胡 瑾 田紫薇 汪健康 盧有琦 辛萍萍,3 張海輝

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點實驗室， 陜西楊凌 712100；3.陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務(wù)重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

CO2是綠色植物光合作用的主要原料之一，對作物生長發(fā)育和物質(zhì)積累至關(guān)重要[1]。但由于溫室相對密閉，一天中隨著溫室光照強度和溫度條件的變化，作物對CO2的需求也會發(fā)生改變，導(dǎo)致CO2供需不匹配[2-4]。適宜的CO2濃度將有效促進作物生長，不足或過高時將對作物產(chǎn)生有害影響[5-9]。在CO2濃度較低或者中等階段，光合速率隨著CO2濃度增加而快速增大，CO2是影響該階段光合速率的主要因素，當(dāng)CO2超過一定濃度達到限制點后，光合速率增長幅度逐漸變小[10]，若仍大量增加CO2，對植物光合速率提升效果不明顯且耗費大量資源。因此，探尋適宜作物生長的CO2濃度，建立融合調(diào)控效益的CO2優(yōu)化調(diào)控模型，已成為設(shè)施農(nóng)業(yè)中CO2環(huán)境高效調(diào)控亟待解決的問題。

近年來，CO2環(huán)境調(diào)控方法已成為研究熱點。文獻[11]研究了生理生化CO2響應(yīng)模型，從生理角度分析了CO2響應(yīng)的影響因素。文獻[12]研究了日光溫室草莓光合特性及其對CO2濃度升高的響應(yīng)，并從生理角度分析原因，為CO2調(diào)控奠定生理基礎(chǔ)。文獻[13]研究發(fā)現(xiàn)，CO2濃度在(800±25)～(1 000±25) μmol/mol范圍內(nèi)時，番茄結(jié)果期葉片光合速率調(diào)控效果很好，為我國北方地區(qū)溫室番茄結(jié)果期的生產(chǎn)實踐提供了理論參考依據(jù)。文獻[14]對開花期番茄增施1 000～1 300 μmol/mol的CO2，可較大提高番茄單葉凈光合速率。以上研究在固定范圍內(nèi)進行CO2調(diào)控，該區(qū)域也就是CO2對光合速率影響由強變?nèi)醯淖兓瘏^(qū)，而光照強度和溫度等其他因素也會對CO2限制點產(chǎn)生動態(tài)影響，因此該類方法雖然一定程度提升了光合效率，但難以真正實現(xiàn)高效精準調(diào)控。文獻[15-16]建立了番茄不同生長期的光合速率預(yù)測模型，實現(xiàn)了不同含水率下以CO2飽和點為目標(biāo)值的精準預(yù)測，為溫室CO2氣肥自動調(diào)控提供了理論依據(jù)和決策支持。文獻[17]建立了溫度、光強與作物生長階段的CO2飽和點之間的對應(yīng)關(guān)系，以CO2飽和濃度為目標(biāo)值進行動態(tài)最優(yōu)調(diào)控。文獻[18]提出了融合支持向量機-改進型魚群算法的CO2優(yōu)化調(diào)控模型，在不同溫度、光照強度組合條件下動態(tài)預(yù)測CO2飽和點，為CO2精準調(diào)控提供定量依據(jù)。上述方法均以CO2飽和點進行調(diào)控，而其位于CO2濃度較高階段時，隨著CO2濃度的增加，CO2響應(yīng)曲線增加趨勢變緩直至下降，因此以CO2飽和點進行調(diào)控，雖然可以達到最大光合速率，但造成資源浪費與調(diào)控效益下降。根據(jù)以上分析，如果采用CO2響應(yīng)曲線中光合速率由快速增加變?yōu)榫徛仙奶卣鼽c作為目標(biāo)點，可實現(xiàn)在保證作物光合需求的條件下最大程度提升CO2調(diào)控效率。曲率作為一種常用的曲線評價指標(biāo)被用于曲線特征點的提取[19]，并初步在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)分析中得到應(yīng)用，如文獻[20]應(yīng)用最大曲率點實現(xiàn)了夏玉米物候期的生長狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間的獲取。因此探尋CO2響應(yīng)曲線曲率最大點成為提升CO2調(diào)控效益的關(guān)鍵。

