基于随机森林—贝叶斯优化的设施黄瓜生长模型研究

摘 要： 为解决当前设施黄瓜生产水平不高，设施环境难以精准调控、智能化应用不足等问题，本研究基于山东农业大学科技创新园园艺实验站日光温室内的环境数据和黄瓜生长数据，采用随机森林-贝叶斯优化算法（RF-BO）构建设施黄瓜定植期、伸蔓期、初花期及采收期生长模拟模型，并与随机森林（RF）算法建立的生长模型进行对比分析，结果表明：基于RF-BO构建的设施黄瓜生长模型在设施黄瓜各发育期的模拟效果均优于RF算法构建的设施黄瓜生长模型，各发育期生长模型的决定系数R2均在0.9 以上，均方根误差RMSE范围在0.121～0.317 之间，平均绝对误差MAE范围在0.096～0.221 之间，可较为准确模拟设施黄瓜的生长动态过程。本研究所构建的设施黄瓜生长模型亦可为其他园艺蔬菜或作物的生长预测提供参考，从而为环境精准调控农业生产提供更加科学、可行的决策依据。

关键词： 设施黄瓜；生长模型；RF-BO算法

中图法分类号： S642.2 文献标识码： A 文章编号： 1000-2324（2024）03-0314-08

黄瓜作为主要的设施蔬菜品种，在中国的农产品市场中扮演着重要的角色，其在农业结构调整和农民增收方面的作用日益突显。然而，目前设施黄瓜的种植存在栽培管理技术落后、智能化应用不足等问题［1］。作物生长模型是基于科学原理和数学关系的一种定量化工具，可以评估温室内土壤、微气候、水分和管理因素对作物生长发育的影响程度，预测作物生长状况［2］。近年来，Fang［3］利用Logistic 曲线建立了积温与番茄株高、果实干物质等性状的关系模型；Wei［4］利用支持向量回归算法建立了黄瓜光合速率预测模型，为黄瓜全生育期光合速率的预测提供了理论解决方案；马二磊等［5］基于Logistic 方程拟合分析了生长天数与甜瓜生长发育的关系；雷涛等［6］采用Logistic 模型对水分－沸石量－埋深耦合条件下番茄生长动态特征进行了研究，并揭示了各因素对番茄物候期参数和生长参数的影响；为了实现番茄的稳产高产，建立了番茄温室环境因素监控系统，并将大数据统筹技术应用于优化番茄种植环境因素，唐磊等［7］以温度、相对湿度、光照强度为环境因素建立了在不同生长期番茄干物质积累模型；张传帅等［8］采用偏最小二乘回归分析法建立了环境参数对番茄茎直径微变的影响模型；为了科学掌握微气候特征，探明微气候适宜度指数与番茄生长速率的关系，郭申伯等［9］基于微气候适宜度指数构建了番茄生长速率模拟模型；陈晨等［10］基于Logistic 模型对不同覆膜方式和不同颜色地膜覆盖对辣椒株高、果实生长及产量的影响进行了模拟；为解决温室黄瓜株高生长模拟模型经验因子较多和实用性不强的问题，翟子鹤等［11］基于梯度提升算法建立了温室黄瓜株高生长模拟模型；段光俊等［12］采用Logistic 回归、岭回归和支持向量回归3 种算法，基于有效积温构建了生菜生长模型；王渊龙等［13］基于逐步—主成分回归的方法构建了设施番茄果期生长模型，拟合效果较好；刘新英等［14］以CO2浓度和营养液含氮量为自变量，利用多元线性回归方法建立了番茄全周期的光合速率预测模型；赵坤等［15］利用Logistic方程基于定植天数分别对设施番茄地上部株高、茎粗、叶长、叶宽以及叶面积指数的生长动态过程进行了拟合，为后期番茄生产种植过程中的数字化管理提供了科学依据；崔晓晗等［16］发现高温、CO2加富对黄瓜生长具有促进作用；李若婵等［17］通过实验得知一定程度的补光光强及补光时间有利于黄瓜的生长发育；杨立［18］发现空气相对湿度对于黄瓜生长发育具有较强的影响。

综上所述，温度、湿度、光照强度、CO2浓度等环境因子的变化皆对作物的生长发育具有较强的影响，而目前学者多以单个或少数几个环境因子作为模型的输入，未能综合考虑较多环境因子耦合对作物生长发育的影响，且我国对园艺作物模型的研究主要以番茄等作为研究对象，对黄瓜的生长模拟研究较少。参考洪苗等［19］的研究结论可知，黄瓜在采收期之前最为重要的生长指标为叶面积，而采收期最为重要的生长指标毫无疑问为产量。本研究提出随机森林-贝叶斯优化算法（Random Forest-Bayesian optimization， RFBO），综合考虑有效积温、温差、湿度、CO2浓度、光照强度、日照时数等环境因素，对黄瓜采收期前的叶面积生长情况及采收期产量进行模拟，构建设施黄瓜各发育时期生长模拟模型，以期为设施黄瓜的栽培管理及设施内的环境调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验于2023 年9 月开始在山东省泰安市山东农业大学科技创新园园艺实验站日光温室内进行。试验温室呈东西走向，长50 m，宽10 m，脊高3.5 m，净面积500 m2，为钢架结构。棚膜采用适宜黄瓜生长的专用无滴膜，温室的顶部和底部设有通风口。试验以秋冬季黄瓜为材料，选用嫁接品种“瑞青”，该品种生长势头强劲，果实膨大速度快，具备良好的低温抗性和抗病性，适宜于春季、秋季保护地和温室栽培。于2023 年9 月2 日定植第一批，2023 年9 月9 日定植第二批，2023 年9 月16 日定植第三批，定植时嫁接苗全部为两叶一心，每批种植120 株，行距80 cm，株距40 cm。灌溉采用双行滴灌带，滴箭插至幼苗根部附近。各批次黄瓜定植后统一进行水肥管理，用量按照园区常规管理方式，本试验未做特殊处理。设施黄瓜各定植批次发育期观测情况如表1所示。