温室番茄冠层光合作用的潜力与限制：多气候环境下的模型解析与优化策略

针对温室番茄生产中冠层光合效率受气候环境影响的关键问题，研究人员通过构建三维冠层光合模型（3D canopy photosynthesis model），量化了光环境（LE）、光合生理（PP）和冠层结构（CS）对累积光合量（ACP）的贡献差异。研究发现，春季以LE和PP为主导限制因子，秋季则受CS和PP共同影响；通过光合参数改良（S1）、植株布局调整（S2）和薄膜雾度提升（S3）的模拟，证实S1（如提升ΦPSII 和Jmax ）增效最显著。该研究为气候变化下温室番茄高产育种和栽培优化提供了理论依据。

　　

在全球气候变化和耕地资源有限的背景下，温室蔬菜生产面临光照条件区域差异大、冠层光合效率优化路径不明确等挑战。番茄作为典型多季栽培作物，其产量形成高度依赖冠层光合作用，但不同气候环境下限制因素复杂，传统研究方法难以量化动态影响。针对这一难题，西北农林科技大学的研究团队通过整合三维建模与光合生理分析，揭示了温室番茄冠层光合作用的限制机制和优化潜力，相关成果发表于《Plant Phenomics》。

研究采用三维冠层光合模型（3D canopy photosynthesis model），结合两年期跨区域（高辐射HR与低辐射LR区）田间试验数据，通过虚拟场景重构、蒙特卡洛光路追踪和扩展FvCB（Farquhar-von Caemmerer-Berry）光合耦合模型，量化了光环境（LE）、光合生理（PP）、冠层结构（CS）及空气环境（AE）对累积光合量（ACP）的贡献，并预测了三种优化情景（S1-S3）的增效潜力。

3.1 模型验证与区域差异分析
模型通过叶面积指数（LAI）、气体交换和生物量数据验证（R²

0.9），显示HR区ACP在春季和秋季分别比LR区高30.5%和56.1%。因子分解表明，春季ACP差异58.7%源于LE（以光合光子通量密度PPFD为主），19.6%来自PP；秋季则以CS（34.7%）和PP（24.2%）为主导。值得注意的是，漫射光比例（DR）的贡献在HR区秋季达28.4%，印证了其“施肥效应”。

3.2 光合限制的时空特征
光合限制分析显示，LR区番茄在春季主要受光限制（L_lim
占34.3%）和生化限制（B_lim
占22.8%），秋季则以B_lim
（26.8%）为主。中层和下层叶片限制程度随生育期加剧，提示人工补光需在生长中期启动。

3.3 优化情景的增效潜力

• 光合参数改良（S1）：提升光量子效率（Φ_PSII
  ）和最大电子传递速率（J_max
  ）可使ACP增加7.6%，显著高于羧化效率（V_cmax
  ）改良（<1%）。组合优化（Φ_PSII
  +J_max
  +V_cmax
  ）增效达16.1%，且上层叶片贡献占55%。
• 植株布局调整（S2）：均匀行距（UR）模式在最小行距（80+39.9 cm）下ACP提升8.8%，优于非均匀行距（NUR）。东西行向在春季因遮阴导致负增效，南北行向优势显著。
• 薄膜雾度提升（S3）：雾度增至80%时，HR区春季ACP仅增2.3%，且ACL（累积吸光量）下降1.8%，表明低LAI下漫射光增效有限。

结论与意义
该研究首次系统解析了多气候区温室番茄冠层光合作用的限制层级，提出J_max
和Φ_PSII
为分子育种的关键靶点，并明确了行距优化和补光策略的时空适用性。模型框架为其他园艺作物的光合增效研究提供了范式，而关于薄膜雾度与LAI互作的发现，为温室覆盖材料设计提供了新思路。未来需结合动态生长模型和表型组技术（如LiDAR），进一步提升预测精度与应用广度。