針對上述問題，在考慮光合速率與調(diào)控效益的前提下，本文以初花期溫室番茄為試驗材料，研究構(gòu)建基于支持向量機回歸算法(SVR)的光合速率預(yù)測模型，并對不同溫光條件下的CO2響應(yīng)曲線進行離散曲率計算與最大值尋優(yōu)，從而獲取曲率最大值點對應(yīng)的CO2濃度，以此構(gòu)建基于離散曲率的CO2優(yōu)化調(diào)控模型，為溫室CO2的精準高效調(diào)控和節(jié)本增效提供定量依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018年9—10月在西北農(nóng)林科技大學(xué)涇陽蔬菜試驗示范站溫室內(nèi)進行。試驗地位于北緯34°26′、東經(jīng)108°7′，屬于暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均日照時數(shù)2 163.8 h，年均輻射總量479.9 kJ/m2，年均積溫4 811℃，年均氣溫12.9℃[21]。以番茄品種“金棚8B”為試材，在培養(yǎng)皿中將已經(jīng)浸脹的種子進行催芽，待要萌發(fā)時進行低溫處理，在72孔穴盤內(nèi)采用營養(yǎng)缽育苗。育苗基質(zhì)為農(nóng)業(yè)育苗專用基質(zhì)，其營養(yǎng)含量為有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)50%以上，基質(zhì)孔隙度約60%，pH值6～7。幼苗培育期間，保持水肥充足，待番茄幼苗葉片為5片左右，選擇長勢均勻的番茄幼苗進行移植。待番茄第1朵花苞開放，選擇莖的橫徑0.8～1.2 cm、株高25 cm左右的健康植株進行光合速率測試。試驗期間，施肥、澆水等田間管理均正常進行，不噴施任何農(nóng)藥和激素。

1.2 試驗方法

試驗選取茁壯的番茄180株作為樣本，采用美國LI-COR公司的LI-6800型便攜式光合儀測定溫度、光照強度和CO2耦合下的CO2響應(yīng)曲線，同時為避開光合“午休現(xiàn)象”對試驗數(shù)據(jù)的影響，選擇在09:00—11:30和14:30—17:30進行試驗數(shù)據(jù)采集。選擇自頂葉往下的第5片功能葉片作為試驗樣本。在試驗過程中采用光合儀選配的多個子模塊按需控制葉室環(huán)境參數(shù)。其中，利用控溫模塊設(shè)定16、20、24、28、32、36℃等6個溫度梯度，利用LED(Light emitting diode)光源模塊獲得0、200、400、600、800、1 000、1 300、1 600、1 900、2 200 μmol/(m2·s)等10個光子通量密度梯度，共形成60組嵌套試驗條件。由于光合儀CO2注入系統(tǒng)中CO2混合濃度可控范圍是0～2 500 μmol/mol，故每組試驗利用CO2注入模塊設(shè)定20個CO2濃度測試點，分別為0、50、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 500、1 700、1 900、2 100、2 300 μmol/mol，共獲取1 200個測量數(shù)據(jù)。在同一植株功能葉片上每個測量環(huán)境條件進行3次重復(fù)，剔除錯誤數(shù)據(jù)后取平均，共獲取1 200個有效試驗數(shù)據(jù)。

2 模型構(gòu)建

本文分3步構(gòu)建CO2優(yōu)化調(diào)控模型。首先基于光合試驗數(shù)據(jù)建立光合速率預(yù)測模型；其次，基于光合速率預(yù)測模型獲取不同光照強度和溫度下的CO2濃度和光合速率關(guān)系曲線，并基于L弦長離散曲率法對曲線進行曲率計算；最后，對曲線的離散曲率進行最大值尋優(yōu)，獲取CO2效益優(yōu)化調(diào)控目標(biāo)值，以此構(gòu)建CO2優(yōu)化調(diào)控模型。

