温室番茄品质导向生产的传感监测与智能调控：从环境感知到功能品质优化的集成框架

《Agronomy》：A Peduncle-Aware Instance Segmentation and Geometric Localization Framework for Cluster Tomato Harvesting

　　

基于传感器的环境监测可提供支持温室番茄品质导向管理所需的实时测量数据。尽管传感本身并不直接改变果实生理过程，但传感器衍生信息可指导温度、光照、相对湿度、灌溉及养分管理等方面的靶向干预，从而维持或施加影响果实品质的环境条件。本综述考察了上述环境条件对番茄生物活性化合物及其他品质性状的影响，并评估了传感器网络、人工智能辅助分析、决策支持工具及自动化控制系统如何支持以营养与功能品质为导向的温室管理。重点聚焦于功能品质性状，包括番茄红素及其他类胡萝卜素、酚类化合物、维生素C和抗氧化能力，同时兼顾常规物理与感官属性。文章批判性地讨论了关键微气候因子（包括温度、光照强度与光谱组成、相对湿度和灌溉）的影响，以及传感与控制系统在维持与理想品质响应相关条件方面的作用。综述还重点介绍了集成传感系统、数据分析及决策支持工具方面的进展，这些进展使品质导向和功能驱动的温室管理成为可能。文章指出了仍存在的挑战，包括功能响应的变异性以及消费者相关健康指标整合的局限性。总体而言，将传感器衍生信息与靶向管理和控制措施相结合，有望促进明确优先考虑营养、功能、物理和感官品质的温室生产策略。

本文综述了基于传感器的温室番茄品质导向管理研究进展。引言部分指出，番茄（Solanum lycopersicum L.）是全球重要的茄科蔬菜作物，兼具显著经济价值与营养功能，其消费与多种慢性疾病风险降低相关，主要归因于番茄红素、类胡萝卜素、酚类化合物及维生素等生物活性成分。温室栽培为通过精准调控环境条件调节功能品质与感官属性提供了独特契机，而物联网传感网络、人工智能辅助分析和智能温室技术正成为实时环境优化与品质导向作物管理的重要工具。尽管已有大量研究考察单一环境因子或特定传感技术，但将温室监测与管理干预同番茄物理、营养、功能及感官品质相联系的集成性综述仍较为有限，本文即针对这一空白展开。营养与生物活性成分及抗氧化能力部分将番茄品质划分为理化品质、物理与视觉品质以及营养与生物活性成分及抗氧化能力三类。理化品质涵盖总可溶性固形物（TSS，以°Brix表示）、可滴定酸度（TA）、pH及灰分含量，其中TSS与TA的比值常被用作甜酸平衡的综合指标。物理与视觉品质包括颜色（以L*、a*、b*参数客观表征）、硬度（主要由细胞壁结构与果胶组成决定）及果实完整性（涉及裂果、瘀伤和腐烂等缺陷）。营养与生物活性成分部分系统阐述了类胡萝卜素（包括番茄红素、β-胡萝卜素、叶黄素、玉米黄质、八氢番茄红素和六氢番茄红素）、酚类化合物（包括槲皮素、芦丁、柚皮素、绿原酸、咖啡酸和阿魏酸）以及维生素C（主要以抗坏血酸及脱氢抗坏血酸形式存在）的组成、分布与健康功能，并讨论了抗氧化能力评估方法（包括DPPH、ABTS自由基清除试验和铁还原抗氧化能力测定）的机制差异与解释局限性。温室系统中番茄品质的环境驱动因素部分重点分析了温度、相对湿度、光照强度与光谱组成、水分亏缺与盐分以及CO₂浓度等参数的监测技术及其对品质的调控作用。温度直接影响光合作用、呼吸作用、酶活性、碳水化合物代谢和色素生物合成，番茄红素合成适宜温度为12–32 °C，日/夜理想温度分别为20–24 °C和18 °C；无线温度传感器、红外热传感器和物联网监测平台可实现温室与冠层水平的实时微气候数据采集。相对湿度影响气孔导度、植物水分关系及果实组织内钙分布，进而影响硬度、果实完整性和脐腐病（BER）等生理失调的发生风险，高分辨率湿度传感器结合物联网基础设施可实现湿度梯度的时空连续监测，而温度-湿度集成优化策略较单一湿度调控更为有效。光照强度与光谱组成通过隐花色素和UVR⁸受体介导的信号通路调控类胡萝卜素、羟基肉桂酸、类黄酮、维生素C及挥发性有机化合物（VOCs）的积累，量子传感器和光谱辐射计可为发光二极管（LED）强度与光谱、补光、遮荫及光周期调整提供依据。水分亏缺与盐分适度胁迫可提高TSS、糖浓度、类胡萝卜素积累和抗氧化活性，但过度胁迫会降低果实大小和产量，土壤水分传感器和电导率（EC）探头可支持自适应灌溉与施肥管理。CO₂浓度直接影响光合碳同化，应与温度、湿度、光照和水分等因素协同管理，并可与温室能源与气候控制系统集成。环境因子对温室番茄品质的影响部分进一步综合了各因子的实验证据：高温（>30 °C）抑制番茄红素合成并导致果实呈黄色或橙色，但可能提高总抗坏血酸含量；高相对湿度降低蒸汽压亏缺并改变钙分配，而开花期高温高湿会降低糖酸比、维生素C和总可溶性糖含量；紫外（UV）光（290–400 nm）可使咖啡酸、阿魏酸和对香豆酸水平提高约20%，采前补充UV-B和蓝光可改善VOCs及营养与感官品质；氮素供应对TSS的影响结果不一致，钾素可得性与TSS及番茄红素积累一般呈正相关；盐分对果实大小和可溶性固形物有显著影响，其对类胡萝卜素代谢的效应强烈依赖于果实发育阶段和品种。集成温室监测与决策支持系统部分指出，无线传感器网络、物联网平台和人工智能辅助决策支持系统可实现对温度、相对湿度、光照强度、CO₂浓度、土壤水分和养分有效性的连续监测，支持灌溉、施肥、通风、补光和气候控制策略的实时调整；智能监测平台集成物联网、无线传感器网络、云计算和人工智能技术，可结合环境监测与图像病害识别，支持真菌病害风险、蒸腾失衡和脐腐病等生理失调的早期识别。讨论与挑战及未来展望部分强调，精准环境调控可在单果品质与整体作物生产力之间实现平衡，光谱光管理在选择性增强理想VOCs方面具有显著潜力；未来数字农业、代谢组学引导的栽培、挥发性组学和预测性温室建模的发展有望进一步推动可持续、品质导向和健康驱动的番茄生产体系转型，但仍面临标准化大规模数据集有限、温室地点特异性变异、实时部署的计算约束及智能温室系统互操作性不足等挑战。