融合栽培模式与植株高度协同改善日光温室微气候的方法

本发明属于温室环境调控，具体涉及一种融合栽培模式与植株高度协同改善日光温室微气候的方法。

背景技术：

1、日光温室是我国北方地区冬季园艺生产的重要设施类型，热环境主要依靠太阳辐射输入、围护结构保温以及土壤蓄放热等维持。不同类型日光温室的围护结构形式及其热工性能存在差异，其中部分围护结构主要承担保温作用，自身蓄热能力有限，冬季室内热环境对太阳辐射和土壤蓄放热的依赖程度较高。尤其是在缺乏厚重蓄热墙体的温室中，白天太阳辐射是温室获得热量的重要来源，地面土壤（简称“土壤”）则承担了重要的热量存储与释放作用。因此，充分利用太阳辐射并提高土壤的蓄放热效率，是降低主动加温需求、改善日光温室冬季热环境的重要途径。然而，作物冠层会对进入温室的太阳辐射产生截获和遮挡作用，随着植株高度增加，冠层覆盖程度增强，到达土壤的太阳辐射逐渐减少，进而影响土壤白天蓄热和夜间放热。不同栽培模式又具有不同的栽培空间结构，使植株高度与土壤光环境之间的响应关系存在差异。

2、然而，现有日光温室光热环境调控主要围绕温室结构、覆盖材料及主动加温等方面开展，对栽培模式与植株高度协同影响土壤光热环境的考虑不足。不同栽培模式下种植空间结构存在差异，植株高度变化又会改变冠层遮阴范围及土壤太阳辐射获取量，进而影响土壤蓄放热过程，难以兼顾作物生长与太阳能高效利用。因此，亟需一种面向日光温室绿色低碳高效生产的栽培模式与植株高度协同调控方法，通过构建不同栽培模式下的温室光环境仿真模型，分析不同植株高度与土壤光环境之间的响应关系，确定兼顾作物生长、土壤蓄放热和温室光热环境的肘点植株高度，从而降低主动加温需求，实现温室生产的绿色低碳智慧调控。

技术实现思路

1、为了弥补现有技术的不足，本发明提出了融合栽培模式与植株高度协同改善日光温室微气候的方法，包括如下步骤：

2、s1、获取温室基础参数；

3、s2、设置至少两种不同栽培模式，获取各栽培模式对应的作物栽培参数；

4、s3、基于温室基础参数和作物栽培参数，利用ladybug和honeybee建立各栽培模式下的温室光环境仿真模型；

5、s4、通过改变各栽培模式下的温室光环境仿真模型中的植株高度，获取不同植株高度条件下的土壤光环境参数；

6、s5、基于土壤光环境参数建立各栽培模式下的植株高度与土壤光环境响应关系；

7、s6、对植株高度与土壤光环境响应关系进行曲线拟合得到响应曲线，并采用肘点识别方法确定各响应曲线中的转折位置，将转折位置对应的植株高度确定为各栽培模式下的目标植株高度；

8、s7、获取各栽培模式的不同土壤空间位置及不同土壤深度对应的土壤热物性参数，建立温室热环境模型，利用温室热环境模型对目标植株高度范围内的土壤热量传递过程进行模拟，获取土壤热环境参数；

9、s8、根据土壤热环境参数对目标植株高度对应的土壤蓄热和放热效果进行验证，评价太阳辐射利用与土壤蓄热和放热过程的协调程度；

10、s9、根据协调程度评价结果，确定适宜于各栽培模式的最终植株高度和植株高度调控方案。

11、优选的，温室基础参数包括温室结构参数、围护结构参数及外界环境参数，作物栽培参数包括栽培空间结构参数、作物生长特征参数及土壤空间结构参数，土壤光环境参数包括土壤照度、太阳辐照度、累计太阳辐射量、单位面积太阳辐射量及不同时间段太阳辐射量，土壤热物性参数包括土壤导热系数、体积热容量、密度、比热容、含水率及孔隙率，土壤热环境参数包括土壤表面热流、土壤内部热流、白天土壤蓄热量、夜间土壤放热量及土壤温度变化参数。

12、优选的，s2中，通过改变栽培空间结构参数和土壤空间结构参数，形成不同栽培模式。

13、优选的，s3中，根据温室地理位置、温室结构尺寸、模拟日期、太阳辐射条件、温室围护结构参数、栽培空间结构参数及作物冠层参数设置光环境仿真边界条件。

14、优选的，s6中，所述肘点识别方法用于识别植株高度增加过程中土壤光环境参数变化趋势发生明显改变的位置，并将该位置对应的植株高度确定为相应栽培模式下的目标植株高度，肘点识别方法包括曲率法、斜率变化法、导数法、kneedle算法以及基于拟合曲线转折特征识别方法中的一种或多种；所述目标植株高度表示随着植株高度增加，土壤光热输入由前期快速衰减阶段向后期缓慢衰减阶段转变的关键高度。

15、优选的，s7中的温室热环境模型采用do辐射模型。

16、优选的，当目标植株高度条件下土壤获得的太阳辐射量能够满足白天土壤蓄热量需求，且白天土壤蓄热量和夜间土壤放热量保持在预设范围内时，将目标植株高度确定为适宜于相应栽培模式的最终植株高度。