2.1 多因子耦合的光合速率預(yù)測模型

將試驗所得的數(shù)據(jù)集隨機分為訓(xùn)練集和測試集，即選取960組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集(占總數(shù)據(jù)集的80%)，剩下240組數(shù)據(jù)作為測試集(占總數(shù)據(jù)集的20%)。針對樣本數(shù)據(jù)特點以及高精度要求，選取SVR算法[22]進行光合速率預(yù)測模型的構(gòu)建。基于試驗所得到的數(shù)據(jù)，以溫度、光照強度、CO2濃度作為輸入樣本，以光合速率作為輸出樣本，采用SVR算法構(gòu)建光合速率預(yù)測模型，進行光合速率的擬合預(yù)測，其具體流程如圖1所示。

圖1 支持向量機回歸建模流程圖Fig.1 Flow chart of support vector regression modeling

為避免大數(shù)據(jù)淹沒小數(shù)據(jù)現(xiàn)象，以及便于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測與曲率計算，首先，將數(shù)據(jù)集進行歸一化操作。其次，確定SVR關(guān)鍵參數(shù)。由于徑向基核函數(shù)計算的復(fù)雜度不隨參數(shù)變化而變化，故選取其作為核函數(shù)；懲罰因子c為對誤差的寬容度，c過大，容易導(dǎo)致模型過擬合，c過小，容易導(dǎo)致模型欠擬合；影響因子g隱含地決定了數(shù)據(jù)映射到新的特征空間后的分布。經(jīng)網(wǎng)格驗證方法進行多次經(jīng)驗計算獲取最佳參數(shù)值懲罰因子c為3.00，影響因子g為3.41。最后，訓(xùn)練及構(gòu)建模型。針對960組訓(xùn)練集，采用徑向基核函數(shù)，通過低維空間的非線性不可分問題映射到高維空間，并在高維空間產(chǎn)生用于最優(yōu)分類的超平面，進行線性回歸決策分析。

2.2 基于L弦長曲率法的CO2響應(yīng)曲線曲率最大點獲取

2.2.1L弦長曲率法的原理

在CO2響應(yīng)曲線中，首個曲率最大點代表著CO2濃度對凈光合速率影響程度由強到弱的特征點位，是構(gòu)建CO2優(yōu)化調(diào)控模型的關(guān)鍵。根據(jù)有限個數(shù)據(jù)點擬合的CO2響應(yīng)曲線無法采用連續(xù)曲線曲率法，而離散曲率法不需要具體的公式便可計算曲率，文獻[23]提出的一種離散曲率計算方法——L弦長曲率，在局部區(qū)域計算曲率，不受整條曲線的全局影響，且與曲線的真實曲率之間存在密切聯(lián)系。

L弦長曲率法依賴輸入的參數(shù)L，根據(jù)拓撲距離獲取目標(biāo)點處前后距離為L的點來確定它的支持領(lǐng)域，并應(yīng)用線性插值提高曲率計算精度。曲線上某點pi的L弦長曲率的計算主要分為兩個步驟：①pi點的支持領(lǐng)域獲取，如圖2所示。②將支持領(lǐng)域前后端點之間的歐氏距離與參數(shù)2L作比值，然后應(yīng)用和該比值平方與數(shù)字1的差值相關(guān)的一個根號值作為離散曲率。

圖2 pi點的支持領(lǐng)域Fig.2 Supporting area of pi

2.2.2L弦長曲率計算和最大值尋優(yōu)

CO2響應(yīng)曲線離散曲率最大點的獲取方法主要包括兩方面內(nèi)容，首先在不同光溫嵌套條件獲取CO2響應(yīng)曲線，其次進行L弦長曲率計算和最大值尋優(yōu)。

(1)獲取不同光溫嵌套條件下的CO2響應(yīng)數(shù)字曲線

通過調(diào)用已建立的SVR光合速率預(yù)測模型網(wǎng)絡(luò)，獲取不同溫度和光照強度嵌套條件下CO2濃度與光合速率的關(guān)系曲線。每組CO2響應(yīng)曲線曲率的獲取均建立在特定溫度、光照強度基礎(chǔ)上。溫度以1℃為步長，建立曲率獲取溫度條件數(shù)據(jù)樣本集Ti=(T1,T2,…,T21)，其中Ti=16+(i-1)，i∈[1,21]區(qū)間的整數(shù)。光照強度以50 μmol/(m2·s)為步長，建立曲率獲取光照強度條件數(shù)據(jù)樣本Pj=(P1,P2,…,P41)，其中Pj=200+50(j-1),j∈[1,41]區(qū)間的整數(shù)。在16～36℃和200～2 200 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)，完成預(yù)測模型對溫度、光照強度的實例化，從而建立不同光溫條件下的CO2響應(yīng)曲線。

