智能化環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在日光溫室微型薯生產(chǎn)中的應(yīng)用

羅有中，石建業(yè)，張 明，陳 福，袁安明，權(quán)小兵，王姣敏

（定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 定西 743000）

設(shè)施環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)是指在一定空間內(nèi)，用不同功能傳感器探測(cè)頭，準(zhǔn)確采集設(shè)施內(nèi)環(huán)境因子（水、熱、氣、光、肥）以及蔬菜作物生育狀況等參數(shù)，并通過相關(guān)軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和智能化處理后形成核心系統(tǒng)，根據(jù)作物生長(zhǎng)需要最佳條件，由核心處理器智能系統(tǒng)發(fā)出指令，使其有關(guān)的系統(tǒng)、裝置及設(shè)備有規(guī)律運(yùn)作，將設(shè)施內(nèi)溫、光、水、肥、氣等諸因素綜合協(xié)調(diào)到最佳狀態(tài)，確保一切生產(chǎn)活動(dòng)科學(xué)、規(guī)范、有序、持續(xù)地進(jìn)行[1-3]。溫室環(huán)境智能化控制主要是對(duì)溫室環(huán)境因子進(jìn)行綜合的調(diào)節(jié)和控制，就是對(duì)溫室中的溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境因子調(diào)節(jié)控制，為不同作物的生長(zhǎng)、繁育提供適宜的環(huán)境，使作物與環(huán)境得到較好的統(tǒng)一[4,5]。

隨著馬鈴薯的主糧化，馬鈴薯產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，種植面積不斷增加。馬鈴薯微型薯生長(zhǎng)的各個(gè)階段對(duì)溫濕度、光照以及水肥的要求比較嚴(yán)格，日光溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)在馬鈴薯微型薯生產(chǎn)中的報(bào)道較少，人工控制的溫室，其過高過低的溫度、光照、水肥等亞適宜環(huán)境明顯制約著馬鈴薯微型薯的生長(zhǎng)發(fā)育，致使環(huán)境調(diào)控和栽培管理粗放，缺乏量化指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，導(dǎo)致馬鈴薯微型薯產(chǎn)粒數(shù)時(shí)高時(shí)低、合格率較低，難以發(fā)揮日光溫室的節(jié)能和高產(chǎn)高效優(yōu)勢(shì)，溫室環(huán)境的調(diào)控能力有待改善[6]。本研究探索了環(huán)境智能化監(jiān)控系統(tǒng)在日光溫室馬鈴薯微型薯生產(chǎn)中的應(yīng)用，與普通沒有安裝環(huán)境智能檢化監(jiān)控系統(tǒng)的溫室進(jìn)行對(duì)比，測(cè)定了對(duì)溫室內(nèi)溫度、光照、以及馬鈴薯脫毒苗成活率、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、微型薯產(chǎn)粒數(shù)、合格率等方面的影響，為日光溫室馬鈴薯微型薯的科學(xué)化管理和標(biāo)準(zhǔn)化栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2016年8～12月在甘肅省定西市金源農(nóng)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司日光溫室進(jìn)行，處理溫室面積400 m2（80 m×5 m），參試品種為‘費(fèi)烏瑞它’、‘大西洋’、‘荷蘭15號(hào)’，均為脫毒種苗，各品種種植面積分別為130，130和140 m2。對(duì)照溫室的面積、參試品種及各品種種植面積均與處理溫室一致，對(duì)照溫室沒有安裝環(huán)境智能化監(jiān)控設(shè)備。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)1個(gè)處理，1個(gè)對(duì)照，不設(shè)重復(fù)。處理安裝有環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的日光溫室，該系統(tǒng)由溫濕度傳感器、光照傳感器、溫濕度控制系統(tǒng)、卷簾通風(fēng)一體化運(yùn)行系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)、土壤水分檢測(cè)系統(tǒng)以及超限報(bào)警系統(tǒng)組成，可以根據(jù)作物在不同階段的生長(zhǎng)需要設(shè)定各個(gè)參數(shù)，當(dāng)實(shí)測(cè)數(shù)值接近設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)通過信息反饋到用戶，用戶通過廣域網(wǎng)利用手機(jī)監(jiān)控環(huán)境信息和控制機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行，進(jìn)而將各指標(biāo)控制在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)；對(duì)照（CK）沒有安裝環(huán)境智能化監(jiān)控系統(tǒng)的日光溫室，由人工進(jìn)行相關(guān)溫室作業(yè)，即人工管理。2個(gè)溫室的其他管理水平一致。

