植物工厂中光周期策略对番茄幼苗生长模型的构建及经济效益优化研究

推荐：本研究针对植物工厂(PFALs)中番茄育苗效率优化问题，通过比较岩棉与椰糠基质及12/16/20 h光周期处理，发现袋装椰糠通过提高根区温度促进生物量积累，20 h光周期显著增加株高(205.2%)和叶面积。采用GBDT模型(R2=0.972)实现生长预测，提出12-20 h组合光周期策略可降低能耗21.18%，为设施农业智能化管理提供新范式。

　　

随着全球人口增长和气候变化加剧，传统农业面临土地资源紧张、环境污染等挑战。植物工厂(PFALs)作为设施农业的高级形态，通过精准控制光温湿等环境参数实现高效生产，但其60%的能耗来自人工照明，如何优化光能利用成为关键科学问题。番茄(Solanum lycopersicum L.)作为全球重要经济作物，其工厂化育苗存在光周期响应机制不明确、生长预测模型精度不足等问题。

上海市农业科学院国家设施农业工程技术研究中心崇明基地的研究团队在《Horticultural Plant Journal》发表研究，通过比较岩棉、袋装椰糠和自制椰糠三种基质，结合12/16/20 h光周期处理，系统分析了番茄幼苗生长规律。采用手持光谱仪(LIGHTING PASSPORT)测量光合光子通量密度(PPFD)，通过温度记录仪(DL-W111)监测根区温度，并运用五种机器学习算法构建生长预测模型。最终提出动态光周期策略，实现能耗降低与经济效益的双重优化。

3.1 袋装椰糠促进番茄幼苗生长
研究发现袋装椰糠根区温度较岩棉高1.47°C，使20 h光周期下地上部鲜重增加54.9%。其塑料包装结构具有更好的保水性和隔热性，显著提高根区水分含量(21.26 vs 19.79°C)。

3.2 延长光周期增强生物量积累
20 h光周期处理使株高、茎粗和叶面积显著增加，且根冠比保持稳定。与12 h处理相比，20 h光周期使地上部干重增加221.5%，表明光周期主要通过延长光合作用时间而非改变资源分配策略促进生长。

3.4 光周期影响发育时序
双指数模型拟合显示，20 h光周期后期生长速率(1/0.55)显著高于16 h(1/2.23)。真叶展开后光周期效应凸显，第三真叶出现时间较12 h处理提前4天。

3.5 机器学习模型精准预测
GBDT模型对株高预测R²达0.9999，特征重要性分析显示累积光强度(CLI)对茎粗预测贡献度达47.3%，而生长天数对株高预测权重占61.8%。

3.6 经济效益优化
12-20 h组合策略使年产批次达21.47批，较单一20 h处理节能21.18%。当幼苗售价超过2.3倍基准价时，该策略可实现最大年收益。

该研究首次将光周期-生长模型-经济效益三者耦合，突破传统生长模型仅依赖环境参数的局限。通过GBDT算法实现多因子协同预测，为植物工厂动态光调控提供量化工具。提出的短-长光周期组合策略，验证了从生理预测到经济优化的模型转化可行性，对设施农业智能化管理具有重要实践意义。未来可结合光谱-代谢组学数据，进一步解析光信号-激素网络的调控权重，提升模型在复杂环境下的普适性。