(2)采用L弦長曲率計算和尋優(yōu)

(1)

其中

(2)

si——離散曲率符號

si為正表示曲線在當(dāng)前點呈凸性，反之呈凹性；為避免實驗數(shù)據(jù)微小波動導(dǎo)致響應(yīng)曲線的凹凸性發(fā)生改變從而無法準確獲取離散曲率最大值，因此本文在計算離散曲率時將符號統(tǒng)一取為正號。

按照以上步驟對響應(yīng)曲線各點求L弦長曲率，并應(yīng)用爬山法[24]尋優(yōu)得到曲率最大值。記錄和保存其對應(yīng)的CO2濃度，直到獲取所有響應(yīng)曲線曲率最大點對應(yīng)的CO2濃度。

2.3 CO2優(yōu)化調(diào)控模型構(gòu)建

基于上述尋優(yōu)方法，得到了溫度、光照強度為輸入，CO2響應(yīng)曲線離散曲率最大點對應(yīng)的CO2濃度為輸出的861組目標(biāo)CO2濃度數(shù)據(jù)集，采用SVR算法進行CO2優(yōu)化調(diào)控模型構(gòu)建。隨機選取訓(xùn)練集與測試集并進行歸一化處理。針對861組目標(biāo)CO2濃度數(shù)據(jù)集，隨機選取689組樣本數(shù)據(jù)(約占總樣本的80%)作為訓(xùn)練集，172組(約占總樣本的20%)作為測試集，用于模型驗證。選擇徑向基核函數(shù)參與模型訓(xùn)練，確定最佳參數(shù)c為1.00，g為4.91，以此完成CO2優(yōu)化調(diào)控模型的構(gòu)建。

3 結(jié)果分析

3.1 光合速率預(yù)測模型驗證結(jié)果

為了驗證SVR構(gòu)建預(yù)測模型的擬合效果，同時采用BP(Back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和非線性回歸多項式構(gòu)建擬合預(yù)測模型，三者的模型評價對比如表1所示。由表1可見，SVR構(gòu)建預(yù)測模型的決定系數(shù)最高，為0.98；均方根誤差與平均絕對誤差均最小，分別為1.79 μmol/(m2·s)和1.21 μmol/(m2·s)。

表1 3種建模方法的預(yù)測模型評價指標(biāo)對比Tab.1 Comparison of prediction model indicators for three modeling methods

證明SVR算法對于本文多維樣本數(shù)據(jù)擬合具有優(yōu)勢，采用SVR算法構(gòu)建預(yù)測模型是可行的。

為進一步驗證SVR預(yù)測模型的預(yù)測效果，將SVR預(yù)測模型與CO2經(jīng)典響應(yīng)模型進行對比。目前被普遍應(yīng)用于植物生理生態(tài)等方面研究的 CO2經(jīng)典響應(yīng)模型有直角雙曲線模型、Michealis-Menten模型和直角雙曲線修正模型等[25]。因此選取以上3種CO2經(jīng)典響應(yīng)模型對60組嵌套條件下的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，并將這3種模型的評價指標(biāo)繪制成盒圖，如圖3所示。

圖3 3種CO2經(jīng)典響應(yīng)模型評價指標(biāo)對比Fig.3 Comparison of evaluation indexes of three typical models

