2022-05-18 09:36:00
“智茄”團(tuán)隊(duì)在云南昆明的多多農(nóng)研基地里做現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集
我國是世界上番茄種植面積最大（種植面積有1600萬畝）、產(chǎn)量最多的國家，年產(chǎn)量約5500萬噸，占全國蔬菜總產(chǎn)量的7%左右。如何讓番茄變得更高品質(zhì)、更高產(chǎn)量、更具營養(yǎng)價(jià)值，仍是全球最頂尖的農(nóng)業(yè)科研人員追求不渝的目標(biāo)。
在4月25日結(jié)束的第二屆“多多農(nóng)研科技大賽”上，一支由多國青年組成的“番茄快長”團(tuán)隊(duì)以遠(yuǎn)超傳統(tǒng)種植的產(chǎn)量和品質(zhì)摘得冠軍。他們采用“人機(jī)融合智能”的算法，讓番茄的生長變成了一場策略游戲，賽事結(jié)束時(shí)櫻桃番茄的單位面積產(chǎn)量為11.3千克/平方米，預(yù)期正常生長周期結(jié)束時(shí)這一數(shù)字接近30千克/平方米，比肩世界領(lǐng)先的荷蘭溫室同期種植小番茄的巔峰產(chǎn)量。
這次決賽中，來自全球最頂尖的四支農(nóng)業(yè)科研團(tuán)隊(duì)人機(jī)融合，利用跨學(xué)科的種植技術(shù)、AI算法，依照可持續(xù)的種植實(shí)踐，種植出兼顧高品質(zhì)和高產(chǎn)量的農(nóng)作物，讓人們對智慧農(nóng)業(yè)的未來充滿了無盡的想象空間。
為“讓更多人吃上好番茄”而賽
為“讓更多人吃上好番茄”，在海拔約2000米的云南省昆明市賽事基地，四個(gè)面積為96平方米的玻璃溫室大棚一字排開，種番茄的農(nóng)研科技大賽的擂臺就設(shè)在這里。
大賽為進(jìn)入決賽的團(tuán)隊(duì)各提供一個(gè)獨(dú)立溫室及對應(yīng)的環(huán)境控制應(yīng)用接口。從去年10月開始，“番茄快長”等四個(gè)團(tuán)隊(duì)分別在北京、上海、浙江、荷蘭等地，通過軟件遠(yuǎn)程控制位于昆明大賽基地的智能溫室，結(jié)合營養(yǎng)學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)等精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)種植番茄。
云南昆明地區(qū)溫室多為單棟塑料大棚，傳統(tǒng)的種植方式種植技術(shù)落后，對勞動力需求大。而在本次比賽中構(gòu)建的智慧大棚，基礎(chǔ)硬件一般包括種植槽、椰糠條、巖棉基質(zhì)塊等，與普通的土壤不同，番茄種植基質(zhì)理化性能穩(wěn)定，不易分解、腐爛或變性，具有較好的保水性和透氣性，成本低、質(zhì)量輕，還支持可控制調(diào)節(jié)，是精準(zhǔn)種植的最佳搭檔。另外，由于日光溫室或者塑料大棚所使用的覆蓋設(shè)施都會大幅減少到達(dá)溫室內(nèi)部的紫外線，影響蔬菜的生長發(fā)育，而智慧大棚則通過加熱系統(tǒng)和LED補(bǔ)光燈調(diào)控室內(nèi)的溫度和紫外線，以此促進(jìn)植株生長和果實(shí)生長發(fā)育。
硬件之外，技術(shù)核心是軟件：環(huán)境控制應(yīng)用。為了種好一顆櫻桃番茄，選手們把傳感器、光譜、算法模型都用上了，甚至還可以遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的水肥、光照、二氧化碳等生長環(huán)境要素，“人在家中坐，番茄棚里長”，實(shí)現(xiàn)無人種植，未來感十足。
“番茄快長”團(tuán)隊(duì)發(fā)展的人機(jī)融合算法
技術(shù)賦能，科技農(nóng)人的新圖譜
“番茄快長”團(tuán)隊(duì)
由北京極星農(nóng)業(yè)牽頭，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、荷蘭瓦赫寧根大學(xué)研究人員組成的“番茄快長”團(tuán)隊(duì)，所采用的環(huán)控系統(tǒng)包含了溫度、濕度、光照，通風(fēng)、幕布和二氧化碳等番茄生長過程中所需的全部環(huán)境參數(shù)。在灌溉方面，他們主要基于光照累積量進(jìn)行調(diào)節(jié)：當(dāng)光照量累積到一定數(shù)值時(shí)啟動一次灌溉組進(jìn)行灌溉。但是同時(shí)他們也自行安裝了基質(zhì)濕度和EC傳感器用于監(jiān)測根系含水量，一旦發(fā)現(xiàn)基質(zhì)含水量過低但是尚未觸發(fā)基于光照累積量的灌溉，便通過給水肥系統(tǒng)發(fā)出一次補(bǔ)充灌溉指令。
看似簡單的開窗通風(fēng)，其實(shí)需要同時(shí)考慮眾多因素，包括時(shí)間、風(fēng)向/風(fēng)速、是否下雨、是否極端天氣等，還要考慮內(nèi)外溫差、光照、濕度等對開窗速度、大小和方向的影響。“番茄快長”團(tuán)隊(duì)通過開窗、風(fēng)機(jī)循環(huán)、高壓噴霧裝置等多種方式令番茄始終能夠保持在適宜的生長溫度。團(tuán)隊(duì)甚至針對逆風(fēng)面和順風(fēng)面設(shè)置了不同的開窗策略，比如逆風(fēng)面的開窗策略更加保守，以防大量冷空氣瞬間進(jìn)入溫室造成溫度驟降、引發(fā)嚴(yán)重的植物生理反應(yīng)。
另外，適當(dāng)提高生長環(huán)境的相對濕度，可以顯著增加番茄葉面積，然而，濕度太高同樣會導(dǎo)致一系列問題，凝結(jié)水會傳播病毒病和細(xì)菌病，高濕度會觸發(fā)真菌性病害的孢子的萌發(fā)條件。因此，團(tuán)隊(duì)針對不同濕度、不同溫度來實(shí)時(shí)觸發(fā)噴霧器或窗戶的開啟關(guān)閉，精確到每一度和白天晚上。而這一切，基本上都是遠(yuǎn)程控制的。如此精準(zhǔn)的生長控制，徹底告別了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)“靠天吃飯”的窘境。
