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摘 要

以黄瓜为试材，利用物联网技术测定温室内的温度、光照、湿度和二氧化碳浓度。构建了土壤呼吸和有氧呼吸模型、光呼吸模型和光合速率模型，集成3个模型可较好的模拟温室全天的CO₂浓度变化，经检验，所有模型的预测数值和实测数据的拟合程度非常高，模型的普适性较好。

关键词：日光温室，黄瓜，二氧化碳浓度，有氧呼吸，光呼吸，光合作用

Abstract：We use greenhouse cucumber as experimental, by using the technology to measure temperature, light, humidity and CO₂ concentration in the greenhouse. By building the soil respiration and aerobic respiration model, model of photorespiration and photosynthetic rate model, integration of three model can better simulate the greenhouse CO₂ concentration changes throughout the day, after inspection , all of the model prediction and experimental date fitting degree is very high, aerobic respiration and soil respiration model correlation coefficient is 0.9935,the relative mean square error is 1.118349%, the photosynthetic model correlation coefficient is 0.988813, the relative mean square error is 4.986777572%, show that the universality of the model is better.

Keywords：Greenhouse, Cucumber, Concentrations of Carbon Dioxide, Aerobic Respiration, Photorespiration, Photosynthesis

目 录

1 前言 4

2 数据来源 6

2.1土壤呼吸和植物有氧呼吸模型的构建 6

2.2光呼吸及光合速率模型的构建 10

结论 16

致谢 18

1 前言

黄瓜是冬季设施栽培的主要蔬菜之一，起源于印度北部尼泊尔地区，其经济价值高，栽培面积广^[1]，同时还具有丰富的营养价值^[2]和良好的药用价值^[3]，是深受人们喜爱的蔬菜。

随着人口的急剧增加，人们对蔬菜的需求量也越来越大。面对巨大的需求量，提高蔬菜产量是有效的解决途径。目前在温室黄瓜栽培中一般通过施加氮肥来提高产量，但是黄瓜的产量不可能因为无限施肥而持续提高。过量的增施氮肥不仅没有起到明显的增产效果，还增加了农户的生产成本，污染地下水，同时还导致黄瓜中硝酸盐含量过高，硝酸盐在人体内转变成具有强致癌作用的亚硝胺^[4]。根据投资报酬渐减原则^[5]，施加肥料的量提高到一定程度之后，随着肥料用量的增加，黄瓜的增产幅度将逐渐减小，导致黄瓜的种植效益下降^[6]。然而在合理的施加氮肥的情况下，在温室内施用二氧化碳可以进一步提高产量^[7]，此举既可提高种植效益，又可降低农业生产对环境造成的污染，有利于实现农业的可持续发展。

二氧化碳（CO₂）是植物光合作用的必需原料，对光合速率有直接的影响。光合作用是光能合成作用的简称，是植物、藻类和一些细菌，在可见光的照射下，经过光反应和暗反应，利用光合色素，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的过程（6H₂O 6CO₂ 阳光→C₆H₁₂O₆ 6O₂）。光反应的过程：①水在光照条件下分解：2H₂O→4[H] O₂；②ATP的合成：ADP Pi 能量→ATP。暗反应的过程：①二氧化碳的固定：CO₂ C₅→2C₃ ；②C₃的还原：2C₃ 4NADPH→C₃；③C₃再生C₅或转化为储能物质：C₃（一部分）→C₅化合物、C₃（一部分）→储能物质（如葡萄糖、蔗糖、淀粉，有的还生成脂肪）。

冬季大气中CO₂的含量一般为450ppm(450*10^-6 mg·L^-1)，在一定范围内植物的光合强度和CO₂的浓度呈正比，即CO₂浓度越高，光合速率越高，有机物质积累的多，产量就越高^[8]。日光温室是个半密闭的系统，植物的光合作用消耗大量的CO₂，如果不能及时得到有效的补充会造成 CO₂ 供应不足^[9]。温室中的CO₂主要有三种来源：1、放风进行室内外的空气交换；2、土壤中通过有机质的分解产生CO₂；3、人工增施CO₂来补充日光温室中CO₂的不足。冬季日光温室，温度低，放风少，土壤中的微生物活动弱，因而产生的CO₂少^[10]。冬季温室最常用是通过人工的方式施加CO₂，因为这样施用CO₂不受温度和季节限制。人工施用CO₂有3种方法：（1）固体CO₂发生剂；（2）液化CO₂；（3）H₂SO₄和NH₄HCO₃发生反应产生CO₂。施加方法简单、安全性最高的是固体二氧化碳发生剂；而成本低廉、操作灵活、不受季节和温度限制的是液化二氧化碳。目前在日光温室中最常用的施加二氧化碳的方法是：由农户根据光强在几个时间段里自己开启减压阀放出二氧化碳，以补充温室内缺少的二氧化碳。

黄瓜生长的最适宜的CO₂浓度是1000～2000ug·g^-1[11]，如果CO₂浓度过低，会使植物处于饥饿状态，影响植物的正常光合作用及其生长发育^[12]；如果CO₂浓度过高，会使植物CO₂中毒，导致光合作用下降^[11]。CO₂浓度上升以后，气孔的开度变小、阻力增大，气孔的导度有所降低。

植物的光呼吸是生物圈中重要的碳代谢途径之一。光呼吸是所有进行光合作用的细胞在光照和高氧低二氧化碳的情况下发生的一个生化过程。它是光合作用一个损耗能量的副反应。过程中氧气被消耗，并且会生成二氧化碳。现在的大气中，光呼吸导致CO₂的损失很高，约抵消20%-30%的光合作用，而在高温和干旱的情况下则会更高，以至于光呼吸被认为是地球上最浪费能源的一个过程。因此，降低光呼吸被认为是提高光合作用效能的途径之一^[13]。但是人们后来发现，光呼吸有着很重要的细胞保护作用。

