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(tuán)隊(duì)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(xiàng)目“基于與植物對話的設(shè)施環(huán)境智慧管控機(jī)理”順利通過驗(yàn)收，并獲得優(yōu)秀等級。該項(xiàng)目的成功驗(yàn)收標(biāo)志著毛罕平團(tuán)隊(duì)在溫室環(huán)境控制研究方面獲得重大進(jìn)展。
目前我國設(shè)施農(nóng)業(yè)規(guī)模達(dá)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(jì)算機(jī)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(yàn)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(dá)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(yùn)含的技術(shù)水平、帶來的作物產(chǎn)量與荷蘭等發(fā)達(dá)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(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，“如果不按照植物真實(shí)的動態(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(xiǎn)?！?/p>
讓植物“開口說話”，通俗地講，為的就是真實(shí)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(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(shí)現(xiàn)和植物“對話”，首先必須精準(zhǔn)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(jìn)行植物信息檢測是實(shí)驗(yàn)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?！睆垥詵|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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)對作物生長信息的全面、實(shí)時、全程動態(tài)監(jiān)測。經(jīng)國家法定檢測機(jī)構(gòu)檢測，該技術(shù)對作物氮含量檢測精度達(dá)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(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(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(bǔ)什么”的問題是團(tuán)隊(duì)面臨的又一關(guān)鍵技術(shù)難題。團(tuán)隊(duì)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(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‘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(dá)24小時，二者如何優(yōu)化匹配?如何實(shí)現(xiàn)營養(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(biāo)的優(yōu)化控制……都需要大量實(shí)驗(yàn)來獲取數(shù)據(jù)并加以驗(yàn)證。”毛罕平坦言，在夏天50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，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(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(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。
“通過長期攻關(guān)，溫室環(huán)境控制技術(shù)取得了長足進(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?！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(shí)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(qiáng)度低的智能化生產(chǎn)。(王拓)
