基于离散曲率的氮肥梯度下根区温度高效调控方法及其对番茄幼苗光合效率与干物质积累的优化研究

本研究针对不同氮(N)水平下植物根区温度(RZT)动态调控难题，通过番茄幼苗实验结合叶绿素荧光参数(Fv/Fo)分析，采用多项式回归与弹性网络正则化构建响应曲线，创新性引入U-chord曲率算法确定最优RZT调控区间。验证实验显示优化组根干重提升20.60%-92.30%，叶片氮磷含量显著增加，为设施农业水培作物环境智能调控提供了数据驱动新范式。

　　

研究背景
全球农业面临氮肥过量施用引发的环境污染与资源浪费双重挑战，而植物根区温度(RZT)与氮(N)吸收的协同机制尚未明晰。传统RZT调控依赖静态阈值，忽视与营养条件的动态互作，导致番茄等设施作物出现"高氮低效"现象——即便在充足氮供应下，不适宜的RZT仍会通过影响细胞膜流动性（Soualiou et al., 2022）和硝酸盐诱导基因表达（Zhang et al., 2015），显著降低氮利用效率(NUE)。西北农林科技大学的研究团队发现，现有调控模型多基于生长指标（如干物质积累）构建，但这类指标响应滞后，难以实时反映光合系统Ⅱ(PSⅡ)潜在活性变化。

技术方法
研究以水培番茄幼苗为对象，设置5个N水平(7-16 mmol·L^-1)和5个RZT梯度(16-28°C)，采用叶绿素荧光仪测定Fv/Fo（PSⅡ最大光化学效率与最小荧光比值）作为核心指标。通过多项式回归结合弹性网络正则化拟合非线性响应曲线，创新应用离散数学中的U-chord曲率算法识别曲线特征点：最大曲率点对应最优RZT，曲率增减转折点界定调控区间。验证实验对比了常规20°C与优化RZT下的生物量差异。

研究结果

1. 实验材料与栽培环境
在陕西杨凌的农业物联网重点实验室，选用普罗旺斯番茄品种，采用日本园试配方营养液进行水培。通过精确控制加热带实现±0.5°C的RZT调控精度，确保实验条件可靠性。

2. 植物生长指标表现
N与RZT互作显著影响株高和茎粗(p<0.05)。在7-16 mmol·L^-1 N范围内，植株形态指标随RZT升高呈先增后降趋势，20°C时出现峰值；而4 mmol·L^-1低氮组则表现为单调上升。这表明氮胁迫会改变植物对温度的敏感性。

3. 讨论
曲率分析揭示：高氮(16 mmol·L^-1)下最优RZT为22.3°C，调控区间20.1-24.5°C；中氮(10 mmol·L^-1)对应21.7°C和19.8-23.2°C。验证实验显示，优化组根干重最高提升92.30%，叶片氮、磷含量分别增加6.15%和8.59%，证实曲率特征点能有效捕捉PSⅡ活性转变阈值。

4. 结论
该研究首次建立基于离散曲率的N-RZT协同调控模型，突破传统静态阈值局限。通过叶绿素荧光参数的快速响应特性，实现从"经验调控"到"数据驱动"的跨越，为设施农业精准环境控制提供新思路。

意义与展望
该方法可扩展至其他营养元素与水培作物，其核心价值在于：① 通过曲率转折点识别，兼顾调控精度与操作容错性；② 将生物物理指标(Fv/Fo)与数学算法结合，建立可解释的决策模型。未来可结合物联网技术实现实时闭环调控，推动设施农业向数字化、低碳化方向发展。