試驗(yàn)于2016年8月23日移栽。移栽前一周精細(xì)整地，并結(jié)合整地撒施腐熟農(nóng)家肥11 250 kg/hm2、馬鈴薯專用肥（N∶P2O5∶K2O=12∶15∶29）400 kg/hm2、10%辛硫磷顆粒劑7.5 kg/hm2毒土并翻入地塊，耙磨整平。溫室地面鋪設(shè)40目防蟲網(wǎng)紗，每隔2.5 m苗床鋪設(shè)磚塊走道，苗床內(nèi)鋪裝蛭石，厚約5 cm，移栽前澆透清水，以基質(zhì)濕潤(rùn)而不積水為度。移栽株距5 cm，行距10 cm，定植深1.5 cm，移栽后及時(shí)澆水，苗床搭建小拱棚，保持溫度及空氣濕度，利于緩苗，2周后取掉小拱棚。待植株長(zhǎng)至10片葉左右時(shí)，種苗基部要覆一層蛭石，厚2～3 cm，進(jìn)入馬鈴薯結(jié)薯期。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

1.3.1 成活率計(jì)算

脫毒苗移栽后15 d，去掉拱棚膜，每個(gè)處理選取植株長(zhǎng)勢(shì)均一、面積為2 m2的小區(qū)，3次重復(fù)，計(jì)算各品種的幼苗成活率。

1.3.2 脫毒苗植株形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定

選取面積為2 m2的小區(qū)，進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定，各小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均一、無遮擋、無病蟲害的10株植株。每隔10 d測(cè)定一次脫毒苗的株高、莖粗，9月13日進(jìn)行第1次測(cè)定，以后每隔10 d進(jìn)行測(cè)定，拉秧前30 d進(jìn)行最后一次測(cè)定。

利用卷尺測(cè)定株高（莖基部到生長(zhǎng)點(diǎn)的長(zhǎng)度）。用游標(biāo)卡尺測(cè)定莖粗（莖基部的粗度—第一片真葉下部的節(jié)間）。

1.3.3 測(cè)定溫室室內(nèi)溫度

智能化監(jiān)控系統(tǒng)的溫度由本身系統(tǒng)自動(dòng)記錄，人工控制溫室內(nèi)放入溫度自動(dòng)記錄儀，均不設(shè)重復(fù)。

1.3.4 測(cè)定小區(qū)產(chǎn)粒數(shù)并計(jì)算合格率

用微型薯直徑和重量分級(jí)機(jī)進(jìn)行分級(jí)。

對(duì)同一品種的不同處理進(jìn)行方差分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 16.0軟件進(jìn)行圖表編輯和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)溫室的溫度影響

圖1、圖2是日光溫室馬鈴薯微型薯生產(chǎn)中在10月15日和11月23日的溫度記錄值，在智能控制溫室中設(shè)定馬鈴薯微型薯生長(zhǎng)溫度范圍在10～30℃。從圖1、圖2可以看出，智能系統(tǒng)可以控制溫室溫度在馬鈴薯微型薯生長(zhǎng)階段的設(shè)定值內(nèi)，從而滿足馬鈴薯微型薯在不同階段的生長(zhǎng)適宜溫度。圖1中顯示，在10月15日9：00～16：00智能控制的溫室溫度為29.6℃，在馬鈴薯微型薯適宜生長(zhǎng)的溫度范圍內(nèi)，而人工控制的溫度均值高達(dá)32.1℃，超出了馬鈴薯微型薯生長(zhǎng)的最適溫度，過高的溫度可導(dǎo)致馬鈴薯微型薯生長(zhǎng)停止，也可誘導(dǎo)病蟲害的發(fā)生。圖2中顯示，智能控制的溫室在11月23日0：00～9：00，當(dāng)溫度低于下限值10℃時(shí)智能系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)加溫運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行加溫。因此，智能控制溫室溫度為10.1℃，人工控制的溫度僅為6.8℃，智能控制溫室溫度較人工控制的高3.3℃，更有利于馬鈴薯微型薯的生長(zhǎng)。

