CN112697702A - 一种基于密度分布特征的co2范围寻优方法 - Google Patents
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Abstract
设施环境中CO2不足导致作物生长受限,而由于CO2气体的波动性较大,很难实现精准的补施,本发明采用适宜CO2范围为补施CO2阈值区间调控CO2能够促进植物的生长,设施环境中CO2不足,针对设施环境CO2施肥效应中的气体调控精度受限问题,本发明通过分析CO2快速响应曲线的分布特征,获取CO2关于净光合速率的密度分布,以累积贡献度为依据,选取适宜的CO2范围,为CO2补施浓度控制提供依据,能够促进植物的生长,解决设施环境中CO2不足,设施环境CO2施肥效应中的气体调控精度受限等问题。
Description
技术领域
本发明属于设施农业环境调控领域,涉及设施农业CO2环境控制,特别涉及一种基于密度分布特征的CO2范围寻优方法。
背景技术
针对封闭半封闭的设施栽培环境,CO2浓度远远低于设施内作物生长需求,CO2浓度的增加能够提高植物的光合同化速率,促进植物生长,适量的控制CO2能够提高农作物的产量和品质,而CO2为气体,在空气中分布不均且易受周围气体环境波动影响,现在的寻优方式虽然在理论上非常精准,但对基础数据的要求非常高,数据的波动性极大影响寻优结果,导致调控精度受限,很难实现个位数的精准控制。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种基于密度分布特征的CO2范围寻优方法,采用适宜CO2范围为补施CO2阈值区间调控CO2,能够促进植物的生长,以解决设施环境中CO2不足,设施环境CO2施肥效应中的气体调控精度受限问题。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种基于密度分布特征的CO2范围寻优方法,包括如下步骤:
步骤1,获取CO2快速响应曲线;
步骤2,依据CO2快速响应曲线,分析数据特征分布;
步骤3,根据CO2快速响应曲线波动范围选取净光合速率段宽,并根据净光合速率的幅值/段宽划分段数;
步骤4,分析CO2效率;
步骤5,计算每段单位CO2对光合的提升效率,采用贡献度分析,当CO2浓度到第N段时,CO2累积效率达到近似值(保留两位小数)为1,此后单位CO2浓度的继续增加对净光合速率的提升效率近似值(保留两位小数)为0,则选取第N段为相应光温条件下CO2适宜区间。
所述步骤1中,采用LI-6800便携式光合仪器,设定CO2浓度梯度范围为0-1600ppm,自动测量时间为16min,根据样品叶室和参比叶室CO2浓度差决定光合速率,测量过程中CO2浓度及光合速率值由自动测量系统均匀计数,直至时间到达16min,停止计数,得到以CO2浓度为横坐标,以光合速率为纵坐标的CO2快速响应曲线。通过空叶室测试进行数据修正,去掉开始和结束的野点,得到修正后的快速CO2响应曲线,此时CO2浓度范围为[CO2a,CO2b],光合速率范围为[Pna,Pnb]。
所述步骤2中,所述CO2快速响应曲线中,净光合速率Pn随CO2浓度增加,先极速增加,后波动增加至稳定,CO2快速响应曲线频率分布直方图中,统计总频数Num,每段分布CO2点数为n,前期CO2点分布稀疏,随CO2浓度的增加,频数增加,CO2点越来越密,至光合达到稳定时,分布最密,即,n随Pn增加而增加,在相同Pn增加范围内,CO2频数增加,即CO2分布的密度增加。
所述步骤3中,采用差分法选取CO2特征点,通过CO2快速响应曲线数据集的二阶差分数据集,寻找二阶差分最接近0的拐点,通过一阶差分的求和结果判断原始数据趋于稳定的区域,并以此为段宽划分依据,平稳区域内的极差即为段宽CO2i,根据光合速率幅值变化[Pna,Pnb],并由此确定段数n=(Pnb-Pna)/CO2i,即段数=光合极差/段宽。
所述步骤4中,单位CO2效率随着CO2浓度的增加先极速增加后极速下降至平缓下降,对此趋势进行高斯非线性拟合,拟合决定系数R2为0.9510,均方根误差为0.0001,Unit-CO2-efficiency=△Pn/(ni×([CO2b-CO2a]/Num)),即单位CO2效率=该段Pn变化量/(频数×(总CO2范围/总频数))。
