一種基于作物模型的密閉系統(tǒng)環(huán)境因子優(yōu)化調(diào)控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)處理方法和一般植物學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于作物模型的 密閉系統(tǒng)環(huán)境因子優(yōu)化調(diào)控方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作物模型是輔助密閉系統(tǒng)作物生長(zhǎng)、環(huán)境調(diào)控以及栽培管理的有力工具。通常來(lái) 說(shuō)，對(duì)于生長(zhǎng)在有限空間的密閉系統(tǒng)，如受控生態(tài)生保系統(tǒng)、植物工廠等，在沒(méi)有水肥脅迫 的情況下，作物的生長(zhǎng)發(fā)育主要受到溫度、光照和二氧化碳三個(gè)環(huán)境因子的影響。
[0003] 溫度是作物生長(zhǎng)發(fā)育及其重要的環(huán)境因素之一，作物整個(gè)生長(zhǎng)周期中所發(fā)生的一 切生物化學(xué)反應(yīng)，都必須在一定的溫度下進(jìn)行。溫度降低或升高到一定程度時(shí)，作物將停止 生長(zhǎng)甚至死亡，只有在某一最適溫度內(nèi)作物才能正常生長(zhǎng)甚至加速生長(zhǎng)。特別地，溫度對(duì)光 合作用的影響很大，直接影響著作物的光合產(chǎn)量。
[0004] 光照是作物生長(zhǎng)發(fā)育必不可少的環(huán)境因子之一，作物的光合產(chǎn)量不僅與光照的強(qiáng) 度有關(guān)，而且與光照的時(shí)間有關(guān)，即由一定光強(qiáng)積累的光照量決定。一定條件下，當(dāng)光照強(qiáng) 度低于某一值使作物的凈光合速率為零時(shí)，此時(shí)的光照強(qiáng)度稱為光補(bǔ)償點(diǎn)；當(dāng)光照強(qiáng)度高 于某一值使作物的凈光合速率不再增強(qiáng)時(shí)，此時(shí)的光照強(qiáng)度稱為光飽和點(diǎn)。只有在光補(bǔ)償 點(diǎn)和飽和點(diǎn)范圍內(nèi)，作物的光合作用通常才隨光照強(qiáng)度的增加而增加，超過(guò)飽和點(diǎn)則不再 增加。
[0005] 作為綠色植物光合作用的原料，二氧化碳對(duì)光合速率影響很大，對(duì)作物的生長(zhǎng)有 著重要的意義?？諝庵蠧O 2含量一般占體積的0.033% (即0.65mg/L，(TC，IOlkPa)，對(duì)植 物的光合作用來(lái)說(shuō)是比較低的。當(dāng)光合吸收的二氧化碳量等于呼吸放出的二氧化碳量，此 時(shí)的CO 2濃度稱為該作物的二氧化碳補(bǔ)償點(diǎn)。密閉系統(tǒng)中隨著CO2濃度的增加，作物的光合 作用也增強(qiáng)，但當(dāng)增加到一定程度時(shí)，光合作用不再增強(qiáng)，此時(shí)的CO 2濃度為該作物的二氧 化碳飽和點(diǎn)。
[0006] 在實(shí)際的密閉系統(tǒng)中，通常采用基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估環(huán)境對(duì)作物的影響和光合產(chǎn) 量。然而，由于作物生長(zhǎng)具有一定的生命周期，獲取數(shù)據(jù)的周期長(zhǎng)，難以快速評(píng)估系統(tǒng)在外 部或內(nèi)部條件發(fā)生變化（例如光強(qiáng)）情況下的響應(yīng)，而且作物對(duì)環(huán)境的響應(yīng)具有短板效應(yīng)， 任何一種環(huán)境因子不足均會(huì)抑制其生長(zhǎng)。因此，如何根據(jù)密閉系統(tǒng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境條件和 作物自身的需求，采取簡(jiǎn)單易行的調(diào)控措施，實(shí)現(xiàn)最大作物光合產(chǎn)量的同時(shí)，減小能耗，以 滿足投入小產(chǎn)出大的密閉環(huán)境因子調(diào)控要求，是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于作物模型的密閉系統(tǒng)環(huán)境因子優(yōu)化調(diào) 控方法，通過(guò)作物的計(jì)算機(jī)模型定量地優(yōu)化調(diào)控溫度、光照強(qiáng)度和CO 2濃度三個(gè)環(huán)境因子， 快速實(shí)現(xiàn)投入小產(chǎn)出大的密閉環(huán)境因子的優(yōu)化。
[0008] 本發(fā)明提出的一種基于作物模型的密閉系統(tǒng)環(huán)境因子優(yōu)化調(diào)控方法，包括以下步 驟：
