和植物“對(duì)話”，懂得它們的“喜怒哀樂(lè)”,，知道它們的溫飽冷暖,，植物們不再被動(dòng)地接受“照顧”，而是主動(dòng)講述它的需求……在江蘇大學(xué)的一座玻璃溫室里,，農(nóng)業(yè)工程學(xué)院教授毛罕平的研究團(tuán)隊(duì)似乎獲得了一項(xiàng)“特殊能力”。
近日,，毛罕平主持的江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備學(xué)部項(xiàng)目“基于與植物對(duì)話的設(shè)施環(huán)境智慧管控機(jī)理”順利通過(guò)驗(yàn)收,，并獲得優(yōu)秀等級(jí)。該項(xiàng)目的成功驗(yàn)收標(biāo)志著該團(tuán)隊(duì)在溫室環(huán)境控制研究方面獲得重大進(jìn)展,。
設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展需“更上一層樓”
“智能溫室是設(shè)施農(nóng)業(yè)中的高級(jí)類(lèi)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,。”毛罕平說(shuō),，一定程度上這是用計(jì)算機(jī)代替人手去按開(kāi)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,，首先依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定目標(biāo)參數(shù)（如室內(nèi)的溫濕度,、光照等），控制器根據(jù)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)結(jié)果與目標(biāo)參數(shù)之間的差距做出決策,，通過(guò)環(huán)境調(diào)節(jié)裝備開(kāi)閉來(lái)達(dá)到目標(biāo)值,，這是目前國(guó)內(nèi)溫室普遍采用的相對(duì)粗放式的智能化管理模式。其蘊(yùn)含的技術(shù)水平,、帶來(lái)的作物產(chǎn)量與荷蘭等發(fā)達(dá)國(guó)家相比,，都有不小的差距。
以西紅柿種植為例，國(guó)內(nèi)一般的溫室大棚,，西紅柿產(chǎn)量每平方米為15公斤左右,，但荷蘭能到達(dá)60至70公斤?！坝捎诘乩?、氣候、農(nóng)藝和經(jīng)濟(jì)差異較大,，照搬照抄荷蘭先進(jìn)技術(shù)的路子行不通,。”毛罕平說(shuō),。
因此,，毛罕平認(rèn)為國(guó)外先進(jìn)技術(shù)不能適應(yīng)我國(guó)現(xiàn)狀，必須依靠自主創(chuàng)新,?！皣?guó)內(nèi)的溫室要發(fā)揮效應(yīng)，必須要探索科學(xué),、適用的溫室環(huán)境控制技術(shù),，通過(guò)優(yōu)化溫室環(huán)境調(diào)控方法來(lái)改善作物的生產(chǎn)條件，提高能源利用效率,，降低能耗,，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)施作物的高產(chǎn)高效?！彼f(shuō),。
現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)以有效調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)環(huán)境的功能見(jiàn)長(zhǎng)，毛罕平認(rèn)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(shuō)，“如果不按照植物真實(shí)的動(dòng)態(tài)需求信息進(jìn)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(méi)有被充分挖掘，不僅不能高產(chǎn),，而且會(huì)增加生產(chǎn)成本、能耗,，甚至帶來(lái)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),。”
讓植物“開(kāi)口說(shuō)話”,，通俗地講,，為的就是真實(shí)感知植物什么時(shí)候餓了、渴了，胖了還是瘦了,，之后根據(jù)其生長(zhǎng)的實(shí)際需要進(jìn)行精準(zhǔn)控制,。
團(tuán)隊(duì)中從事多源光信息的作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)研究的農(nóng)業(yè)工程學(xué)院副研究員張曉東告訴記者，聽(tīng)懂植物“語(yǔ)言”,，奧秘就在于植物生命信息感知技術(shù),。要想實(shí)現(xiàn)和植物“對(duì)話”，首先必須精準(zhǔn)有效地采集影響植物生長(zhǎng)的土壤養(yǎng)分,、氣象環(huán)境以及植物營(yíng)養(yǎng),、長(zhǎng)勢(shì)數(shù)據(jù)等。
水分或各類(lèi)營(yíng)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(jìn)行植物信息檢測(cè)是實(shí)驗(yàn)室里的常見(jiàn)方法,。
“但在溫室環(huán)境中,，即便是頭頂飄來(lái)的一片云，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)檢測(cè)信息的變化,?！睆垥詵|說(shuō)，受光照,、溫濕度,、地面蒸騰以及獲取主體信息時(shí)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(tuán)隊(duì)采用視覺(jué)、光譜,、偏振等多源信息融合技術(shù),，突破對(duì)溫室作物氮磷鉀營(yíng)養(yǎng)、水分,、植株形態(tài),、品質(zhì)和病蟲(chóng)害信息的感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)信息的全面,、實(shí)時(shí),、全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
經(jīng)國(guó)家法定檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè),，該技術(shù)對(duì)作物氮含量檢測(cè)精度達(dá)98.3％,，磷鉀水平的檢測(cè)相關(guān)系數(shù)為0.9，顯著高于國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平,；作物冠幅,、株高,、莖粗和果實(shí)直徑檢測(cè)誤差分別為1.3％、1.6％,、4.2％,、4.7％，國(guó)內(nèi)外無(wú)同類(lèi)技術(shù),。
