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“告訴”你它的需求……在江蘇大學(xué)的一座玻璃溫室里,，農(nóng)業(yè)工程學(xué)院教授毛罕平帶領(lǐng)的研究團隊以科研力突破獲得與植物“交流”新能力,，并以此推動跨界創(chuàng)業(yè)。
近日,，毛罕平主持的江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備學(xué)部項目“基于與植物對話的設(shè)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毛罕平團隊在溫室環(huán)境控制研究方面獲得重大進展,。
目前我國設(shè)施農(nóng)業(yè)規(guī)模達400萬公頃,，占全球的80%左右，已成為設(shè)施農(nóng)業(yè)第一大國,?！爸悄軠厥沂窃O(shè)施農(nóng)業(yè)中的高級類型,。然而,，當(dāng)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(shè)定值的溫室環(huán)境控制方法,?！泵逼秸f，一定程度上這是用計算機代替人手去按開關(guān)而已,，還不能算作真正意義上的智能化,。
據(jù)毛罕平介紹，依據(jù)經(jīng)驗設(shè)定室內(nèi)溫濕度,、光照等環(huán)境參數(shù),，控制器再根據(jù)環(huán)境參數(shù)傳感器檢測的結(jié)果對比做出動作決策，通過環(huán)境調(diào)節(jié)裝備開閉來達到設(shè)定值,，這是目前國內(nèi)溫室普遍采用的相對粗放式智能化管理模式,。其蘊含的技術(shù)水平、帶來的作物產(chǎn)量與荷蘭等發(fā)達國家相比,，都有不小的差距,。
現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)以有效調(diào)節(jié)作物生長環(huán)境的功能見長，毛罕平認為調(diào)控的首要任務(wù)應(yīng)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(chǎn)量潛力沒有被充分挖掘,，不僅不能高產(chǎn),，而且會增加生產(chǎn)成本、能耗,，甚至帶來環(huán)境風(fēng)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(jù)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(nóng)業(yè)工程學(xué)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(shù)。要想實現(xiàn)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(shù)據(jù)等,。
在水分或各類營養(yǎng)元素脅迫下,，不同葉片的結(jié)構(gòu)、紋理甚至表面溫度等是發(fā)生變化的,，依據(jù)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(dǎo)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(yīng)的修正模型才是關(guān)鍵,。
為此，團隊采用視覺,、光譜,、偏振等多源信息融合技術(shù)，突破對溫室作物氮磷鉀營養(yǎng),、水分,、植株形態(tài),、品質(zhì)和病蟲害信息的感知，實現(xiàn)對作物生長信息的全面,、實時,、全程動態(tài)監(jiān)測。經(jīng)國家法定檢測機構(gòu)檢測,，該技術(shù)對作物氮含量檢測精度達98.3%,，磷鉀水平的檢測相關(guān)系數(shù)為0.9，顯著高于國外先進技術(shù)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(nèi)外無同類技術(shù),。
智能檢測與控制技術(shù)是智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前端和后端。信息感知后,，解決“作物缺什么補什么”的問題是團隊面臨的又一關(guān)鍵技術(shù)難題,。團隊中農(nóng)業(yè)工程學(xué)院副教授左志宇一直從事設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制技術(shù)研究，他說,，“由于溫室環(huán)境的控制過程極其復(fù)雜,，具有變量多、耦合強,、干擾大等特點,，一套科學(xué)適用的智能控制系統(tǒng)如同一個‘超級大腦’,?！?/p>
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(diào)控模型,？溫室環(huán)境間歇快速變化的響應(yīng)時間一般不超過15分鐘，作物連續(xù)緩慢生長的響應(yīng)時間卻長達24小時,，二者如何優(yōu)化匹配,？如何實現(xiàn)營養(yǎng)組分的精確調(diào)配？如何實現(xiàn)基于多目標的優(yōu)化控制,？左志宇表示,，團隊經(jīng)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,。
“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……都需要大量實驗來獲取數(shù)據(jù)并加以驗證,?！泵逼教寡裕谙奶?0攝氏度的試驗溫室里“蒸桑拿”,，在數(shù)九寒天通宵達旦地“喝西北風(fēng)”,，一路走來，失敗是必經(jīng)的坎坷,，也少不了“板凳要坐十年冷”的積累,，積累夠了，自然會有水到渠成的收獲,。
如今毛罕平團隊構(gòu)建的溫室環(huán)境智慧管控的核心技術(shù)體系,，成功改變了環(huán)境控制基本沿用國外技術(shù)、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(nèi)引進的荷蘭最先進的溫室相比,，產(chǎn)量接近，但能耗降低20%以上,、節(jié)水節(jié)肥25%以上,。
“通過長期攻關(guān)，溫室環(huán)境控制技術(shù)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,?！泵逼降脑O(shè)想是，未來的智能化溫室能夠幫助更多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者實現(xiàn)“傻瓜式”種植管理,，只需一個按鍵即可完成從種子到產(chǎn)品的生產(chǎn)全過程,，使之成為真正高效率、高產(chǎn)出,、高質(zhì)量,、勞動強度低的智能化生產(chǎn)。
文章來源：《新華日報》2021年6月30日18版
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