[0009] 步驟I，基于TomSim模型和GreenLab模型構(gòu)建作物模型，其中TomSim模型用于構(gòu) 建密閉系統(tǒng)中作物光合產(chǎn)量模型，以模擬環(huán)境條件對(duì)光合過(guò)程的影響，GreenLab模型用于 計(jì)算不同器官生物量分配的干重；
[0010] 步驟2,基于作物模型構(gòu)建用于定量地描述溫度、光照強(qiáng)度和0)2濃度三個(gè)環(huán)境因 子與作物光合產(chǎn)量關(guān)系的密閉系統(tǒng)環(huán)境因子優(yōu)化調(diào)控模型；
[0011] 步驟3,對(duì)三個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行初始賦值；選取兩個(gè)環(huán)境因子并計(jì)算第三個(gè)環(huán)境因 子的變化曲線和光合產(chǎn)量的變化曲線，從而得到第三個(gè)環(huán)境因子的優(yōu)化值并更新第三個(gè)環(huán) 境因子的值，以此方法順次并循環(huán)優(yōu)化三個(gè)環(huán)境因子的值，直到三個(gè)環(huán)境因子的值不再變 化或光合產(chǎn)量達(dá)到設(shè)定值；輸出最終的三個(gè)環(huán)境因子的值為優(yōu)化調(diào)整的結(jié)果。
[0012] 所述TomSim模型的作物葉片單位面積的日光合產(chǎn)量表示為：
[0013]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于作物模型的密閉系統(tǒng)環(huán)境因子優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于，包括以下步 驟： 步驟1，基于TomSim模型和GreenLab模型構(gòu)建作物模型，其中TomSim模型用于構(gòu)建密 閉系統(tǒng)中作物光合產(chǎn)量模型，以模擬環(huán)境條件對(duì)光合過(guò)程的影響，GreenLab模型用于計(jì)算 不同器官生物量分配的干重； 步驟2,基于作物模型構(gòu)建用于定量地描述溫度、光照強(qiáng)度和CO2濃度三個(gè)環(huán)境因子與 作物光合產(chǎn)量關(guān)系的密閉系統(tǒng)環(huán)境因子優(yōu)化調(diào)控模型； 步驟3,對(duì)三個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行初始賦值；選取兩個(gè)環(huán)境因子并計(jì)算第三個(gè)環(huán)境因子的 變化曲線和光合產(chǎn)量的變化曲線，從而得到第三個(gè)環(huán)境因子的優(yōu)化值并更新第三個(gè)環(huán)境因 子的值，以此方法順次并循環(huán)優(yōu)化三個(gè)環(huán)境因子的值，直到三個(gè)環(huán)境因子的值不再變化或 光合產(chǎn)量達(dá)到設(shè)定值；輸出最終的三個(gè)環(huán)境因子的值為優(yōu)化調(diào)整的結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述TomSim模型的作物葉片單位面積的 日光合產(chǎn)量表不為：
其中，Cf為同化物轉(zhuǎn)換為干物質(zhì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)（g DM g4CH20) ;&為日總同化速率（g CH2O HT2CT1) ;Rm為日維持呼吸速率（g CH2O HT2CT1); 所述日總同化速率Pg由瞬時(shí)光合速率累積而來(lái)，同化速率與光合速率的轉(zhuǎn)換關(guān)系為 I ImiolCO2 ITfV =2.〇45χ ΗΓ、g CH7O mV，作物的瞬時(shí)光合響應(yīng)曲線表示為：
其中，Pg。為作物瞬時(shí)總光合速率（umol CO2HT2iT1) ;Pgc;，max為光飽和作物總光合速率 (umol CO2IrT2S4) ; ε 為作物光化學(xué)系數(shù)（mol Co2Iiior1Photon absorbed)，即每吸收一個(gè)光 子所消耗的CO2量；PPFD為光合光子通量密度（umol HT2iT1); 所述日維持呼吸速率Rm表示為：
其中，MAINT。為器官類型〇在參考溫度Iref下的維持呼吸速率（g CH2O HT2CT1);下標(biāo)〇為 L、I、F和R，分別表示作物器官葉片、莖桿、果實(shí)和根，MAINIY=0.03g CH2O glM d'MAINTi =0.015g CH2O g-1DM (!'MAINTf= 0.0 lg CH2O g-1DM 0-、ΜΑΙΝΤΚ= 0.0 lg CH2O g-1DM 0-; W。為密閉系統(tǒng)每單位面積器官類型o的干重；R 1(|，。表示對(duì)溫度的敏感度，具體表現(xiàn)溫度對(duì)維 持呼吸影響的Rltl值； 所述同化物轉(zhuǎn)換為干物質(zhì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)Cf表示為：
