不同机械化种植布局下温室番茄冠层光环境与光合作用及果实综合性能的优化研究

为解决温室蔬菜机械化程度低、光能利用率不足等问题，研究人员通过两年田间试验结合三维冠层光合模型，系统评估了高(HPD, 4.55株·m-2)低(LPD, 3.13株·m-2)种植密度下南北(SN)与东西(EW)行向布局对番茄冠层光吸收(ACL)、光合作用(ACP)及果实品质的影响。研究发现E2布局(窄行60cm)在两种密度下均能实现最优光均匀性(UCLP)和果实综合性能(TOPSIS评价)，为设施园艺机械化生产提供了重要决策支持。

　　

温室蔬菜生产在现代农业中占据重要地位，但我国温室蔬菜的机械化水平仅为30%，严重制约产业发展。如何构建光合高效且适合机械化操作的植株布局，成为提升果实产量和品质的关键农艺措施。然而，植物与环境复杂的互作机制，以及冠层微环境时空异质性，使得优化植株布局面临巨大挑战。

西北农林科技大学的研究团队通过两年田间试验，结合创新的三维冠层光合模型，系统评估了不同机械化种植布局对番茄生长的影响。研究在塑料薄膜温室中进行，设置高低两种种植密度(HPD 4.55株·m^-2和LPD 3.13株·m^-2)，每种密度下又分南北(SN)和东西(EW)行向，各包含三种行距组合。研究人员利用三维数字化仪获取植株器官空间坐标，在GroIMP平台重建虚拟群体，耦合辐射传输模型与扩展的光合生化模型(FvCB模型)，量化了整个生长季冠层光吸收(ACL)、光合作用(ACP)和光均匀性(UC_LP)。同时测定单果重(SFW)、可溶性固形物(TSS)等品质指标，采用层次分析(AHP)和熵权法(EM)确定权重，结合逼近理想解排序法(TOPSIS)进行综合评价。

关键技术包括：1) 基于Fastrak三维数字化仪的冠层结构重建；2) 整合PROSPECT-5模型的叶片光学参数计算；3) 耦合FvCB光合模型与Penman-Monteith蒸腾模型的生理过程模拟；4) 基于SPAD-氮含量关系的叶片光合参数预测；5) 采用逆蒙特卡洛路径追踪算法的光环境模拟。

研究结果显示：

1. 模型校准与验证：建立的模型对光合有效辐射(PPFD)和净光合速率(A_n)的模拟R²>0.87，RMSE分别为0.07 mmol·m^-2·s^-1和1.7 μmol·m^-2·s^-1。

2. 植株形态生理差异：S2处理(窄行60cm)在中上部叶位(9-17叶序)表现出显著更大的叶面积和单位叶面积氮含量(N_a)，而S3/E3处理在下部叶位(1-8叶序)更具优势。

3. 冠层光能利用特征：HPD下S2处理ACL最高(590.9 mol·plant^-1)，而E2处理光均匀性最佳(UC_LP=42.5%)；EW行向处理的群体光均匀性(UC_LC)显著高于SN行向。

4. 果实性能比较：S2处理的单果重最大(163.5g)，但E2处理在果实综合品质(CFQ=4.46)和均匀性(UC_CFQ=63.2%)上表现最优，TOPSIS综合评价排名第一。

5. 光环境与果实相关性：HPD下下层冠层ACL与SFW、TSS相关性最强(r>0.7)，LPD下中层冠层相关性最显著；光均匀性UC_LP与果实均匀性呈正相关。

研究结论指出，E2布局(90cm+60cm+30cm for HPD，120cm+60cm+36cm for LPD)在EW行向下能最优平衡光能利用与果实品质，是塑料薄膜温室番茄机械化种植的推荐配置。特别值得注意的是，该研究首次量化了不同冠层位置光环境与果实指标的相关性，发现HPD应重点优化下层冠层光分布，而LPD需关注中层冠层，这为通过育种和栽培措施定向调控植株结构提供了精确靶点。论文发表在《Horticultural Plant Journal》，为设施蔬菜智能化生产提供了理论依据和技术支撑。