与现有技术相比,本发明以CO2密度分布选取适宜段宽为补施范围,提高原始数据的容错性,增加寻优的抗干扰能力,以实测数据去寻优,减小了由于数据拟合引起的误差,大大提高了寻优的准确性,能够提供设施环境CO2的统一补施方案。
附图说明
图1是本发明寻优方法流程示意图。
图2是快速CO2响应曲线示意图。
图3是快速CO2响应曲线净光合速率频数分布示意图。
图4是CO2差分分布示意图,其中(a)为一阶差分示意图,(b)为二阶差分示意图。
图5为PPFD取200μmol·m-2·s-1时单位CO2效率变化趋势示意图。
图6为PPFD取200μmol·m-2·s-1时CO2效率帕累托图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
设施环境中CO2不足导致作物生长受限,而由于CO2气体的波动性较大,很难实现精准的补施,本发明采用适宜CO2范围为补施CO2阈值区间调控CO2能够促进植物的生长,设施环境中CO2不足,针对设施环境CO2施肥效应中的气体调控精度受限问题,本发明通过分析CO2快速响应曲线的分布特征,获取CO2关于净光合速率的密度分布,以累积贡献度为依据,选取适宜的CO2范围,为CO2补施浓度控制提供依据,如图1所示,本发明具体包括如下步骤:
步骤1,获取CO2快速响应曲线。
采用LI-6800便携式光合仪器(LI-COR,Inc.,Lincoln,NE,USA),LI-6800的AutoControl功能在算法上允许用户自定义CO2控制的起始和终止浓度,以及变化方式和花费时间。通过该自动测量系统功能,设定CO2浓度梯度范围为0-1600ppm,自动测量时间为16min,根据样品叶室和参比叶室CO2浓度差决定光合速率,测量过程中CO2浓度及光合速率值由自动测量系统均匀计数,直至时间到达16min,停止计数,得到以CO2浓度为横坐标,以光合速率为纵坐标的CO2快速响应曲线。为消除系统误差,通过空叶室测试进行数据修正,去掉开始和结束的野点,得到修正后的快速CO2响应曲线,此时CO2浓度范围为[CO2a,CO2b],光合速率范围为[Pna,Pnb]。
步骤2,依据CO2快速响应曲线,分析数据特征分布。
如图2所示,CO2快速响应曲线中,净光合速率Pn随CO2浓度增加,先极速增加,后波动增加至稳定。如图3所示,CO2快速响应曲线频率分布直方图中,统计总频数Num,每段分布CO2点数为n,前期CO2点分布稀疏,随CO2浓度的增加,频数增加,CO2点越来越密,至光合达到稳定时,分布最密,即,n随Pn增加而增加,在相同Pn增加范围内,CO2频数增加,即CO2分布的密度增加。
步骤3,根据CO2快速响应曲线波动范围选取净光合速率段宽,并根据净光合速率的幅值/段宽划分段数。
本发明采用差分法选取CO2特征点,通过CO2快速响应曲线数据集的二阶差分数据集,寻找二阶差分最接近0的拐点,通过一阶差分的求和结果判断原始数据趋于稳定的区域,并以此为段宽划分依据,平稳区域内的极差即为段宽CO2i,根据光合速率幅值变化[Pna,Pnb],并由此确定段数n=(Pnb-Pna)/CO2i,即段数=光合极差/段宽。
步骤4,分析CO2效率。
单位CO2效率随着CO2浓度的增加先极速增加后极速下降至平缓下降,对此趋势进行高斯非线性拟合,拟合决定系数R2为0.9510,均方根误差为0.0001,Unit-CO2-efficiency=△Pn/(ni×([CO2b-CO2a]/Num)),即单位CO2效率=该段Pn变化量/(频数×(总CO2范围/总频数))。
步骤5,计算每段单位CO2对光合的提升效率,采用贡献度分析,当CO2浓度到第N段时,CO2累积效率达到近似值(保留两位小数)为1,此后单位CO2浓度的继续增加对净光合速率的提升效率近似值(保留两位小数)为0,则选取第N段为相应光温条件下CO2适宜区间。
在本发明的一个具体实施例中,以设施园艺学中植物工厂生菜常用的光量子通量密度200μmol·m-2·s-1,温度22℃为例,分析该环境下CO2密度分布特征,通过差分法选取针对该曲线的适宜光合速率段宽,根据光合极差计算段数,并计算每段的CO2效率,对其进行贡献度分析,选取适宜的CO2补施范围,该实施例可为设施环境提供CO2的统一补施方案参考。具体的试验内容如下:
