与植物“对话”让设施农业更智能

毛罕平研究团队研发的作物生长信息和病虫害无损探测装备。

和植物“对话”，懂得它们的“喜怒哀乐”，知道它们的“温饱冷暖”，让植物不再被动地接受“照顾”，而是主动地“讲述”它的需求……在江苏大学的一座玻璃温室里，该校农业工程学院教授毛罕平研究团队似乎获得了这样一项“特殊能力”。
近日，毛罕平主持的江苏大学农业装备学部的“基于与植物对话的设施环境智慧管控机理”项目顺利通过验收，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取得重大进展。
让植物“开口说话”
让植物“开口说话”，通俗地讲，就是真实地感知植物什么时候“饿了、渴了、胖了还是瘦了”，再根据其生长的实际需要进行精准控制。在团队中从事作物长势监测研究工作的江苏大学农业工程学院副研究员张晓东介绍，听懂植物的“语言”，其中的奥秘就在于获得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等数据。
在水分或各类营养元素的影响下，不同叶片的结构、纹理甚至表面温度会发生变化，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、湿度、地面蒸腾以及获取主体信息时其他因素的影响，如何克服上述因素的影响并建立相应的修正模型才是技术突破的关键。
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含量、水分、植株形态、品质和病虫害信息的感知，实现了对作物生长信息的全面、实时、全程地动态监测。
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%。
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。在获得信息感知后，解决作物“缺啥补啥”的问题是团队面临的又一个技术难题。如何建立起一个集作物生长模型、环境控制模型、成本模型为一体的综合温室调控模型，如何实现营养组分的精确调配？该团队成员、江苏大学农业工程学院副教授左志宇表示，团队经过十余年的深入研究，研发的“超级大脑”先后解决了温室环境在控制过程中变量多、耦合强、干扰大的一系列难题，完成了“基于与植物对话的温室环境智慧管控机理”项目的研发工作。
实现智能化
需要内外兼修
实际上，自1995年起，毛罕平便带领研究团队在国内率先瞄准智能化温室领域的研究。多年的研究成果也为基于与植物“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、生长模型库的建立、多目标的优化控制等都需要大量实验数据并加以验证。”毛罕平坦言，在夏天50℃的试验温室里“蒸桑拿”，在数九寒天里通宵达旦地“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。
如今毛罕平研究团队所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，高端温室大量依赖进口的局面。以番茄、黄瓜为例，在该管控技术体系下，与我国从荷兰引进的最先进的温室相比，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，只有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，近年来，该团队又创新研发出设施作物营养和长势信息在线检测、水肥精确管理、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，这一系列设备所构成的大型绿色温室和环境智慧管控装备，经用户使用后，相较于传统温室，能耗降低了20%，节药30%，提高产量25%以上。
对于应用型学科来讲，毛罕平研究团队设法解决的不只有科学问题，团队成员心中始终装着关于市场化和产业化的想法。近年来，该团队积极推进成果转化工作，目前研究成果已进行了大规模的推广和应用，并在全国31个省、市都有推广应用和示范点。近3年累计推广设施园艺工程面积达445.13万平方米。
“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，依然需要我们不懈地努力。”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”的种植管理，种植者只需按下一个按键即可完成从播种到产品生产全过程的管控，使农业生产真正成为高效率、高产出、高质量、劳动强度低的智能化模式。
（高雅晶 文/图）