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江蘇大學毛罕平團隊研發(fā)的作物生長信息和病蟲害無損探測裝備?!≠Y料圖
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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”,而是主動講述它的需求……在江蘇大學的一座玻璃溫室里,農業(yè)工程學院教授毛罕平的研究團隊似乎獲得了一項“特殊能力”。
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近日,毛罕平主持的江蘇大學農業(yè)裝備學部項目“基于與植物對話的設施環(huán)境智慧管控機理”順利通過驗收,并獲得等級。該項目的成功驗收標志著該團隊在溫室環(huán)境控制研究方面獲得重大進展。
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設施農業(yè)發(fā)展需“更上一層樓”
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“智能溫室是設施農業(yè)中的類型。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?!泵逼秸f,一定程度上這是用計算機代替人手去按開關而已,還不能算作真正意義上的智能化。
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據(jù)毛罕平介紹,首先依據(jù)經驗設定目標參數(shù)(如室內的溫濕度、光照等),控制器根據(jù)檢測到的實時結果與目標參數(shù)之間的差距做出決策,通過環(huán)境調節(jié)裝備開閉來達到目標值,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。其蘊含的技術水平、帶來的作物產量與荷蘭等發(fā)達國家相比,都有不小的差距。
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以西紅柿種植為例,國內一般的溫室大棚,西紅柿產量每平方米為15公斤左右,但荷蘭能到達60至70公斤。“由于地理、氣候、農藝和經濟差異較大,照搬照抄荷蘭先進技術的路子行不通?!泵逼秸f。
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因此,毛罕平認為國外先進技術不能適應我國現(xiàn)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、適用的溫室環(huán)境控制技術,通過優(yōu)化溫室環(huán)境調控方法來改善作物的生產條件,提高能源利用效率,降低能耗,從而實現(xiàn)設施作物的高產。”他說。
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讓植物“開口說話”
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現(xiàn)代設施農業(yè)以有效調節(jié)作物生長環(huán)境的功能見長,毛罕平認為,調控的首要任務應該是了解作物需求。
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毛罕平解釋說,“如果不按照植物真實的動態(tài)需求信息進行反饋控制,比如傳統(tǒng)的大水大肥灌溉模式下,作物產量潛力沒有被充分挖掘,不僅不能高產,而且會增加生產成本、能耗,甚至帶來環(huán)境風險?!?/div>
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讓植物“開口說話”,通俗地講,為的就是真實感知植物什么時候餓了、渴了,胖了還是瘦了,之后根據(jù)其生長的實際需要進行精準控制。
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團隊中從事多源光信息的作物長勢監(jiān)測研究的農業(yè)工程學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。要想實現(xiàn)和植物“對話”,首先必須精準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。
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水分或各類營養(yǎng)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(jù)此特性進行植物信息檢測是實驗室里的常見方法。
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“但在溫室環(huán)境中,即便是頭頂飄來的一片云,都會導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的修正模型才是關鍵。
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為此,團隊采用視覺、光譜、偏振等多源信息融合技術,突破對溫室作物氮磷鉀營養(yǎng)、水分、植株形態(tài)、品質和病蟲害信息的感知,實現(xiàn)對作物生長信息的全面、實時、全程動態(tài)監(jiān)測。
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經國家法定檢測機構檢測,該技術對作物氮含量檢測精度達98.3%,磷鉀水平的檢測相關系數(shù)為0.9,顯著高于國外先進技術水平;作物冠幅、株高、莖粗和果實直徑檢測誤差分別為1.3%、1.6%、4.2%、4.7%,國內外無同類技術。
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智能檢測與控制技術是智能化設施農業(yè)生產的前端和后端。信息感知后,解決作物“缺啥補啥”的問題是團隊面臨的又一關鍵技術難題。
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團隊成員農業(yè)工程學院副教授左志宇一直從事設施農業(yè)環(huán)境控制技術研究,他說,“由于溫室環(huán)境的控制過程極其復雜,具有變量多、耦合強、干擾大等特點,一套科學適用的智能控制系統(tǒng)如同一個‘超級大腦’?!?/div>
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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控模型?溫室環(huán)境間歇快速變化的響應時間一般不超過15分鐘,作物連續(xù)緩慢生長的響應時間卻長達24小時,二者如何優(yōu)化匹配?如何實現(xiàn)營養(yǎng)組分的調配?如何實現(xiàn)基于多目標的優(yōu)化控制?……左志宇表示,團隊經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。
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實現(xiàn)智能化需要內外兼修
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實際上,自1995年起,毛罕平便帶領科研團隊在國內率先瞄準智能化溫室開展研究。多年的研究成果為基于與植物對話的設施環(huán)境智慧管控研究打下了堅實基礎。
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“作物信息的檢測、作物生長模型庫的建立、多目標的優(yōu)化控制……都需要大量實驗數(shù)據(jù)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(shù)九寒天通宵達旦地“喝西北風”,一路走來,失敗是必經的坎坷,也少不了“板凳要坐十年冷”的積累,但積累夠了,自然會有水到渠成的收獲。
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如今毛罕平團隊構建的溫室環(huán)境智慧管控的核心技術體系,成功改變了環(huán)境控制基本沿用國外技術、高端溫室大量進口的局面。以番茄、為例,在該管控方法下,與國內引進的荷蘭先進的溫室相比,產量接近,但能耗降低20%以上、節(jié)水節(jié)肥25%以上。
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然而,不論是作物信息感知技術還是溫室環(huán)境控制技術,相應的裝備是保障,技術與裝備的完美融合,才能真正實現(xiàn)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。
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經過不懈努力,團隊創(chuàng)新研發(fā)設施作物營養(yǎng)和長勢信息的在線檢測裝備、水肥管理裝備、屋頂全開啟型自適應遮陽溫室、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,經用戶使用,相較于傳統(tǒng)溫室,能耗降低20%,節(jié)藥30%,提高產量25%以上。
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對于應用型學科來講,毛罕平團隊設法解決的卻不僅僅只有科學問題,團隊心中始終裝著關于市場化和產業(yè)化的想法。
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記者了解到,團隊多年來積極推進成果轉化工作,目前研究成果已進行了大規(guī)模推廣應用,在全國31個省市都有推廣應用和示范點。近三年累計推廣設施園藝工程面積445.13萬平方米。近兩年新增銷售額21.08億元,新增利潤、稅收和節(jié)支總額6.46億元。
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“通過長期攻關,溫室環(huán)境控制技術取得了長足進步,但要想加快成果普及推廣,取得更高水平的成果,依然需要久久為功?!泵逼降脑O想是,未來的智能化溫室能夠幫助更多農業(yè)生產者實現(xiàn)“傻瓜式”種植管理,只需一個按鍵即可完成從到產品的生產全過程,使之成為真正率、高產出、高質量、勞動強度低的智能化生產。
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