由圖3可發(fā)現(xiàn)，直角雙曲線修正模型決定系數(shù)所處范圍的上下界均高于其他兩種模型，均方根誤差所處范圍上下界均小于其他兩種模型，說明3種典型模型中，直角雙曲線修正模型對本文試驗數(shù)據(jù)的擬合效果最好。因此，進一步采用直角雙曲線修正模型與本文SVR預(yù)測模型進行對比，以此驗證SVR預(yù)測模型的擬合效果。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，直角雙曲線修正模型的決定系數(shù)范圍為0.97～0.99，均方根誤差范圍為0.07～1.81 μmol/(m2·s)；SVR預(yù)測模型的決定系數(shù)為0.98，均方根誤差為1.79 μmol/(m2·s)，均位于直角雙曲線修正模型相應(yīng)評價指標(biāo)的范圍之內(nèi)。這說明，SVR預(yù)測模型的擬合效果與直角雙曲修正模型的擬合效果很接近。但是直角雙曲線修正模型無法預(yù)測實測點之外的數(shù)據(jù)，而SVR預(yù)測模型可在保證與直角雙曲線修正模型相近精度的情況下實現(xiàn)對非試驗條件樣本的預(yù)測，可解決試驗樣本不足的問題。

采用異校驗方式應(yīng)用驗證集對光合預(yù)測模型的泛化能力進行驗證，得到光合速率實測值和預(yù)測值相關(guān)性如圖4所示。圖中直線L1為測試集數(shù)據(jù)實際值和預(yù)測值的擬合直線，其斜率為0.95，截距為0.47，說明預(yù)測值與實測值相關(guān)性較高。

圖4 SVR光合速率預(yù)測模型驗證Fig.4 SVR predictive model verification

3.2 離散曲率最大值點獲取

在建模過程中累計獲得861組不同條件下的曲率最大點，由于無法完全羅列，下文僅展示溫度從19℃到34℃區(qū)間內(nèi)以3℃為步長，光照強度從200 μmol/(m2·s)到2 200 μmol/(m2·s)區(qū)間內(nèi)以200 μmol/(m2·s)為步長條件下的CO2響應(yīng)曲線曲率及曲率最大值點的獲取結(jié)果，如圖5所示。同時，為了對比曲率最大點與CO2飽和點的效果，本文采取與文獻[18]中相同的方法獲取CO2飽和點，最后得到CO2響應(yīng)曲線中曲率最大點和CO2飽和點的對比關(guān)系圖，其中曲率最大點為點狀標(biāo)記，CO2飽和點為圓圈狀標(biāo)記。

圖5 CO2響應(yīng)曲線特征點獲取與效果對比Fig.5 Acquisition of characteristic points of CO2 response curves and comparison of effect

由圖5可發(fā)現(xiàn)，定義離散曲率圖中首個曲率最大值點代表CO2濃度對光合速率影響程度從強到弱的特征點位，剛好對應(yīng)于光合速率圖中相應(yīng)曲線的增長速率轉(zhuǎn)折點，這說明L弦長曲率法可以提供準確的CO2調(diào)控目標(biāo)點。由光合速率圖可以發(fā)現(xiàn)，在特征點位之前，光合速率隨著CO2濃度增加而快速上升；越過該點后，大量補充CO2直到CO2飽和點，只能促進光合速率少量提高，造成CO2補充效益降低。進一步分析發(fā)現(xiàn)，所有特征點位對應(yīng)的CO2濃度均在600～1 000 μmol/mol范圍內(nèi)；所有的CO2飽和點變化不大，且都在曲線末端區(qū)域，即2 000～2 300 μmol/mol范圍以內(nèi)。以上分析結(jié)果與文獻[19]構(gòu)建的CO2優(yōu)化調(diào)控模型預(yù)測 CO2飽和點位于1 800～2 400 μmol/mol區(qū)間基本一致。

進一步分析光合速率圖中不同環(huán)境下曲率特征點和CO2飽和點的變化，可以發(fā)現(xiàn)同一光照強度下，CO2曲率特征點和CO2飽和點隨著溫度的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢；同一溫度下，隨著光照強度的增加，CO2曲率特征點對應(yīng)的CO2濃度一直升高；而CO2飽和點濃度呈現(xiàn)先升后降的趨勢。在較低或中等光照強度條件下，CO2飽和點濃度隨著光照強度的增加而增加，當(dāng)光強增加到1 000 μmol/(m2·s)至1 400 μmol/(m2·s)范圍內(nèi)時，CO2飽和點濃度開始下降，與文獻[18]中CO2飽和點濃度隨著光照強度的增加呈現(xiàn)先升后降趨勢的現(xiàn)象一致。以上分析說明了不同溫度和光強下CO2曲率特征點和飽和點均存在差異。

