浙江省丽水市科技计划项目合同书

计划编号:2002-3-02

项目名称:工厂化设施农业智能控制系统研制与开发

计划类别:重点

委托单位(甲方):丽水市科学技术局

承担单位(乙方):丽水市农科所

起止年月:2003年5月至2005年12月

以下内容为该项目的研究内容,现把相关内容及研制情况总结如下:

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             工厂化农业中的环境控制智能系统和黄瓜、樱桃番茄、网纹甜瓜“智能植物”

    随着设施农业的不断发展，现代园艺植物的栽培已从传统露天大田栽培走向了设施化的人工环境栽培，近年我国设施农业发展飞速，农业生产力水平有了较大的提高，特别是抵御自然恶劣气候的能力有了很大的提高，园艺植物的产量与质量实现了跨越式地提高，反季节果蔬的生产有了保障，这就是现代设施农业发展对农业生产带来的改变，但也存在着一些问题，就是设施投入成本较高，环境控制手段却极为落后，还是全凭人工经验进行设施大棚内环境的调控，缺乏专家系统的开发与运用，缺乏计算机精确化的模拟，导致许多高投入的设施系统产生不出高效益的果蔬产品，把温室大棚设施仅仅作为保温蔗光功能使用，没有发挥它综合的温光气热水全方位控制功能，这主要是控制手段的落后及专家系统开发的滞后所造成，针对这些问题，开发与设施相配套的控制计算机及与农作物相适应的专家系统就成为当前设施栽培要解决的主要课题，丽水市农科所近所在与国防科大及中国农科院的技术合作中，找到了工厂化设施栽培相关技术问题解决的切入点，展开了针对“工厂化农业中的环境控制智能系统和黄瓜、樱桃番茄、网纹甜瓜“智能植物”----项目的研究，为工厂化设施生产提供最佳的专家模式与最精确的智能化控制系统，为黄瓜、樱桃、甜瓜等园艺植物创造最佳的人工智能环境，让它发挥最大的增产潜能与质量的大幅度提高，达到农业生产的设施化自动化精确化智能化。近年，成立了多学科综合，多人才参予的课题组，组织攻关了以下大6大技术问题，现一一介绍如下：
1、    人工再现植物生长环境因子。
    植物的生长离不开环境，而园艺植物对环境的要求更高，地球上任何植物的生长都是基于适合环境的基础上，离开了环境，最好的品种，最佳的基因型也不可能有最优的表现，因环境是实现植物基因型表现的最主要的外在因子。同一品种在不同的环境，就产生不同的栽培效果。人工栽培植物或采用设施的工厂化栽培，无非都是为植物创造适宜的温光气热水肥等生长环境而已，植物只要这些因子得到最佳的满足，才会有最高的产量与最好的质量，如现代工厂化设施栽培中的无土栽培（基质培与水培），它之所以能大幅度地提高产量，关键在于它能为生长着的园艺植物创造最优的根域环境，如与根域环境相关的水肥气温调控，都可使园艺植物的产量得到大幅度的提高。比如盆栽用于观赏的樱桃番茄只长尺许高，而地栽或基质栽的可达1米多高，而采用深液流水培的就可长成一株番茄大树，这些都是由于根域环境的优化而产生的栽培效果，同样的品种，在盆栽条件下，受限的肥水条件成为它产量生物量提高的限制因子，采用大田土栽或基质培后，肥水有了改善，但与根系生长相关的空气、水分、肥料还不是最佳环境，所以也成为它进一步提高产量的限制因子，但与盆栽相比已有了较大的优化与改进，所以树体大小产量有了提高，但还没达到最大化，而采用深液流水培后，肥水因子与基质培土培相比，有了较大的改进，根系能最充分地接触水分与矿质肥料，也能最直接地吸收，排除了土壤与基质对矿质营养的固定与互作，所以生物量产量又有了较大提高，樱桃番茄可长成番茄树，如果在深液流基础上再进行改进，采用最先进的气雾栽培法，这样还可以使樱桃番茄或黄瓜的产量得到更大的提高，因为与深液流栽培相比，气雾法能为根系创造最优的氧气代谢环境，使根系处于最富氧的空气中，根系的有氧呼吸最充分，所以它吸收水分与矿质元素的速度达到最大化的提高，目前，发达国家雾培法已成为最先进的一种模式，它可使番茄的亩产达3万斤以上，单株产量同样也能最大化的发挥，如日本的水气耕栽培，可以使番茄单株产量超千斤逾万果，小黄瓜单株达3000多根，网纹甜瓜达88个，这就是根域环境优化对园艺植物产量所创造出的无限生长潜力。也是近代设施园艺栽培展开研究的主要课题，研究与根域环境相关的因子，就成为提高植物生长潜力的限制因子，如基质培中的基质温度、基质湿度、基质营养，以及水培与气培中的水温、溶氧、EC、PH值等因子，就成为研究设施栽培中根域环境的主要课题。另外，在设施栽培中与植物生长相关的空气湿度、空气温度、空间光照、二氧化碳浓度，就成为支持与限制地下部分生长的主要因子，植物及蔬菜瓜果只在在最适的温湿度光照及气体环境下，才有最优的生长表现，如光照不足造成茎干纤细徒长与落花落果等不良现像，如光照过强又会造成光抑制、光灼伤抑制生长现象，温度不足低15度影响生长，温度过高超35度又会造成高温胁迫，湿度过高造成病害滋生，湿度过低又会影响授粉，及水分过分蒸发而干旱，即使湿湿及光都适宜，如果不通风或二氧化碳不足，也会影响光合作用继而影响生长发育。所以地上枝叶生长空间的环境优化与控制也是植物生长的关键，要正真做到园艺植物在设施内发挥最大的生理生长潜能，还得着手研究设施内与植物相关的各项根域环境及枝叶环境因子的研究，只有通过现代化的环控手段才能实现各项因子在设施内的再现，才能实现各因子间的最佳化模拟与控制。
    人工再现植物生长环境因子成为现代工厂化设施栽培中最重要的研究课题，而环境的多变性又成为这个课题研究的主要难点与攻关点，光凭传的手工经验控制是根本不可能实现的，它必须依托于现代的计算机控制技术才能完成，而且是必须24小时的实时在线监控才能完成，因为我国现在的温室设施大棚大多是半封闭半天候的模式，在很大方面还是受到外界气候的干扰与影响，也就是环境的动态不可测变化，凭人的经验是难以做到精确化最优化的。比如一天光照与温度的变化就是无有固定与规律可循的模式，因一天天气的变化，因季节的变迁，它都会有很大的波动，而人的经验与感觉是难以捉摸到这些因子的变化规律与过程的，所以现代设施正真要实现工厂化还得依赖于计算机自动控制技术，它是实现植物生长环境因子模拟控制的必备武器。只有它才能实时在线地完成生长因子（空气湿度、空气温度、基质温度、基质湿度、二氧化碳浓度、PH值、EC值、溶氧等）最优化调控。所以开发用于工厂化设施栽培的专业化计算机控制系统就成为突破生长因子限制造成最佳温室条件，实现园艺植物生长最优化的必然之路。 
 

        上图:番茄生长因子再现模拟控制技术在根域及枝叶微环境控制上的综合运用