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與植物“對話”讓設施農業更智能

來源/作者: 高雅晶 記者 顏旭

與植物“對話”讓設施農業更智能

江蘇大學毛罕平團隊研發的作物生長信息和病蟲害無損探測裝備。 資料圖

和植物“對話”,懂得它們的“喜怒哀樂”,知道它們的溫飽冷暖,植物們不再被動地接受“照顧”,而是主動講述它的需求……在江蘇大學的一座玻璃溫室里,農業工程學院教授毛罕平的研究團隊似乎獲得了一項“特殊能力”。

近日,毛罕平主持的江蘇大學農業裝備學部項目“基于與植物對話的設施環境智慧管控機理”順利通過驗收,并獲得優秀等級。該項目的成功驗收標志著該團隊在溫室環境控制研究方面獲得重大進展。

設施農業發展需“更上一層樓”

“智能溫室是設施農業中的高級類型。然而,當下各地興起的一些智能溫室示范基地,更多還是依靠基于設定值的溫室環境控制方法。”毛罕平說,一定程度上這是用計算機代替人手去按開關而已,還不能算作真正意義上的智能化。

據毛罕平介紹,首先依據經驗設定目標參數(如室內的溫濕度、光照等),控制器根據檢測到的實時結果與目標參數之間的差距做出決策,通過環境調節裝備開閉來達到目標值,這是目前國內溫室普遍采用的相對粗放式的智能化管理模式。其蘊含的技術水平、帶來的作物產量與荷蘭等發達國家相比,都有不小的差距。

以西紅柿種植為例,國內一般的溫室大棚,西紅柿產量每平方米為15公斤左右,但荷蘭能到達60至70公斤。“由于地理、氣候、農藝和經濟差異較大,照搬照抄荷蘭先進技術的路子行不通。”毛罕平說。

因此,毛罕平認為國外先進技術不能適應我國現狀,必須依靠自主創新。“國內的溫室要發揮效應,必須要探索科學、適用的溫室環境控制技術,通過優化溫室環境調控方法來改善作物的生產條件,提高能源利用效率,降低能耗,從而實現設施作物的高產高效。”他說。

讓植物“開口說話”

現代設施農業以有效調節作物生長環境的功能見長,毛罕平認為,調控的首要任務應該是了解作物需求。

毛罕平解釋說,“如果不按照植物真實的動態需求信息進行反饋控制,比如傳統的大水大肥灌溉模式下,作物產量潛力沒有被充分挖掘,不僅不能高產,而且會增加生產成本、能耗,甚至帶來環境風險。”

讓植物“開口說話”,通俗地講,為的就是真實感知植物什么時候餓了、渴了,胖了還是瘦了,之后根據其生長的實際需要進行精準控制。

團隊中從事多源光信息的作物長勢監測研究的農業工程學院副研究員張曉東告訴記者,聽懂植物“語言”,奧秘就在于植物生命信息感知技術。要想實現和植物“對話”,首先必須精準有效地采集影響植物生長的土壤養分、氣象環境以及植物營養、長勢數據等。

水分或各類營養元素脅迫下,不同葉片的結構、紋理甚至表面溫度等是發生變化的。依據此特性進行植物信息檢測是實驗室里的常見方法。

“但在溫室環境中,即便是頭頂飄來的一片云,都會導致整個檢測信息的變化。”張曉東說,受光照、溫濕度、地面蒸騰以及獲取主體信息時的其他背景因素的影響,如何克服影響建立相應的修正模型才是關鍵。

為此,團隊采用視覺、光譜、偏振等多源信息融合技術,突破對溫室作物氮磷鉀營養、水分、植株形態、品質和病蟲害信息的感知,實現對作物生長信息的全面、實時、全程動態監測。

經國家法定檢測機構檢測,該技術對作物氮含量檢測精度達98.3%,磷鉀水平的檢測相關系數為0.9,顯著高于國外先進技術水平;作物冠幅、株高、莖粗和果實直徑檢測誤差分別為1.3%、1.6%、4.2%、4.7%,國內外無同類技術。

智能檢測與控制技術是智能化設施農業生產的前端和后端。信息感知后,解決作物“缺啥補啥”的問題是團隊面臨的又一關鍵技術難題。

團隊成員農業工程學院副教授左志宇一直從事設施農業環境控制技術研究,他說,“由于溫室環境的控制過程極其復雜,具有變量多、耦合強、干擾大等特點,一套科學適用的智能控制系統如同一個‘超級大腦’。”

如何建立集作物生長模型、環境控制模型、成本模型等為一體的綜合溫室調控模型?溫室環境間歇快速變化的響應時間一般不超過15分鐘,作物連續緩慢生長的響應時間卻長達24小時,二者如何優化匹配?如何實現營養組分的精確調配?如何實現基于多目標的優化控制?……左志宇表示,團隊經過十余年的深入研究,研發的“超級大腦”先后解決了上述難題,才完成了基于與植物對話的溫室環境智慧管控系統的研發工作。

實現智能化需要內外兼修

實際上,自1995年起,毛罕平便帶領科研團隊在國內率先瞄準智能化溫室開展研究。多年的研究成果為基于與植物對話的設施環境智慧管控研究打下了堅實基礎。

“作物信息的檢測、作物生長模型庫的建立、多目標的優化控制……都需要大量實驗數據并加以驗證。”毛罕平坦言,在夏天50攝氏度的試驗溫室里“蒸桑拿”,在數九寒天通宵達旦地“喝西北風”,一路走來,失敗是必經的坎坷,也少不了“板凳要坐十年冷”的積累,但積累夠了,自然會有水到渠成的收獲。

如今毛罕平團隊構建的溫室環境智慧管控的核心技術體系,成功改變了環境控制基本沿用國外技術、高端溫室大量進口的局面。以番茄、黃瓜為例,在該管控方法下,與國內引進的荷蘭最先進的溫室相比,產量接近,但能耗降低20%以上、節水節肥25%以上。

然而,不論是作物信息感知技術還是溫室環境控制技術,相應的裝備是保障,技術與裝備的完美融合,才能真正實現設施農業的智能化。因此,配套的設施農業裝備也亟須跟進。

經過不懈努力,團隊創新研發設施作物營養和長勢信息的在線檢測裝備、水肥精確管理裝備、屋頂全開啟型自適應遮陽溫室、半封閉正壓溫室等7種裝備,構成的大型綠色溫室和環境智慧管控裝備,經用戶使用,相較于傳統溫室,能耗降低20%,節藥30%,提高產量25%以上。

對于應用型學科來講,毛罕平團隊設法解決的卻不僅僅只有科學問題,團隊心中始終裝著關于市場化和產業化的想法。

記者了解到,團隊多年來積極推進成果轉化工作,目前研究成果已進行了大規模推廣應用,在全國31個省市都有推廣應用和示范點。近三年累計推廣設施園藝工程面積445.13萬平方米。近兩年新增銷售額21.08億元,新增利潤、稅收和節支總額6.46億元。

“通過長期攻關,溫室環境控制技術取得了長足進步,但要想加快科技成果普及推廣,取得更高水平的成果,依然需要久久為功。”毛罕平的設想是,未來的智能化溫室能夠幫助更多農業生產者實現“傻瓜式”種植管理,只需一個按鍵即可完成從種子到產品的生產全過程,使之成為真正高效率、高產出、高質量、勞動強度低的智能化生產。

發布時間:2021-08-20 提交人:總站信息處 芒芒 責任編輯:總站信息處 劉玉
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