光合作用是作物产量形成的根本原因,因此在提高作物产量的农艺措施中除了施用氮肥,还可通过提高作物的净光合速率来获得作物的高产。植物是通过光合作用来储存能量的,将太阳能转化成化学能。光合作用分为光反应和暗反应阶段[8],总的反应式为:6H2O + 6CO2 + 阳光 → C6H12O6(葡萄糖)+ 6O2。主要过程:首先水在光照条件下分解2H2O→4[H]+O2,叶绿体中的色素与光能合成ATP,ADP+Pi+能量→ATP(在酶的催化下)接着C5化合物与CO2反应,进行CO2固定,形成2C3,2C3再在还原型辅酶II以及多种酶催化条件下生成葡萄糖等有机物。植物的光合作用离不开CO2,黄瓜是C3植物,C3植物的特点就是光呼吸旺盛[9],二氧化碳补偿点高,但是光合效率低。所以对于黄瓜来说, 一定范围内,CO2 浓度越高,光合作用越旺盛[10],对增加产值是非常有效的。因此在生产上人们会通过施用CO2来提高产量,但植物的光合还受光照、温度和湿度等环境因素影响,因此为了最大程度的发挥CO2施肥的增产效应,研究温室中温度、湿度和光照变化规律以及建立相应的模型是很有必要的。

温度方面,在正常范围内,光合速率随温度的升高而升高,CO2利用率也迅速上升,其原因主要是:光合作用发生在叶绿体上,其中的叶绿素是吸收光能的主要物质[11],叶绿素合成的最低温约3℃,最适温度大约30℃,最高热限大约40℃[12],温度越接近叶绿素酶活的最适温度,光合速率越快,但是超过最大热限,酶活力就受到了影响,合成叶绿素需要酶的参与,尤其是在光合作用的暗反应阶段,酶种类繁多,对酶活的要求很高,影响更加明显。而且高温容易破坏叶绿体的细胞结构,同时呼吸速率也加强,相对的光合速率就降低了[12]。再者叶子蒸腾速率升高,叶子失水严重,气孔会缩小甚至关闭,导致CO2供应不足[13]。温度降低,酶促反应下降,限制光合作用,同时光合产物的运输也受到阻碍,积累在叶片中降低了光合速率。所以温度直接影响黄瓜CO2的利用率,间接的影响了黄瓜的产量了。

湿度方面,有文献对高温条件下,空气湿度对番茄光合作用的影响做了阐述,湿度越低,气孔导度越低,西红柿叶片的净光合速率越低[14],黄瓜有可能也有类似的规律。黄瓜具有喜湿怕旱的特点[15],一般情况下,增加湿度,叶片气孔变大,有助于叶片吸收CO2,但过湿也容易造成植物受细菌的感染,诱发疾病,例如霜霉病菌、灰霉病菌侵染。

光照强度方面,冬季,一般光照时间短,强度也不大,是温室种植黄瓜的一种不利因素,光照强度与植物利用CO2的效率是密切相关的。光合作用的能量来源于光照,足够的光照才能给植物提供能量,便于植物将光能转化为化学能,但是超过光饱和点,植物利用光的效率就减小了,因为暗反应来不及消耗光反应产生的ATP等能量,同时光照增强,温度也会升高,过高温度和光强对植物叶绿体是有伤害的,叶绿体是能进行光合作用的细胞器,其中的类囊体可是植物的“养料制造车间”和“能量转换站”,所以叶绿体受伤,光合效率受很大影响。

如前文所述为最大程度发挥CO2施肥的增产效应,提高CO2调控精度,模拟温室二氧化碳的变化有很大意义,该过程的模拟需要光照强度、温度、湿度的预测值,因此本文研究了光照强度、温度和湿度模型。

2 数据来源

利用课题组研制的物联网温室监控系统采集温室的光照、温度、湿度、CO2浓度等环境信息,信息采集周期为5min。本研究搜集了2014年1月8日~3月25日的数据,以  、 、  、 表示前10min、前5min、当前的时刻和下一时刻。

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