優(yōu)協(xié)同調(diào)控區(qū)CO_2日消耗2290.61L,日用電量4.70KW/h,光合速率平均提升53.64%。
【學位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S625
【圖文】：

溫室環(huán)境影響光合作用的機理分析與-phosphoricacid,GAP 的醛基反應P+6NADPH+6H+→6GAP+6ADP+6N基本完成標志即為 CO2被還原為階段的 GAP 重新形成 RuBP，反P+3ATP+2H2O→3RuBP+3ADP+2Pi+3磷酸化的 碳糖的一系酸激酶 Riboketose-1,5-diphospha3,4,5,6和 7

實驗地點位于北緯 34°07'39''，東經(jīng) 107°59明，有記錄最冷溫度-21℃，最高溫度 42℃，平均氣溫 13水量 548.7 毫米，一年中日照時間平均達到 2195.2 小時。試斯”，該品種具有植株長勢旺盛，不黃葉，不早衰，產(chǎn)量高茄種子經(jīng)溫湯浸種后，播種于 54 孔穴盤（上口直徑 6cm、高機質(zhì)含量 50%以上，PH 在 5.5-6.5 之間，腐殖酸達到 20%的間溫室晝夜溫度分別控制為 25℃/18℃，CO2濃度保持大氣水肥充足。待番茄幼苗長至 6 葉 1 心，株高約達到 20cm，莖定植。定植緩苗成功后，當自頂往下當?shù)谄咂~片寬度超過、灌溉充分、長勢均一的番茄苗進行光合測試。在 16 日到玻璃溫室的追肥、灌溉等日常溫室的管理工作按常規(guī)日常操用任何農(nóng)藥與激素類藥物。3.2 組合嵌套試驗方案設(shè)計試驗期間，選擇晴朗天氣條件下植株自頂往下第七片葉片置，同時盡可能選擇無遮擋、受光條件好的葉片作為樣品葉

本文編號：2728571