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的一个极其重要的环节。土壤呼吸是指土壤释放二氧化碳的过程，严格意义上讲是指未扰动土壤中产生二氧化碳的所有代谢作用，包括三个生物学过程（土壤微生物呼吸、根系呼吸、土壤动物呼吸）和一个非生物学过程，即含碳矿物质的化学氧化作用。其中，土壤微生物呼吸和根系呼吸所排放的CO₂，占土壤呼吸总量的绝大部分^[14]。

植物呼吸也是生态系统碳循环的一个重要的组成部分。植物呼吸是指植物在有氧条件下，将有机化合物氧化，产生CO₂和水的过程。该过程也称为有氧呼吸。在一定范围内，有氧呼吸是受氧气和二氧化碳浓度影响的。氧气是植物正常呼吸的重要因子，氧气不足影响呼吸作用；CO₂是呼吸作用的最终产物，增加CO₂的浓度对呼吸作用有明显的抑制效应^[15]。

在日光温室中，光合速率、光呼吸、土壤呼吸和植物呼吸是一个动态平衡的关系。只有在光下才可以进行光合作用，但呼吸作用时时刻刻都在进行 ，白天植物既进行光合作用，又进行呼吸作用，植物总体表现为只进行光合作用，消耗CO₂。

在日光温室内增施CO₂作为增产增效的方法，国内早有报道，并在生产实际中得到了广泛应用，已有的研究多是蔬菜CO₂施肥的生理作用和增加CO₂浓度来提高产量，但对CO₂浓度动态变化的模拟研究较少，因此针对日光温室CO₂浓度变化的规律，研究CO₂调控机制与浓度变化规律，对提高黄瓜产量有重要的意义。本课题立足冬季日光温室内CO₂浓度的变化，来研究模拟出冬季黄瓜栽培日光温室二氧化碳浓度变化的规律。

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。本研究收集了2014年1月23日~4月10日内的数据，以 、、 、表示前10min、前5min、当前的时刻和下一时刻。

2.1土壤呼吸和植物有氧呼吸模型的构建

本文中夜晚指的是温室放下草苫之后到第二天揭开草苫之前这段时间，白天是指揭开草苫的这段时间。夜晚温室CO₂浓度和温度与时间的关系见图 1，温度随着时间的推移缓慢下降，初期下降的幅度较快，后期趋于平缓。初期下降的比较快是因为内外温差大。与温度相反，二氧化碳浓度则随着时间的推移而成增加趋势。温度和CO₂相关性见图 2，随着温度的降低，二氧化碳的浓度呈升高趋势，因为夜晚只有植物呼吸和土壤呼吸，他们不断的释放出CO₂，而没有光合作用消耗CO₂，所以CO₂呈上升趋势。由图3可以看出，CO₂浓度变化不是一个骤变的过程，而是一个慢慢变化的过程，后一时刻的CO₂量和前一时刻的CO₂量有关，类似于一个惯性系统。因而构建土壤呼吸和有氧呼吸模型的参数为、、， 时刻二氧化碳浓度为、时刻二氧化碳浓度为、时刻二氧化碳浓度为。温室中的温度上升时，呼吸速率加快 ，因而呼吸作用和温度有关。时刻的温度为，温度为 的时候CO₂浓度 ，它是到时刻的积累导致的，取到时刻的中间时刻的温度。构建土壤呼吸和有氧呼吸模型的参数是：、、、。

图 1 夜晚温室温度和CO₂浓度变化

图 2 CO₂浓度和温度相关性

图3 时刻CO₂浓度与、、时刻CO₂的相关性

引用本组同学周善童所构建的温度预测模型，

模型的、。可通过温度预测模型，预测出下一时刻的温度。从而构建了有氧呼吸和土壤呼吸的模型如公式所示，为。

以图4数据建模，以图 5数据检验模型。

图4 建模数据CO₂浓度变化

图 5验证数据CO₂浓度变化

根据建模数据利用软件可计算出公式的系数，得公式。

模型的、，模型预测值与建模数据吻合情况见图6。

图6 模型预测值与建模数据的吻合度

模型预测值与验证数据拟合情况见图 7、图8。

图 7模型预测值与验证数据的1:1图

图 8模型预测值与建模数据的吻合度

由图 7、图 8可以看出模型预测的数值与验证数据的拟合情况非常好，说明构建的模型普适性非常高。

2.2光呼吸及光合速率模型的构建

白天日光温室中的CO₂量主要与土壤呼吸、有氧呼吸、光呼吸和光合作用有关。设温室体积为，时刻的CO₂量为，土壤呼吸和植物呼吸释放CO₂量为，光呼吸释放CO₂量为，光合作用消耗的CO₂量为，则温室中的CO₂量为：,共同约去，得公式。

光呼吸是在强光照，低CO₂的情况下发生的^[16]，因此可利用作为参数构建光呼吸模型，和分别为时刻的二氧化碳浓度和光强。数值越小，说明CO₂少，光照强度强，光呼吸作用强；反之数值越大，说明CO₂多，光照强度弱，光呼吸作用弱。光呼吸的模型为 ，为，则构建的模型为公式。

光合速率和温度、湿度、光照还有CO₂浓度有关。在一定范围内，光合速率随着温度的升高而加快、随着光照强度的减弱而减慢、随着湿度的降低而加快、随着CO₂浓度的降低而减慢。引用本组周善童的温度、光照和湿度模型，其模型分别为式，式和式。

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