在光照不足的時(shí)候適當(dāng)補(bǔ)充光照，可以顯著提升番茄產(chǎn)量。但考慮到補(bǔ)光燈的能耗較高，“番茄快長”團(tuán)隊(duì)采用了雙層補(bǔ)光策略，作物模型根據(jù)二氧化碳、外界光照和溫度情況判斷植物的光合效率，以此判斷是否開燈。因此，“番茄快長”團(tuán)隊(duì)在冬季的生產(chǎn)成本僅為15.3元/千克，而據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，同季節(jié)行業(yè)平均植串收小番茄每公斤生產(chǎn)成本在20元左右。
在病害防治方面“，番茄快長”團(tuán)隊(duì)通過自行研發(fā)由多個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型所組合而成的病害管理系統(tǒng)，預(yù)測常見的感染真菌性病害的風(fēng)險(xiǎn)，準(zhǔn)確率達(dá)89%。在孢子侵染作物階段，病害管理系統(tǒng)就可以將病害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測出來，提前干預(yù)，如采取精準(zhǔn)預(yù)防性噴灑藥物、改變環(huán)控措施等手段，最大限度地降低病害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，可以有效減少農(nóng)藥消耗，同時(shí)也保護(hù)了環(huán)境。最終，該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的番茄也沒有檢測出任何農(nóng)藥殘留。
“智茄”團(tuán)隊(duì)
由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)牽頭的“智茄”團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了能與植物“對話”的“數(shù)字番茄智慧管控云平臺”，該平臺建立了包括凈光合速率模型、蒸騰速率模型在內(nèi)的番茄植株生長環(huán)境模型，引入環(huán)境與植株信息交互影響關(guān)系參數(shù)。當(dāng)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出閾值范圍時(shí)，系統(tǒng)平臺會給操作人員發(fā)送短信提醒，形成閉環(huán)智能控制。
番茄需水量較大，不同生長時(shí)期和生長狀態(tài)灌溉策略也不同。“智茄”團(tuán)隊(duì)通過機(jī)器視覺和傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)識別櫻桃番茄的葉片、花朵和果實(shí)等生理信息，并對環(huán)境光照情況和溫濕度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，然后通過番茄的葉面積和實(shí)時(shí)的光合有效輻射計(jì)算出番茄的蒸騰速率，進(jìn)而得出番茄的需水量，以此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)整水肥灌溉量和灌溉頻率。
病害防治上，“智茄”團(tuán)隊(duì)利用機(jī)器視覺的識別方法來自動識別番茄病害，識別分析后的結(jié)果傳送給病害專家系統(tǒng)進(jìn)行決策，如果確實(shí)為病害葉片，將發(fā)出報(bào)警信息并給出相應(yīng)的專家解決方案。
“農(nóng)圣大腦”團(tuán)隊(duì)
來自江蘇大學(xué)、北京市農(nóng)技推廣站、北京工商大學(xué)、韓國全州大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)和院校，具備多元化科研背景的“農(nóng)圣大腦”團(tuán)隊(duì)，通過選擇優(yōu)質(zhì)健康種苗從源頭杜絕番茄根腐病、枯萎病、炭疽病等土傳病害的發(fā)生。在番茄生產(chǎn)過程中重點(diǎn)防治氣傳病害、基質(zhì)傳病害和蟲害，在開花前將病蟲害控制在極低水平，以減少花期病蟲害的發(fā)生，避免在花期用藥，以免傷花。在出現(xiàn)病蟲害時(shí)，采用黃色粘蟲板誘殺蚜蟲、粉虱，藍(lán)色粘蟲板誘殺薊馬，綠色無污染，而且成本較低。
“喜柿”團(tuán)隊(duì)
為了在達(dá)到預(yù)期種植效果的基礎(chǔ)上最大化提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益，浙江大學(xué)青年學(xué)者組成的“喜柿”團(tuán)隊(duì)在這個(gè)方面勇爭第一，制定了精確的資源消耗管理策略，通過構(gòu)建精準(zhǔn)的番茄需求模型，實(shí)現(xiàn)了按需供給，在用水量、用肥量、用電量、人工、植保、種苗等所有物料資源消耗方面都處于領(lǐng)先地位，在能耗控制中表現(xiàn)最佳。團(tuán)隊(duì)用改良的沸石分子篩，在較低濃度范圍對二氧化碳有更強(qiáng)的吸附能力和較緩的解離能力，在促進(jìn)光合作用提高的同時(shí)，有效避免了直接施用二氧化碳而植物利用有限而導(dǎo)致的二次排放問題。他們還開發(fā)出了基于沸石分子篩的適用于玻璃溫室、塑料大棚的輕簡化二氧化碳加富裝置，簡單高效，材料可再生重復(fù)使用，是推動低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展的新方向。（綜合《農(nóng)民日報(bào)》《時(shí)代周報(bào)》等）
編輯：牛姣
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