设施作物生长模型及其在设施环境调控中的应用

设施作物生长模型及其在设施环境调控中的应用
作者：樊莉
来源：《农业技术与装备》 2019年第5期
摘要作物生长模型可定量描述设施、作物、环境及管理技术措施之间的关系，是设施环境调控和作物管理研究的重要组成部分。

文章将对设施作物生长模型研究现状、主要结构以及在环境调控中的应用等方面进行综述。

关键词设施；作物生长模型；环境调控；应用
中图分类号S316 文献标志码 A doi:10.3969/j.issn.1673-887X.2019.05.025
设施作物生长模型是利用系统分析和计算机模拟原理定量描述作物生长发育、产量形成和对环境的响应的模拟模型。

它是一个集作物、设施、环境、管理措施及其相互作用于一体的复杂模型。

20世纪80年代随着计算机和自动控制技术在设施园艺作物生产中的应用和推广，以及能源危机的出现，利用作物模型协调这些因素的关系进而以最小的投入为设施作物提供最佳的生长环境，从而达到优质、高产和生态安全的生产目标，一直是设施园艺领域研究的重点和热点问题与方向。

1 设施作物生长模型研究现状
1.1 国外作物生长模型研究现状
20世纪80年代以来，许多学者对设施作物的生长模型进行了研究和报道，具代表性的模型是设施番茄生长模型TOMGRO和以光合作用为基础的温室作物生长模型HORTISIM。

90年代中期以来，设施作物生长模型在设施环境监测和植物栽培管理中的应用得到了广泛的报道。

其中，荷兰开拓的KASPRO和美国研究出的温室护理系统分别是将作物生长模型应用于设施蔬菜和花卉环境监管、优化调控的成功典范，随着互联网的发展和推广，各种基于网络的农业信息系统正逐渐成为一个重要的研究、开发和利用的平台。

例如OWSimu，由美国伊利诺斯州大学开发的基于Web的作物模拟模型系统、丹麦农业大学开发的作物管理决策支持系统Pl@nteInfo、波兰克拉科夫农业大学利用OTR-7软件优化可持续农业机械园区设备等。

这些系统可通过网络访问，了解如何优化作物生产管理技术和环境管理技术措施，以适应植物当前的生理阶段和栽培条件。

经过对设施作物模型的研究与应用，设施环境调控和作物生产管理技术信息化水平得以提高。

1.2 国内作物生长模型研究现状
20世纪末，我国开始探索和研究设施作物的生长模型，虽然它已经落后于西欧和美国20年，但近年来发展迅速。

1999年江苏大学在国内率先报道了自行开发的基于光合作用和干物质分配的温室叶用莴苣生长机理模型。

随后南京农业大学研究开发了基于作物光合作用和光温反应过程的温室番茄、黄瓜、甜瓜、菊花生长发育模型系统。

在消化吸收国外作物模型的基础上，中国农业科学院等机构研究开发了基于Web远程调用的设施番茄生长模型系统。

通过对作物模型的研究和应用，设施农业生产的标准化、数字化和智能化水平逐步提高，我国正逐渐从设施农业大国向设施农业强国转变。

2 设施作物生长模型的主要结构
设施作物生长发育模型主要包括：叶片光合速率模拟计算、发育速率与生育时期的模
拟预测、冠层几何形状和叶面积指数模拟、冠层光合有效辐射分布模拟、冠层光合速率模拟、
冠层呼吸消耗模拟、冠展干物质生产模拟、于物质分布与器官生长模拟、产量和品质形成过程
模拟这九个子模块，综合这九个方面的数学公式，建立起设施作物生长发育模型，并实现模型
的计算机编程，对设施环境条件进行调控。

3 设施作物生长模型在设施环境调控中的应用
设施作物生产中常常要进行整枝、加温、降温、补光、遮光以及CO2施肥，而这些栽
培管理和环境调控措施采取的时间和强度直接影响温室作物的产量、品质、上市期以及所需投
入能耗、物耗和劳动力成本，从而影响温室生产的经济效益。

设施作物生长发育模型可以模拟
和预测不同的作物管理和环境管理措施对作物生长发育的影响，如产量、品质和销售持续时间等。

它已成为优化设施作物种植管理和设施环境因素的有力工具。

Pucheta等通过利用大系统理论，通过控制设施温度和二氧化碳，将番茄生长模型、温
室环境模型和成本函数有机地结合起来，以降低生产成本，取得最大的经济效益，同时满足上
市时间的要求。

Klaring等通过模拟光合速率，计算作物对CO2吸收量,据此进行CO2增施,以
保持设施内CO2浓度的稳定,缓解了因CO2浓度过低而引起的产量下降。

杨再强等提出了一种综合的光温指标——生理辐热积，用其来预测设施标准切花菊的采收时间和外观质量指标。

孙忠
富等在农业环境远程实时监测数据的基础上，改进了基于设施作物生长发育模型的分析与决策，构建了基于作物生长发育模型的设施环境管理系统，实现了定性分析与定量计算的有机结合。

胡夏芸等利用设施番茄生长模型，结合智能决策系统，消耗尽可能少的能量来获得更加准确的
温室环境信息，预测番茄的发育周期，进而对设施环境调控做出最优化决策，最终达到控制命
令的执行目的。

4 结语
设施作物生长发育模型是一个基于作物光合作用和光温响应的复杂系统，其具有机理性、普适性、定量关系性、定量预测性以及克服经验知识的时空局限性等特性。

在设施环境的
优化与调控、生产效率的提高、产品质量的提高、安全和标准化生产等方面发挥着传统经验模
型不可替代的作用。

同时在建立作物的生长发育模型时，必须考虑到实际环境控制的方便性和
可行性，特别是具有较强机制的模型。

结合地理信息系统GIS、大气环流模拟系统GCM、设施气候模型、农业物联网和大数据技术，切实提高我国园艺设施的科技水平。

参考文献
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