1.试验材料
试验在CO2人工气候箱内进行,温度、光照强度、CO2浓度等环境参数均可控。以香港玻璃生菜(Lactuca sativa L.)为试验材料,24℃催芽两天,待种子发芽,选取胚轴长度相近的种子播种至小海绵,放入清水中,待幼苗长出第一片真叶时,采用1/4剂量的日本园式通用营养液进行水培,幼苗两叶一心时,选取长势一致的幼苗移栽至水培槽内,同样采用采用1/4剂量的日本园式通用营养液进行水培。
2.试验处理设置及测试方法
待五叶一心时,随机选取生菜幼苗各3株为待测植株,取从下至上第四叶位叶片为待测叶片,进行快速CO2响应曲线测定。以测试平台提供PPFD梯度为1600,1500,1400,1300,1200,1100,1000,900,800,700,600,500,400,300,200,120,60,30μmol·m-2·s-1。采用LI-6800自动测量系统,依据自动测量说明书每100μmol·mol-1的需1min,因此,根据设定CO2浓度梯度范围设置自动测量时间为16min,光合仪CO2控制系统根据设置范围均匀的向上增加CO2浓度,自动测量系统均匀计数,直至时间到达16min,停止计数。由于CO2变动速度很快,参比叶室与样品叶室很难在同一时间达到同一水平,故测得的净光合速率值并非真实值,因此,为去除仪器设备本身的误差,采用测量值减去空叶室测量值的方式修正。
3.结果分析
3.1.数据特征分布分析
CO2快速响应曲线表明生菜净光合速率Pn随CO2浓度增加,先极速增加,后波动增加至稳定(图2),且前期CO2点分布稀疏,随CO2浓度的增加,CO2分布越来越密,至光合达到稳定时,分布最密。在相同Pn增加范围内,CO2频数增加,即CO2分布的密度增加(图3)。在增加相同净光合速率时,不同分段内CO2同化效率有差异,故考虑CO2的密度分布对净光合速率有影响,本发明通过分析CO2密度分布特征,通过分析不同分段CO2效率的差异,以CO2的累积贡献率为依据,选取适宜的CO2浓度段。以密度分布选取适宜段宽为补施范围,提高原始数据的容错性,增加该方法寻优的抗干扰能力,以实测数据去寻优,减小了因为数据拟合引起的误差。
3.2.段宽选取及段数划分
为避免由于CO2波动引起的段内划分错误,段宽的选择尤为重要,本发明采用差分法选取CO2特征点。通过数据集的二阶差分数据集,寻找二阶差分最接近0的拐点,通过一阶差分的求和结果判断该原始数据趋于稳定的区域,并以此为段宽划分依据,平稳区域内的极差即为段宽。以200μmol·m-2·s-1为例,二阶差分为0的拐点处分别为321,437,612,1010μmol·mol-1(如图4中(a)和(b)所示),分别计算四段内的一阶差分的和为0.3280,0.4069,-0.4291,-0.0748μmol·mol-1,1010μmol·mol-1以后的为趋于平稳区域,因此选取该段内极差为1.2189μmol·mol-1。该曲线的最大值与最小值分别为8.0742μmol·m-2·s-1和μmol·m-2·s-1,极差为12.1880μmol·m-2·s-1段数即为10段。
3.3.CO2效率分析
单位CO2效率随着CO2浓度的增加先极速增加后极速下降至平缓下降(图5)。对其趋势进行高斯非线性拟合R2为0.9510,均方根误差为0.0001。
3.4.CO2段选取
以PPFD为200μmol·m-2·s-1为例,通过计算每段单位CO2对光合的提升效率,采用贡献度分析(帕累托分析),当CO2浓度到第9段(396-756μmol·mol-1之间)时,CO2累积效率达到99.74%(图6)。此后单位CO2的浓度的继续增加对净光合速率的提升效率非常低,因此,选取第9段为该光温条件下CO2适宜区间,且自然界中CO2浓度为400μmol·mol-1左右,故适宜补施区间为[400,756]μmol·mol-1。
