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(yè)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(yè)裝備學部項目“基于與植物對話的設施環(huán)境智慧管控機理”順利通過驗收，并獲得優(yōu)秀等級。該項目的成功驗收標志著該團隊在溫室環(huán)境控制研究方面獲得重大進展。
設施農業(yè)發(fā)展需“更上一層樓”
“智能溫室是設施農業(yè)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(huán)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(huán)境調節(jié)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(fā)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(chuàng)新。“國內的溫室要發(fā)揮效應，必須要探索科學、適用的溫室環(huán)境控制技術，通過優(yōu)化溫室環(huán)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(yè)以有效調節(jié)作物生長環(huán)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(tài)需求信息進行反饋控制，比如傳統(tǒng)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(huán)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(jiān)測研究的農業(yè)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(yǎng)分、氣象環(huán)境以及植物營養(yǎng)、長勢數據等。
水分或各類營養(yǎng)元素脅迫下，不同葉片的結構、紋理甚至表面溫度等是發(fā)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(huán)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(yǎng)、水分、植株形態(tài)、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(tài)監(jiān)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(yè)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(yè)工程學院副教授左志宇一直從事設施農業(yè)環(huán)境控制技術研究，他說，“由于溫室環(huán)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(tǒng)如同一個‘超級大腦’。”
如何建立集作物生長模型、環(huán)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(huán)境間歇快速變化的響應時間一般不超過15分鐘，作物連續(xù)緩慢生長的響應時間卻長達24小時，二者如何優(yōu)化匹配？如何實現營養(yǎng)組分的精確調配？如何實現基于多目標的優(yōu)化控制？……左志宇表示，團隊經過十余年的深入研究，研發(fā)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(huán)境智慧管控系統(tǒng)的研發(fā)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(huán)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(yōu)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(huán)境智慧管控的核心技術體系，成功改變了環(huán)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(jié)水節(jié)肥25％以上。
然而，不論是作物信息感知技術還是溫室環(huán)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(yè)的智能化。因此，配套的設施農業(yè)裝備也亟須跟進。
經過不懈努力，團隊創(chuàng)新研發(fā)設施作物營養(yǎng)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(huán)境智慧管控裝備，經用戶使用，相較于傳統(tǒng)溫室，能耗降低20％，節(jié)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(yè)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(guī)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(jié)支總額6.46億元。
“通過長期攻關，溫室環(huán)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(yè)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。
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