圖1 2016年10月15日不同處理對(duì)溫室溫度的影響Figure 1 Effects of different treatments on greenhouse temperature on October 15,2016

圖2 2016年11月23日不同處理對(duì)溫室溫度的影響Figure 2 Effects of different treatments on greenhouse temperature on November 23,2016

2.2 不同處理對(duì)脫毒苗移栽成活率和微型薯物候期的影響

表1結(jié)果表明，智能監(jiān)控管理的各品種脫毒苗移栽成活率均高于對(duì)照，‘費(fèi)烏瑞它’脫毒苗成活率為99.51%，較對(duì)照溫室成活率提高8.30個(gè)百分點(diǎn)，‘大西洋’脫毒苗成活率為99.48%，較對(duì)照提高10.17個(gè)百分點(diǎn)，‘荷蘭15號(hào)’脫毒苗成活率為98.16%，較對(duì)照提高9.93個(gè)百分點(diǎn)，處理間差異均達(dá)顯著水平。

從表1各品種的生育期可知，三葉期，‘費(fèi)烏瑞它’脫毒薯較對(duì)照提前2 d，‘大西洋’脫毒薯、‘荷蘭15號(hào)’脫毒薯較對(duì)照均提前1 d；五葉期，‘費(fèi)烏瑞它’脫毒薯較對(duì)照提前3 d，‘大西洋’脫毒薯、‘荷蘭15號(hào)’脫毒薯較對(duì)照均提前2 d；‘費(fèi)烏瑞它’脫毒薯的采收期較對(duì)照提前5 d，‘大西洋’脫毒薯較對(duì)照提前7 d，‘荷蘭15號(hào)’脫毒薯較對(duì)照提前6 d。

表1 不同處理對(duì)脫毒苗移栽成活率和微型薯物候期的影響Table 1 Effectsofdifferenttreatmentsonvirus-freeplantlettransplantingsurvivalrateandmintuberphenophase

試驗(yàn)結(jié)果表明，智能監(jiān)控管理溫室不但提供了適宜的溫度，還可以及時(shí)反映作物土壤的濕度，并及時(shí)對(duì)作物進(jìn)行灌溉，這有利于不同品種脫毒苗移栽成活，也不同程度的提前了微型薯的生育期。

2.3 不同處理對(duì)脫毒苗植株株高、莖粗的影響

表2結(jié)果表明，隨著智能化水肥系統(tǒng)的啟動(dòng)，各處理脫毒苗植株的株高逐漸增大、莖加粗。在剛開始移栽之后，各處理的脫毒薯植株株高、莖粗并無明顯差異，隨著植株生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程，不同處理間植株的株高、莖粗的生長(zhǎng)速度不一，植株株高、莖粗逐漸開始顯現(xiàn)差異。

從表2各處理間各品種的植株株高可知，‘費(fèi)烏瑞它’、‘大西洋’、‘荷蘭15號(hào)’在智能化水肥系統(tǒng)啟動(dòng)后，每個(gè)不同時(shí)期的測(cè)定值，‘費(fèi)烏瑞它’、‘大西洋’、‘荷蘭15號(hào)’均較對(duì)照溫室中同品種間植株株高高，其中10月23日，‘大西洋’和‘荷蘭15號(hào)’脫毒苗的株高與對(duì)照差異顯著。10月23日‘費(fèi)烏瑞它’脫毒苗的株高為27.40 cm，較對(duì)照溫室中同品種植株高1.60 cm，提高了6.2%，‘大西洋’脫毒苗的株高為28.00 cm，較對(duì)照溫室中同品種植株高1.23 cm，提高了4.6%，‘荷蘭15號(hào)’脫毒苗的株高為30.12 cm，較對(duì)照溫室中同品種植株高0.97 cm，提高了3.3%。