综上,本发明以CO2密度分布选取适宜段宽为补施范围,不同温度光照条件下亦可按照该方法进行选取,最终选取范围的大小受原始数据波动大小的影响,原始数据越波动越小,最终寻优的CO2范围越窄,该方法建立在原始数据的基础上,提高原始数据的容错性,增加该方法寻优的抗干扰能力,以实测数据去寻优,减小了因为数据拟合引起的误差,该方法大大提高了寻优的准确性,能够提供设施环境CO2的统一补施方案。
Claims (7)
1.一种基于密度分布特征的CO2范围寻优方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,获取CO2快速响应曲线;
步骤2,依据CO2快速响应曲线,分析数据特征分布;
步骤3,根据CO2快速响应曲线波动范围选取净光合速率段宽,并根据净光合速率的幅值/段宽划分段数;
步骤4,分析CO2效率;
步骤5,计算每段单位CO2对光合的提升效率,采用贡献度分析,当CO2浓度到第N段时,CO2累积效率达到近似值为1,此后单位CO2浓度的继续增加对净光合速率的提升效率近似值为0,则选取第N段为相应光温条件下CO2适宜区间。
2.根据权利要求1所述基于密度分布特征的CO2范围寻优方法,其特征在于,所述步骤1中,采用LI-6800便携式光合仪器,设定CO2浓度梯度范围为0-1600ppm,自动测量时间为16min,根据样品叶室和参比叶室CO2浓度差决定光合速率,测量过程中CO2浓度及光合速率值由自动测量系统均匀计数,直至时间到达16min,停止计数,得到以CO2浓度为横坐标,以光合速率为纵坐标的CO2快速响应曲线。
3.根据权利要求2所述基于密度分布特征的CO2范围寻优方法,其特征在于,通过空叶室测试进行数据修正,去掉开始和结束的野点,得到修正后的快速CO2响应曲线,此时CO2浓度范围为[CO2a,CO2b],光合速率范围为[Pna,Pnb]。
4.根据权利要求1所述基于密度分布特征的CO2范围寻优方法,其特征在于,所述CO2快速响应曲线中,净光合速率Pn随CO2浓度增加,先极速增加,后波动增加至稳定,CO2快速响应曲线频率分布直方图中,统计总频数Num,每段分布CO2点数为n,前期CO2点分布稀疏,随CO2浓度的增加,频数增加,CO2点越来越密,至光合达到稳定时,分布最密,即,n随Pn增加而增加,在相同Pn增加范围内,CO2频数增加,即CO2分布的密度增加。
5.根据权利要求1所述基于密度分布特征的CO2范围寻优方法,其特征在于,所述步骤3中,采用差分法选取CO2特征点,通过CO2快速响应曲线数据集的二阶差分数据集,寻找二阶差分最接近0的拐点,通过一阶差分的求和结果判断原始数据趋于稳定的区域,并以此为段宽划分依据,平稳区域内的极差即为段宽CO2i,根据光合速率幅值变化[Pna,Pnb],并由此确定段数n=(Pnb-Pna)/CO2i,即段数=光合极差/段宽。
6.根据权利要求1所述基于密度分布特征的CO2范围寻优方法,其特征在于,所述步骤4中,单位CO2效率随着CO2浓度的增加先极速增加后极速下降至平缓下降,对此趋势进行高斯非线性拟合,拟合决定系数R2为0.9510,均方根误差为0.0001,Unit-CO2-efficiency=△Pn/(ni×([CO2b-CO2a]/Num)),即单位CO2效率=该段Pn变化量/(频数×(总CO2范围/总频数))。
7.根据权利要求1所述基于密度分布特征的CO2范围寻优方法,其特征在于,所述步骤5中,近似值均保留两位小数。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113959964A (zh) * | 2021-10-11 | 2022-01-21 | 天津同阳科技发展有限公司 | 基于机动车尾气遥感检测二氧化碳吸收增量的计算方法 |
CN113959964B (zh) * | 2021-10-11 | 2022-05-31 | 天津同阳科技发展有限公司 | 基于机动车尾气遥感检测二氧化碳吸收增量的计算方法 |
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CN112697702B (zh) | 2023-01-31 |
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