和植物“對話(huà)”，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，農業(yè)工程學(xué)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(xué)農業(yè)裝備學(xué)部項目“基于與植物對話(huà)的設施環(huán)境智慧管控機理”順利通過(guò)驗收，并獲得優(yōu)秀等級。該項目的成功驗收標志著(zhù)該團隊在溫室環(huán)境控制研究方面獲得重大進(jìn)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(lèi)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(shuō)，一定程度上這是用計算機代替人手去按開(kāi)關(guān)而已，還不能算作真正意義上的智能化。
據毛罕平介紹，首先依據經(jīng)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(shí)時(shí)結果與目標參數之間的差距做出決策，通過(guò)環(huán)境調節裝備開(kāi)閉來(lái)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(shù)水平、帶來(lái)的作物產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)濟差異較大，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，毛罕平認為國外先進(jìn)技術(shù)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(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)現設施作物的高產(chǎn)高效。”他說(shuō)。
讓植物“開(kāi)口說(shuō)話(huà)”
現代設施農業(yè)以有效調節作物生長(cháng)環(huán)境的功能見(jiàn)長(cháng)，毛罕平認為，調控的首要任務(wù)應該是了解作物需求。
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。”
讓植物“開(kāi)口說(shuō)話(huà)”，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，之后根據其生長(cháng)的實(shí)際需要進(jìn)行精準控制。
團隊中從事多源光信息的作物長(cháng)勢監測研究的農業(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)現和植物“對話(huà)”，首先必須精準有效地采集影響植物生長(cháng)的土壤養分、氣象環(huán)境以及植物營(yíng)養、長(cháng)勢數據等。
水分或各類(lèi)營(yíng)養元素脅迫下，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(jìn)行植物信息檢測是實(shí)驗室里的常見(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 )導致整個(gè)檢測信息的變化。”張曉東說(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的修正模型才是關(guān)鍵。
為此，團隊采用視覺(jué)、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(yíng)養、水分、植株形態(tài)、品質(zhì)和病蟲(chóng)害信息的感知，實(shí)現對作物生長(cháng)信息的全面、實(shí)時(shí)、全程動(dòng)態(tài)監測。
經(jīng)國家法定檢測機構檢測，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)系數為0.9，顯著(zhù)高于國外先進(jìn)技術(shù)水平；作物冠幅、株高、莖粗和果實(shí)直徑檢測誤差分別為1.3％、1.6％、4.2％、4.7％，國內外無(wú)同類(lèi)技術(shù)。
智能檢測與控制技術(shù)是智能化設施農業(yè)生產(chǎn)的前端和后端。信息感知后，解決作物“缺啥補啥”的問(wèn)題是團隊面臨的又一關(guān)鍵技術(shù)難題。
團隊成員農業(yè)工程學(xué)院副教授左志宇一直從事設施農業(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)程極其復雜，具有變量多、耦合強、干擾大等特點(diǎn)，一套科學(xué)適用的智能控制系統如同一個(gè)‘超級大腦’。”
如何建立集作物生長(cháng)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(shí)間一般不超過(guò)15分鐘，作物連續緩慢生長(cháng)的響應時(shí)間卻長(cháng)達24小時(shí)，二者如何優(yōu)化匹配？如何實(shí)現營(yíng)養組分的精確調配？如何實(shí)現基于多目標的優(yōu)化控制？……左志宇表示，團隊經(jīng)過(guò)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(huà)的溫室環(huán)境智慧管控系統的研發(fā)工作。
實(shí)現智能化需要內外兼修
實(shí)際上，自1995年起，毛罕平便帶領(lǐng)科研團隊在國內率先瞄準智能化溫室開(kāi)展研究。多年的研究成果為基于與植物對話(huà)的設施環(huán)境智慧管控研究打下了堅實(shí)基礎。
“作物信息的檢測、作物生長(cháng)模型庫的建立、多目標的優(yōu)化控制……都需要大量實(shí)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(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。
如今毛罕平團隊構建的溫室環(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(jìn)口的局面。以番茄、黃瓜為例，在該管控方法下，與國內引進(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、節水節肥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)，相應的裝備是保障，技術(shù)與裝備的完美融合，才能真正實(shí)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(jìn)。
經(jīng)過(guò)不懈努力，團隊創(chuàng )新研發(fā)設施作物營(yíng)養和長(cháng)勢信息的在線(xiàn)檢測裝備、水肥精確管理裝備、屋頂全開(kāi)啟型自適應遮陽(yáng)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(jīng)用戶(hù)使用，相較于傳統溫室，能耗降低20％，節藥30％，提高產(chǎn)量25％以上。
對于應用型學(xué)科來(lái)講，毛罕平團隊設法解決的卻不僅僅只有科學(xué)問(wèn)題，團隊心中始終裝著(zhù)關(guān)于市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化的想法。
記者了解到，團隊多年來(lái)積極推進(jìn)成果轉化工作，目前研究成果已進(jìn)行了大規模推廣應用，在全國31個(gè)省市都有推廣應用和示范點(diǎn)。近三年累計推廣設施園藝工程面積445.13萬(wàn)平方米。近兩年新增銷(xiāo)售額21.08億元，新增利潤、稅收和節支總額6.46億元。
“通過(guò)長(cháng)期攻關(guān)，溫室環(huán)境控制技術(shù)取得了長(cháng)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。”毛罕平的設想是，未來(lái)的智能化溫室能夠幫助更多農業(yè)生產(chǎn)者實(shí)現“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)強度低的智能化生產(chǎn)。
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