3.3 CO2優(yōu)化調(diào)控模型結(jié)果及驗證

為了驗證基于SVR算法構(gòu)建的番茄CO2優(yōu)化調(diào)控模型的擬合效果，本文同時采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和非線性回歸多項式擬合兩種方法構(gòu)建調(diào)控模型，模型評價對比如表2所示。

表2 3種建模方法的調(diào)控模型評價指標(biāo)對比Tab.2 Comparison of control model indicators for three modeling methods

由表2可見，SVR模型的決定系數(shù)最高，為0.99；均方根誤差和平均絕對誤差最低，分別為4.42 μmol/mol和3.17 μmol/mol，SVR算法構(gòu)建的CO2調(diào)控目標(biāo)值模型具有更高的精準度和擬合效果，具體模型如圖6所示。由圖6可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度和光照強度較低時，CO2調(diào)控目標(biāo)值較低；在溫度一定時，CO2調(diào)控目標(biāo)值隨著光照強度的增加而升高；當(dāng)光照強度一定時，隨著溫度的增加，CO2調(diào)控目標(biāo)值呈現(xiàn)先升后降的趨勢，與作物生長需求一致。

圖6 CO2優(yōu)化調(diào)控模型Fig.6 CO2 optimal regulation model

為了進一步證明調(diào)控模型精準性，本文采用相同試驗樣品測量了60組不同光溫條件下的CO2響應(yīng)曲線，并利用CO2響應(yīng)直角雙曲線修正模型[11]進行響應(yīng)曲線擬合，最后通過連續(xù)曲率法實現(xiàn)了不同響應(yīng)曲線曲率最大值獲取，以此作為調(diào)控目標(biāo)的實測值。同時，將 CO2優(yōu)化調(diào)控模型獲取的調(diào)控目標(biāo)值作為預(yù)測值，進行調(diào)控模型驗證，相關(guān)性如圖7所示。分析可知，圖中直線L2為實際值和預(yù)測值的擬合直線，斜率為0.98，截距為19?？梢?，本文構(gòu)建的CO2優(yōu)化調(diào)控模型能準確預(yù)測CO2效益優(yōu)化點，為CO2的精準高效調(diào)控提供了定量依據(jù)。

圖7 CO2優(yōu)化調(diào)控模型驗證Fig.7 Regulatory model verification of CO2

3.4 調(diào)控效果對比

3.4.1理論調(diào)控效果分析

為了進一步驗證CO2優(yōu)化調(diào)控模型的調(diào)控效果，與獲取CO2飽和點作為調(diào)控目標(biāo)值的傳統(tǒng)方法[18]進行效果比較。在溫度試驗區(qū)間內(nèi)以6℃的溫度梯度為例，對比結(jié)果如表3所示。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，所有光溫耦合條件下，CO2供需量的大幅度下降均只造成光合速率的少量降低。本文獲取離散曲率最大點對應(yīng)的CO2濃度作為目標(biāo)值，相比于CO2飽和點目標(biāo)值的方法，CO2供需量平均下降61.81%，光合速率平均僅減少15.58%。說明采用該方法構(gòu)建不同溫度、不同光照強度條件下的CO2優(yōu)化調(diào)控模型具有高效節(jié)能特點，可為設(shè)施作物CO2環(huán)境優(yōu)化調(diào)控提供理論基礎(chǔ)。

3.4.2實際調(diào)控效果分析

為了驗證本模型的實際調(diào)控效果，在西北農(nóng)林科技大學(xué)涇陽蔬菜試驗示范站的溫室內(nèi)開展調(diào)控模型驗證試驗，試驗采用自行研制的CO2閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)構(gòu)建驗證系統(tǒng)，系統(tǒng)工作流程如圖8所示。傳感器實時監(jiān)測溫室內(nèi)的CO2濃度、光照強度和溫度等環(huán)境信息，并傳送給決策節(jié)點。決策節(jié)點基于實時環(huán)境信息，利用樹莓派中內(nèi)嵌的CO2優(yōu)化調(diào)控模型計算CO2調(diào)控目標(biāo)值。然后，根據(jù)實時CO2濃度和調(diào)控目標(biāo)值，判斷是否需要進行調(diào)控。若當(dāng)前濃度高于目標(biāo)值，則不進行調(diào)控，繼續(xù)進行調(diào)控目標(biāo)值的計算與比較；若當(dāng)前濃度低于目標(biāo)值，則進行動態(tài)CO2差值計算，發(fā)出CO2調(diào)控信號，打開調(diào)控設(shè)備中CO2發(fā)生器的電磁閥，釋放對應(yīng)體積的CO2，然后關(guān)閉電磁閥，等待10 min使CO2分布均勻，然后再返回到?jīng)Q策節(jié)點。