智能檢測(cè)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“缺啥補(bǔ)啥”的問(wèn)題是團(tuán)隊(duì)面臨的又一關(guān)鍵技術(shù)難題,。
團(tuán)隊(duì)成員農(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(shuō)，“由于溫室環(huán)境的控制過(guò)程極其復(fù)雜,，具有變量多,、耦合強(qiáng)、干擾大等特點(diǎn),，一套科學(xué)適用的智能控制系統(tǒng)如同一個(gè)‘超級(jí)大腦’,。”
如何建立集作物生長(zhǎng)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(shí)間一般不超過(guò)15分鐘,，作物連續(xù)緩慢生長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間卻長(zhǎng)達(dá)24小時(shí),，二者如何優(yōu)化匹配？如何實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)組分的精確調(diào)配,？如何實(shí)現(xiàn)基于多目標(biāo)的優(yōu)化控制,？……左志宇表示，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)十余年的深入研究,，研發(fā)的“超級(jí)大腦”先后解決了上述難題,，才完成了基于與植物對(duì)話的溫室環(huán)境智慧管控系統(tǒng)的研發(fā)工作。
實(shí)現(xiàn)智能化需要內(nèi)外兼修
實(shí)際上,，自1995年起,，毛罕平便帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先瞄準(zhǔn)智能化溫室開(kāi)展研究。多年的研究成果為基于與植物對(duì)話的設(shè)施環(huán)境智慧管控研究打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),。
“作物信息的檢測(cè),、作物生長(zhǎng)模型庫(kù)的建立、多目標(biāo)的優(yōu)化控制……都需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并加以驗(yàn)證,?！泵逼教寡裕谙奶?0攝氏度的試驗(yàn)溫室里“蒸桑拿”,，在數(shù)九寒天通宵達(dá)旦地“喝西北風(fēng)”,，一路走來(lái)，失敗是必經(jīng)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(huì)有水到渠成的收獲,。
如今毛罕平團(tuán)隊(duì)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(guó)外技術(shù)、高端溫室大量進(jìn)口的局面,。以番茄,、黃瓜為例，在該管控方法下,，與國(guó)內(nèi)引進(jìn)的荷蘭最先進(jìn)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,。
然而，不論是作物信息感知技術(shù)還是溫室環(huán)境控制技術(shù),，相應(yīng)的裝備是保障,，技術(shù)與裝備的完美融合，才能真正實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的智能化,。因此,，配套的設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備也亟須跟進(jìn)。
經(jīng)過(guò)不懈努力,，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)設(shè)施作物營(yíng)養(yǎng)和長(zhǎng)勢(shì)信息的在線檢測(cè)裝備,、水肥精確管理裝備、屋頂全開(kāi)啟型自適應(yīng)遮陽(yáng)溫室,、半封閉正壓溫室等7種裝備,，構(gòu)成的大型綠色溫室和環(huán)境智慧管控裝備，經(jīng)用戶使用,，相較于傳統(tǒng)溫室,，能耗降低20％，節(jié)藥30％,，提高產(chǎn)量25％以上,。
對(duì)于應(yīng)用型學(xué)科來(lái)講，毛罕平團(tuán)隊(duì)設(shè)法解決的卻不僅僅只有科學(xué)問(wèn)題,，團(tuán)隊(duì)心中始終裝著關(guān)于市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化的想法,。
記者了解到，團(tuán)隊(duì)多年來(lái)積極推進(jìn)成果轉(zhuǎn)化工作,，目前研究成果已進(jìn)行了大規(guī)模推廣應(yīng)用,，在全國(guó)31個(gè)省市都有推廣應(yīng)用和示范點(diǎn),。近三年累計(jì)推廣設(shè)施園藝工程面積445.13萬(wàn)平方米。近兩年新增銷(xiāo)售額21.08億元,，新增利潤(rùn),、稅收和節(jié)支總額6.46億元。
“通過(guò)長(zhǎng)期攻關(guān),，溫室環(huán)境控制技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)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(shè)想是,，未來(lái)的智能化溫室能夠幫助更多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者實(shí)現(xiàn)“傻瓜式”種植管理,，只需一個(gè)按鍵即可完成從種子到產(chǎn)品的生產(chǎn)全過(guò)程，使之成為真正高效率,、高產(chǎn)出,、高質(zhì)量、勞動(dòng)強(qiáng)度低的智能化生產(chǎn),。
文章來(lái)源：農(nóng)民日?qǐng)?bào) 2021年8月20日7版
文章鏈接：https://szb.farmer.com.cn/2021/20210820/20210820_007/20210820_007_1.htm
