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温室环境多因子耦合对番茄生长调控效应研究及模型构建

苏春杰  
【摘要】:温室优质高效的生产依赖于其内部以作物为核心的环境调控。温度、光照、湿度与作物生理代谢之间具有快速传导与瞬时响应关系,各环境因子共同作用于作物生长,环境多因子之间存在复杂交互效应及反馈调控路径,因而多因子调节不同于单一目标因子的简单叠加与组合,难以精准度量。番茄作为现阶段我国设施蔬菜栽培面积最大的园艺作物,在冬秋及早春温室栽培中,常面对低温弱光等环境条件,简单粗放的温室环境调控管理,限制了产量和品质的提升。因此,开展作物生长状态和环境因子的耦合效应及温室环境协同调控模型的研究,对促进温室番茄的高品、高质、高效的生产,实现温室环境精准调控及降低调控成本有重要的意义。本研究以番茄为研究对象,人工控制模拟冬秋及早春温室环境。采用二次正交旋转设计对温室内空气温度、相对湿度、光合有效辐射进行组合,研究温室不同环境组合对苗期、开花坐果期、结果期番茄生长的影响。分析环境因子对番茄主要生长生理过程的调控效应,建立各生育期番茄综合生长评价模型及其对环境多因子的响应模型,解析温室番茄环境参数优化方案。主要研究结果如下:1.阐明了环境因子对各生育期番茄干物质积累、净光合速率、蒸腾速率的主因素效应、单因素效应和边际效应。对于干物质积累,苗期、结果期主要受空气温度影响,开花坐果期主要受相对湿度影响。单因素效应分析,苗期温度、湿度、光合有效辐射分别表现为开口向下抛物线、线性递增函数及开后向上抛物线;开花坐果期温度、光合有效辐射为线性递增函数,而湿度为开口向下抛物线;结果期温度为开口向上抛物线,湿度、光合有效辐射均为线性递增函数。边际效应分析,苗期温度、湿度均为负效应,光合有效辐射则为正效应;开花坐果期温度为正效应,湿度、光合有效辐射为负效应;各环境因子在结果期边际效应均为正效应。对于净光合速率,苗期主要受相对湿度影响,在开花坐果期光合有效辐射的调控作用较大,结果期番茄主要受空气温度影响。单因素效应分析,环境因子在各生育期表现一致,温度、湿度均为开口向下抛物线,光合有效辐射均为线性递增函数。边际效应分析,温度、湿度对各生育期番茄均为负效应,光合有效辐射在苗期、结果期为正效应,在开花坐果期为负效应。对于蒸腾速率,在各生育期均主要受空气温度影响。单因素效应分析,苗期温度、光合有效辐射均为线性递增函数,相对湿度为开口向下抛物线;开花坐果期、结果期各环境因子均为线性递增函数。边际效应分析,苗期各环境因子均为负效应,开花坐果期温度、光合有效辐射为正效应,湿度为负效应;结果期各环境因子均为正效应。2.确定番茄生长单一评价指标的权重,基于TOPSIS法对番茄综合生长状况进行评价,建立各生育期番茄综合生长对环境多因子的响应模型。确定了试验因素水平范围内,番茄生长最适的温度、相对湿度、光合有效辐射的环境因子组合。苗期为27.6℃、76.1%、396.3μmol·m~(-2)·s~(-1),开花坐果期29.3℃、74.3%、366.5μmol·m~(-2)·s~(-1),结果期为26.8℃、79.6%、396.3μmol·m~(-2)·s~(-1)。3.建立了基于温度、基于相对湿度、基于光合有效辐射的三种温室番茄生长环境参数优化方案,探究了温室环境因子间的协同调控作用。当温度一定时,可合理匹配相对湿度、光合有效辐射促进生长。当温度为20.8℃时,增加相对湿度比提高光照对苗期番茄生长的促进作用明显,同时提高相对湿度和光照才能促进结果期番茄的生长;当温度为25℃时,温室相对湿度高于75%补光对苗期番茄生长的促进作用较小;当温度为29.2℃时,若温室相对湿度设定在75%~85%,提高光照对开花坐果期番茄生长的促进作用不明显,同时该温度较适结果期番茄生长,此时相对湿度、光合有效辐射对生长影响不显著。当相对湿度一定时,可合理匹配温度、光合有效辐射促进生长。当相对湿度为66.1%时,同时提高温度和光照才可促进各生育期的番茄生长;当相对湿度为75%时,温度和光照的调控作用对苗期番茄不明显,该相对湿度下温度为25℃~28℃时,提高光照对结果期番茄生长调控作用不明显;当相对湿度为83.9%时,同时提高温度和光合有效辐射可显著促进开花坐果期、结果期番茄生长。当光合有效辐射一定时,可合理匹配温度、相对湿度促进生长。光合有效辐射为240.5μmol·m~(-2)·s~(-1)时,增加相对湿度比提高温度对苗期番茄生长促进作用显著,该光强下相对湿度在70%~80%时,增加温度对开花坐果期番茄生长促进作用明显;光合有效辐射为300μmol·m~(-2)·s~(-1)时,提高温度对苗期番茄生长的促进作用不明显。该光强下温度超过25℃后,温度变化对结果期番茄生长影响较小;光合有效辐射为360.5μmol·m~(-2)·s~(-1)时,若相对湿度达到75%以上,提高温度对苗期番茄生长的促进作用不明显。此时,开花坐果期、结果期最适宜的温、湿环境为27℃、70%~85%,25℃~29℃、75%~85%。


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