試驗分別在同一溫室的3塊大小相同的區(qū)域內(nèi)進行，利用塑料膜實現(xiàn)3塊區(qū)域之間的空間隔離，對比曲率組、飽和組、自然組3組的調(diào)控效果。試驗中運行CO2曲率最大點模型和CO2飽和值模型，采用曲率最大點和飽和點作為目標(biāo)值分別對限制點區(qū)和飽和點區(qū)進行調(diào)控，自然對照區(qū)為自然條件不進行CO2補充。試驗于07:00開始，采用LI-6800型便攜式光合速率測試儀對不同試驗區(qū)的番茄進行光合速率測量，不同試驗區(qū)域光合速率變化趨勢基本一致，其中得到6月3日的番茄光合速率時變化趨勢如圖9所示，當(dāng)天溫室內(nèi)溫度和光照強度的變化趨勢如圖10所示。由圖9可發(fā)現(xiàn)，曲率組光合速率整體比飽和組低15.14%，補充CO2供需量降低57.61%；曲率組光合速率整體比自然組高26.70%。說明以曲率最大點為調(diào)控目標(biāo)值的CO2調(diào)控模型可以在提高光合速率的情況下大幅度減小CO2供需量，對融合效益的CO2精準調(diào)控具有實際指導(dǎo)意義。由圖10可以發(fā)現(xiàn)，溫度和光照強度隨著時間的推移有著明顯的變化，本文提出的CO2優(yōu)化調(diào)控模型可以基于實時環(huán)境對CO2調(diào)控目標(biāo)值進行動態(tài)、高效的獲取。

表3 曲率特征點與CO2飽和點對比Tab.3 Comparison of characteristic value and conventional value in two methods

圖8 CO2調(diào)控流程圖Fig.8 Flow chart of CO2 control

圖9 3組光合速率的變化趨勢Fig.9 Comparison of variation trend of photosynthetic rate

圖10 溫度和光照強度的變化趨勢Fig.10 Variation trends of temperature and light intensity

4 結(jié)論

(1)結(jié)合番茄植株CO2響應(yīng)特點建立了一種番茄初花期CO2優(yōu)化調(diào)控模型。以溫度、光照強度、CO2濃度等多因子耦合嵌套所得凈光合速率試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，采用SVR算法構(gòu)建所得光合速率預(yù)測模型，決定系數(shù)為0.98，較非線性回歸多項式擬合和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的預(yù)測模型，能以更高精度擬合多因子輸入情況下的光合速率。

(2)提出基于L弦長曲率理論的CO2響應(yīng)曲線離散曲率計算方法，可獲取CO2響應(yīng)曲線曲率最大點，求得CO2效益優(yōu)化調(diào)控目標(biāo)值，從而滿足CO2按需調(diào)控且節(jié)能高效的要求，為設(shè)施作物優(yōu)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，增大效益奠定了良好的基礎(chǔ)。

(3)基于SVR算法構(gòu)建以CO2效益優(yōu)先值為調(diào)控目標(biāo)值的調(diào)控模型，決定系數(shù)為0.99，均方根誤差為4.42 μmol/mol，平均絕對誤差為3.17 μmol/mol，擬合效果好。與CO2飽和點調(diào)控方式對比，光合速率平均減少15.58%，但CO2供需量平均下降61.81%。驗證試驗中光合速率較飽和點調(diào)控時僅下降15.14%，但CO2供需量平均下降57.61%；相較自然條件下光合速率升高26.70%。因此，本文提出模型能夠兼顧作物需求和效益，可為實現(xiàn)設(shè)施作物動態(tài)、高效CO2調(diào)控提供理論依據(jù)。