從表2各處理間各品種的植株莖粗可知，每個(gè)不同時(shí)期的測(cè)定值，同品種處理的莖粗均較對(duì)照的高，其中10月23日‘荷蘭15號(hào)’脫毒苗的莖粗與對(duì)照差異顯著。10月23日處理溫室中‘費(fèi)烏瑞它’脫毒苗的莖粗為4.79 mm，較對(duì)照溫室中同品種植株粗0.28 mm，提高了6.2%，‘大西洋’脫毒苗的莖粗為4.37 mm，較對(duì)照溫室中同品種植株粗0.22 mm，提高了5.3%，‘荷蘭15號(hào)’脫毒苗的莖粗為4.98 mm，較對(duì)照溫室中同品種植株粗0.37 mm，提高了8.0%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，智能管理的溫室，隨著作物水肥的需求，智能水肥系統(tǒng)啟動(dòng)，當(dāng)作物出現(xiàn)缺水缺肥時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警提示系統(tǒng)，人工加入營(yíng)養(yǎng)液，進(jìn)而進(jìn)行自動(dòng)灌溉，當(dāng)水肥達(dá)到上限值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉水肥灌溉系統(tǒng)，這就滿足了脫毒苗的需水肥要求，進(jìn)而有利于脫毒苗的生長(zhǎng)。

2.4 不同處理對(duì)單位面積產(chǎn)粒數(shù)和合格率的影響

從表3方差分析可知，不同品種間脫毒薯的單株粒數(shù)、總粒數(shù)、合格率均較對(duì)照提高。與對(duì)照相比，智能控制處理后，日光溫室栽培的3個(gè)馬鈴薯微型薯品種單株粒數(shù)、總粒數(shù)和合格率得到明顯提高，處理間達(dá)顯著水平。

從表3的單株粒數(shù)可知，智能控制處理后‘費(fèi)烏瑞它’微型薯為1.92粒、‘大西洋’微型薯為1.79粒、‘荷蘭15號(hào)’微型薯為1.43粒，分別較對(duì)照高0.15，0.25和0.25粒，單株粒數(shù)分別提高了8.5%、16.2%和21.2%。

從表3的總粒數(shù)可知，智能控制處理后‘費(fèi)烏瑞它’微型薯為384.90萬粒、‘大西洋’微型薯為358.65萬粒、‘荷蘭15號(hào)’微型薯為286.65萬粒，分別較對(duì)照高30.75萬，50.55萬和51.00萬粒。

從表3的合格率可知，智能控制處理后‘費(fèi)烏瑞它’微型薯為91.23%、‘大西洋’微型薯為79.10%、‘荷蘭15號(hào)’微型薯為83.10%，分別較對(duì)照高9.61，11.57和8.63個(gè)百分點(diǎn)，合格率分別提高了11.8%、17.1%和11.6%。

表2 不同處理對(duì)脫毒苗植株株高、莖粗的影響Table 2 Effects of different treatments on virus-free plant height and stem diameter

表3 不同處理對(duì)馬鈴薯微型薯產(chǎn)量和合格率的影響Table 3 Effects of different treatments on minituber yield and qualified rate