17、优选的，植株高度调控方案是指通过对作物进行整枝、吊蔓、打顶或其它调控方法，避免植株冠层进一步增高造成土壤受光量及土壤实际蓄热量明显降低，使植株高度在适宜范围内变化，减少植株冠层持续增高造成的土壤遮光。

18、优选的，作物生长特征参数包括植株高度、冠层宽度、冠层厚度、叶面积、叶面积指数、冠层覆盖率及栽培密度。

19、与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：

20、（1）提出融合栽培模式与植株高度协同改善日光温室微气候的全新方法。针对不同栽培模式的栽培空间和土壤空间结构差异，结合植株生长特性，通过调节作物植株高度改变冠层遮阴程度，使作物生长与土壤受光相协调，在满足作物生长需求的同时大幅提高太阳能利用效率，改善温室光热环境。

21、（2）提出通过建立植株高度与土壤光环境响应关系进而巧妙确定肘点植株高度的方法。针对不同栽培模式设置多个植株高度，利用ladybug和honeybee获取垄上、垄沟等土壤区域的土壤照度、太阳辐照度，建立土壤照度、太阳辐照度与植株高度的拟合曲线并通过肘点识别方法确定目标植株高度。

22、（3）具有绿色低碳高效生产特性和良好的推广适用性。本发明不限定具体栽培模式、作物种类及植株高度，可根据不同温室结构、栽培空间、作物生长特性及土壤热物性参数，建立相应的光环境响应关系和热环境分析模型，确定适宜的植株高度，适用于不同类型日光温室的光热环境调控。

23、（4）为改善日光温室冬季光热环境提供了全新策略。综合不同栽培模式下的土壤光环境分析结果和土壤蓄放热性能，确定相应的适宜植株高度，并通过整枝、吊蔓、打顶等措施进行株高调控，减少过高冠层对土壤的遮阴，提高土壤太阳能蓄放热效率，为改善日光温室冬季光热环境提供了全新低碳策略。

1.融合栽培模式与植株高度协同改善日光温室微气候的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的融合栽培模式与植株高度协同改善日光温室微气候的方法，其特征在于，温室基础参数包括温室结构参数、围护结构参数及外界环境参数，作物栽培参数包括栽培空间结构参数、作物生长特征参数及土壤空间结构参数，土壤光环境参数包括土壤照度、太阳辐照度、累计太阳辐射量、单位面积太阳辐射量及不同时间段太阳辐射量，土壤热物性参数包括土壤导热系数、体积热容量、密度、比热容、含水率及孔隙率，土壤热环境参数包括土壤表面热流、土壤内部热流、白天土壤蓄热量、夜间土壤放热量及土壤温度变化参数。

3.根据权利要求2所述的融合栽培模式与植株高度协同改善日光温室微气候的方法，其特征在于，s2中，通过改变栽培空间结构参数和土壤空间结构参数，形成不同栽培模式。

4.根据权利要求2所述的融合栽培模式与植株高度协同改善日光温室微气候的方法，其特征在于，s3中，根据温室地理位置、温室结构尺寸、模拟日期、太阳辐射条件、温室围护结构参数、栽培空间结构参数及作物冠层参数设置光环境仿真边界条件。

5.根据权利要求2所述的融合栽培模式与植株高度协同改善日光温室微气候的方法，其特征在于，s6中，所述肘点识别方法用于识别植株高度增加过程中土壤光环境参数变化趋势发生明显改变的位置，并将该位置对应的植株高度确定为相应栽培模式下的目标植株高度，肘点识别方法包括曲率法、斜率变化法、导数法、kneedle算法以及基于拟合曲线转折特征识别方法中的一种或多种；所述目标植株高度表示随着植株高度增加，土壤光热输入由前期快速衰减阶段向后期缓慢衰减阶段转变的关键高度。

6.根据权利要求5所述的融合栽培模式与植株高度协同改善日光温室微气候的方法，其特征在于，所述kneedle算法具体为：在获得连续拟合曲线后，采用kneedle肘点识别算法确定曲线转折位置；由于地面照度和太阳辐照度随株高增加呈单调下降趋势，对植株高度和拟合响应值进行归一化处理见式（3）和式（4）：

7.根据权利要求2所述的融合栽培模式与植株高度协同改善日光温室微气候的方法，其特征在于，s7中的温室热环境模型采用do辐射模型。

8.根据权利要求2所述的融合栽培模式与植株高度协同改善日光温室微气候的方法，其特征在于，当目标植株高度条件下土壤获得的太阳辐射量能够满足白天土壤蓄热量需求，且白天土壤蓄热量和夜间土壤放热量保持在预设范围内时，将目标植株高度确定为适宜于相应栽培模式的最终植株高度。

9.根据权利要求8所述的融合栽培模式与植株高度协同改善日光温室微气候的方法，其特征在于，植株高度调控方案是指通过对作物进行整枝、吊蔓、打顶或其它调控方法，避免植株冠层进一步增高造成土壤受光量及土壤实际蓄热量明显降低，使植株高度在适宜范围内变化，减少植株冠层持续增高造成的土壤遮光。

10.根据权利要求2-9任一项所述的融合栽培模式与植株高度协同改善日光温室微气候的方法，其特征在于，作物生长特征参数包括植株高度、冠层宽度、冠层厚度、叶面积、叶面积指数、冠层覆盖率及栽培密度。