其中，ASR。為器官類型ο的同化物需求系數(shù)，具體為每得到Ig的干物質(zhì)需要的同化物 質(zhì)量，ASRl= I. 39g CH2O g-1DM、ASR1= I. 45g CH2O g-1DM、ASRf= I. 39g CH2O g-1DM、ASRk =I. 39g CH2O g-lM ;S。為GreenLab模型器官類型o的相對(duì)庫(kù)強(qiáng)值，具體為同化物在不同 器官中的分配比例。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述光合光子通量密度PPFD替換為光照 強(qiáng)度I。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述參考溫度Tref為25°C。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的方法，其特征在于，所述GreenLab模型計(jì)算不同器 官生物量分配的干重WJi)的公式為：
其中，下標(biāo)i、j、k分別表示作物的生長(zhǎng)時(shí)間為第i、j、k天，f。為器官類型〇的庫(kù)強(qiáng) 變化函數(shù)；Q(i)為單位面積作物日累積的生物量，根據(jù)作物葉片單位面積的日光合產(chǎn)量計(jì) 算；NtlQ)為作物第i天器官類型〇的個(gè)數(shù)，器官類型〇為作物葉片、葉柄、節(jié)間和果。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟3具體的步驟包括： 步驟31，給定溫度和CO2濃度，根據(jù)密閉系統(tǒng)環(huán)境因子調(diào)控模型計(jì)算出光照強(qiáng)度和光合 產(chǎn)量的變化曲線，獲取光合產(chǎn)量最大時(shí)的光照強(qiáng)度，并更新光照強(qiáng)度的值； 步驟32,在CO2濃度和更新后的光照強(qiáng)度下，根據(jù)密閉系統(tǒng)環(huán)境因子調(diào)控模型計(jì)算溫度 和光合產(chǎn)量的變化曲線，獲取光合產(chǎn)量最大時(shí)的溫度，并更新溫度的值； 步驟33,在更新后的光照強(qiáng)度和更新后的溫度下，根據(jù)密閉系統(tǒng)環(huán)境因子調(diào)控模型計(jì) 算CO2濃度和光合產(chǎn)量的變化曲線，獲取光合產(chǎn)量最大時(shí)的CO 2濃度，并更新CO 2濃度的值； 步驟34,重復(fù)上述順序，直到溫度、光照強(qiáng)度和CO2濃度不再變化或光合產(chǎn)量達(dá)到設(shè)定 值； 步驟35,輸出最終的三個(gè)環(huán)境因子的值為優(yōu)化調(diào)整的結(jié)果。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于作物模型的密閉系統(tǒng)環(huán)境因子優(yōu)化調(diào)控方法，包括以下步驟：1、基于TomSim模型和GreenLab模型構(gòu)建作物模型，其中TomSim模型用于構(gòu)建密閉系統(tǒng)中作物光合產(chǎn)量模型，以模擬環(huán)境條件對(duì)光合過(guò)程的影響，GreenLab模型用于計(jì)算不同器官生物量分配的干重；2、基于作物模型構(gòu)建用于定量地描述溫度、光照強(qiáng)度和CO2濃度三個(gè)環(huán)境因子與作物光合產(chǎn)量關(guān)系的密閉系統(tǒng)環(huán)境因子優(yōu)化調(diào)控模型；3、對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控。本方法通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的手段，優(yōu)化了溫度、光照強(qiáng)度和CO2濃度三個(gè)環(huán)境因子，實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)最大作物光合產(chǎn)量的同時(shí)，減小能耗，以滿足投入小產(chǎn)出大的密閉環(huán)境因子調(diào)控要求。
【IPC分類】G05B13-04
【公開(kāi)號(hào)】CN104656451
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510031385
【發(fā)明人】范興容, 康孟珍, 胡包鋼, 王飛躍
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所
【公開(kāi)日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年1月21日