試驗(yàn)結(jié)果表明，智能管理的溫室，隨著脫毒薯溫度、濕度、水肥等的需求，溫室智能化通風(fēng)口、智能化水肥系統(tǒng)啟動(dòng)，當(dāng)作物出現(xiàn)高溫高濕、缺水缺肥、光照過強(qiáng)等情況時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警提示系統(tǒng)，并進(jìn)行自動(dòng)通風(fēng)、自動(dòng)灌溉，當(dāng)指標(biāo)值達(dá)到上限值時(shí)，自動(dòng)開啟加熱設(shè)備、自動(dòng)關(guān)閉通風(fēng)口以及水肥灌溉系統(tǒng)，這就使溫室的環(huán)境得到有效的調(diào)控，進(jìn)而有效促進(jìn)植株的生長(zhǎng)。

3 討 論

智能化管理的溫室，隨著作物溫度、濕度、水肥等的需求，溫室自動(dòng)啟動(dòng)通風(fēng)口、水肥系統(tǒng)，當(dāng)作物出現(xiàn)高溫高濕、缺水缺肥、光照過強(qiáng)等情況時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警提示系統(tǒng)，并進(jìn)行自動(dòng)通風(fēng)、自動(dòng)灌溉，當(dāng)指標(biāo)值達(dá)到上限值時(shí)，自動(dòng)開啟加熱設(shè)備、自動(dòng)關(guān)閉通風(fēng)口以及水肥灌溉系統(tǒng)，因此，智能化管理溫室給作物提供了一個(gè)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。該環(huán)境能有效促進(jìn)植株的生長(zhǎng)，增加植株株高和莖粗，進(jìn)而提高脫毒苗移栽成活率；該環(huán)境能及時(shí)提示作物土壤的濕度和營(yíng)養(yǎng)狀況，并及時(shí)對(duì)作物進(jìn)行澆水澆肥，有利于制造并合成更多的有機(jī)物，進(jìn)而提高了單株粒數(shù)、產(chǎn)量以及合格率。這與日光溫室封閉式栽培系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究得出的結(jié)論相似，袁洪波[7]試驗(yàn)結(jié)果表明，采用封閉式栽培方式在產(chǎn)量方面存在一定的優(yōu)勢(shì)。

日光溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，提高溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)水平，有利于節(jié)約生產(chǎn)資源，節(jié)省人力成本，提高作物產(chǎn)量，增加農(nóng)民收入[8,9]。日光溫室智能化監(jiān)控系統(tǒng)具有可控功能，為不同作物的生長(zhǎng)、繁育提供適宜的環(huán)境，更能突出日光溫室的節(jié)能和高產(chǎn)高效優(yōu)勢(shì)[10]。智能化管理溫室具有可設(shè)定溫度功能，可以控制溫室溫度在馬鈴薯微型薯不同生長(zhǎng)階段的設(shè)定值內(nèi)，從而可以滿足馬鈴薯微型薯在不同生長(zhǎng)階段的適宜溫度。大量的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究證明，溫濕度、光照對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)都有影響[11]，環(huán)境智能化監(jiān)控系統(tǒng)在馬鈴薯微型薯生產(chǎn)中起到了有效的監(jiān)測(cè)和控制，對(duì)微型薯的合格率及產(chǎn)量表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境條件變化的積極響應(yīng)，以期在溫室馬鈴薯微型薯生產(chǎn)中，有利于馬鈴薯微型薯生長(zhǎng)發(fā)育，實(shí)現(xiàn)豐產(chǎn)、高效，提高果實(shí)品質(zhì)。

但溫室環(huán)境是一個(gè)綜合的、多參數(shù)、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)[12]，單純的研究智能化可監(jiān)控溫室溫度對(duì)脫毒苗移栽成活率、生育期、產(chǎn)粒數(shù)以及合格率的影響是不夠的，還應(yīng)該從光照、CO2、土壤溫濕度、水肥等因素對(duì)脫毒薯產(chǎn)粒數(shù)以及合格率的影響方面進(jìn)一步深入研究；其次，單純的在馬鈴薯脫毒薯生產(chǎn)中應(yīng)用智能化可監(jiān)控系統(tǒng)具有局限性，還應(yīng)該從溫室栽培的其他作物著手進(jìn)一步深入研究。