与植物“对话”让设施农业更智能

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江苏大学毛罕平团队研发的作物生长信息和病虫害无损探测装备。资料图

和植物“对话”，懂得它们的“喜怒哀乐”，知道它们的温饱冷暖，植物们不再被动地接受“照顾”，而是主动讲述它的需求……在江苏大学的一座玻璃温室里，农业工程学院教授毛罕平的研究团队似乎获得了一项“特殊能力”。

近日，毛罕平主持的江苏大学农业装备学部项目“基于与植物对话的设施环境智慧管控机理”顺利通过验收，并获得优秀等级。该项目的成功验收标志着该团队在温室环境控制研究方面获得重大进展。

设施农业发展需“更上一层楼”

“智能温室是设施农业中的高级类型。然而，当下各地兴起的一些智能温室示范基地，更多还是依靠基于设定值的温室环境控制方法。”毛罕平说，一定程度上这是用计算机代替人手去按开关而已，还不能算作真正意义上的智能化。

据毛罕平介绍，首先依据经验设定目标参数（如室内的温湿度、光照等），控制器根据检测到的实时结果与目标参数之间的差距做出决策，通过环境调节装备开闭来达到目标值，这是目前国内温室普遍采用的相对粗放式的智能化管理模式。其蕴含的技术水平、带来的作物产量与荷兰等发达国家相比，都有不小的差距。

以西红柿种植为例，国内一般的温室大棚，西红柿产量每平方米为15公斤左右，但荷兰能到达60至70公斤。“由于地理、气候、农艺和经济差异较大，照搬照抄荷兰先进技术的路子行不通。”毛罕平说。

因此，毛罕平认为国外先进技术不能适应我国现状，必须依靠自主创新。“国内的温室要发挥效应，必须要探索科学、适用的温室环境控制技术，通过优化温室环境调控方法来改善作物的生产条件，提高能源利用效率，降低能耗，从而实现设施作物的高产高效。”他说。

让植物“开口说话”

现代设施农业以有效调节作物生长环境的功能见长，毛罕平认为，调控的首要任务应该是了解作物需求。

毛罕平解释说，“如果不按照植物真实的动态需求信息进行反馈控制，比如传统的大水大肥灌溉模式下，作物产量潜力没有被充分挖掘，不仅不能高产，而且会增加生产成本、能耗，甚至带来环境风险。”

让植物“开口说话”，通俗地讲，为的就是真实感知植物什么时候饿了、渴了，胖了还是瘦了，之后根据其生长的实际需要进行精准控制。

团队中从事多源光信息的作物长势监测研究的农业工程学院副研究员张晓东告诉记者，听懂植物“语言”，奥秘就在于植物生命信息感知技术。要想实现和植物“对话”，首先必须精准有效地采集影响植物生长的土壤养分、气象环境以及植物营养、长势数据等。

水分或各类营养元素胁迫下，不同叶片的结构、纹理甚至表面温度等是发生变化的。依据此特性进行植物信息检测是实验室里的常见方法。

“但在温室环境中，即便是头顶飘来的一片云，都会导致整个检测信息的变化。”张晓东说，受光照、温湿度、地面蒸腾以及获取主体信息时的其他背景因素的影响，如何克服影响建立相应的修正模型才是关键。

为此，团队采用视觉、光谱、偏振等多源信息融合技术，突破对温室作物氮磷钾营养、水分、植株形态、品质和病虫害信息的感知，实现对作物生长信息的全面、实时、全程动态监测。

经国家法定检测机构检测，该技术对作物氮含量检测精度达98.3％，磷钾水平的检测相关系数为0.9，显著高于国外先进技术水平；作物冠幅、株高、茎粗和果实直径检测误差分别为1.3％、1.6％、4.2％、4.7％，国内外无同类技术。

智能检测与控制技术是智能化设施农业生产的前端和后端。信息感知后，解决作物“缺啥补啥”的问题是团队面临的又一关键技术难题。

团队成员农业工程学院副教授左志宇一直从事设施农业环境控制技术研究，他说，“由于温室环境的控制过程极其复杂，具有变量多、耦合强、干扰大等特点，一套科学适用的智能控制系统如同一个‘超级大脑’。”

如何建立集作物生长模型、环境控制模型、成本模型等为一体的综合温室调控模型？温室环境间歇快速变化的响应时间一般不超过15分钟，作物连续缓慢生长的响应时间却长达24小时，二者如何优化匹配？如何实现营养组分的精确调配？如何实现基于多目标的优化控制？……左志宇表示，团队经过十余年的深入研究，研发的“超级大脑”先后解决了上述难题，才完成了基于与植物对话的温室环境智慧管控系统的研发工作。

实现智能化需要内外兼修

实际上，自1995年起，毛罕平便带领科研团队在国内率先瞄准智能化温室开展研究。多年的研究成果为基于与植物对话的设施环境智慧管控研究打下了坚实基础。

“作物信息的检测、作物生长模型库的建立、多目标的优化控制……都需要大量实验数据并加以验证。”毛罕平坦言，在夏天50摄氏度的试验温室里“蒸桑拿”，在数九寒天通宵达旦地“喝西北风”，一路走来，失败是必经的坎坷，也少不了“板凳要坐十年冷”的积累，但积累够了，自然会有水到渠成的收获。

如今毛罕平团队构建的温室环境智慧管控的核心技术体系，成功改变了环境控制基本沿用国外技术、高端温室大量进口的局面。以番茄、黄瓜为例，在该管控方法下，与国内引进的荷兰最先进的温室相比，产量接近，但能耗降低20％以上、节水节肥25％以上。

然而，不论是作物信息感知技术还是温室环境控制技术，相应的装备是保障，技术与装备的完美融合，才能真正实现设施农业的智能化。因此，配套的设施农业装备也亟须跟进。

经过不懈努力，团队创新研发设施作物营养和长势信息的在线检测装备、水肥精确管理装备、屋顶全开启型自适应遮阳温室、半封闭正压温室等7种装备，构成的大型绿色温室和环境智慧管控装备，经用户使用，相较于传统温室，能耗降低20％，节药30％，提高产量25％以上。

对于应用型学科来讲，毛罕平团队设法解决的却不仅仅只有科学问题，团队心中始终装着关于市场化和产业化的想法。

记者了解到，团队多年来积极推进成果转化工作，目前研究成果已进行了大规模推广应用，在全国31个省市都有推广应用和示范点。近三年累计推广设施园艺工程面积445.13万平方米。近两年新增销售额21.08亿元，新增利润、税收和节支总额6.46亿元。

“通过长期攻关，温室环境控制技术取得了长足进步，但要想加快科技成果普及推广，取得更高水平的成果，依然需要久久为功。”毛罕平的设想是，未来的智能化温室能够帮助更多农业生产者实现“傻瓜式”种植管理，只需一个按键即可完成从种子到产品的生产全过程，使之成为真正高效率、高产出、高质量、劳动强度低的智能化生产。