果樹需冷量自動(dòng)檢測(cè)裝置的研制及在櫻桃上的應(yīng)用試驗(yàn)

張道輝， 朱東姿 ， 劉慶忠*，郝秀梅， 魏福剛

(1.山東省果樹研究所/山東省果樹生物技術(shù)育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271000；2.萊蕪市萊城區(qū)茶業(yè)口鎮(zhèn)農(nóng)技站；3.萊蕪市口鎮(zhèn)農(nóng)技站)

?

果樹需冷量自動(dòng)檢測(cè)裝置的研制及在櫻桃上的應(yīng)用試驗(yàn)

張道輝1， 朱東姿1， 劉慶忠1*，郝秀梅2， 魏福剛3

(1.山東省果樹研究所/山東省果樹生物技術(shù)育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271000；2.萊蕪市萊城區(qū)茶業(yè)口鎮(zhèn)農(nóng)技站；3.萊蕪市口鎮(zhèn)農(nóng)技站)

為解決人工監(jiān)測(cè)落葉果樹需冷量準(zhǔn)確度差、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，研制了“落葉果樹需冷量自動(dòng)檢測(cè)裝置”，包括現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)、溫度信號(hào)處理、數(shù)字顯示、測(cè)控信號(hào)轉(zhuǎn)換與輸出、有效低溫設(shè)定值信號(hào)發(fā)生器、電源輸出控制、手動(dòng)顯示控制、需冷量記錄顯示等單元。經(jīng)連續(xù)3年2個(gè)生產(chǎn)周期用于甜櫻桃保護(hù)地栽培試驗(yàn)應(yīng)用表明，該裝置能準(zhǔn)確檢測(cè)落葉果樹的需冷量，使扣棚控溫時(shí)機(jī)的掌控更科學(xué)合理，節(jié)省人力，解決了因需冷量監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)造成的萌芽不齊、坐果不良和延遲成熟等問(wèn)題，使果實(shí)產(chǎn)量、質(zhì)量及采收期控制均達(dá)到預(yù)期效果，替代了人工檢測(cè)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

落葉果樹；需冷量；自動(dòng)檢測(cè)；保護(hù)地栽培；甜櫻桃

落葉果樹需冷量(需冷積溫或低溫需求量)是落葉果樹對(duì)生理休眠有效低溫量的要求，以栽培環(huán)境中有效低溫存續(xù)時(shí)數(shù)為計(jì)量單位，只有滿足了需冷量才能完成自然休眠，進(jìn)行正常的生長(zhǎng)發(fā)育[1]。需冷量也是落葉果樹進(jìn)行保護(hù)地栽培時(shí)確定扣棚控溫時(shí)機(jī)的關(guān)鍵依據(jù)。對(duì)落葉果樹保護(hù)地栽培需冷量的測(cè)定，國(guó)內(nèi)一直沿用可自動(dòng)檢測(cè)需冷量的3種傳統(tǒng)估算方法，分別是“低于7.2℃模型”、“猶他模型”和“動(dòng)力學(xué)模型”，都是以深秋及初冬季節(jié)檢測(cè)到的有效低溫及存續(xù)時(shí)間為計(jì)算基礎(chǔ)[2-4]。由于有效低溫出現(xiàn)及存續(xù)時(shí)間不規(guī)律，且經(jīng)常出現(xiàn)在夜間和陰冷天，目前普遍不具備溫度全自動(dòng)檢測(cè)記錄條件的種植戶只能靠人工現(xiàn)場(chǎng)晝夜監(jiān)測(cè)記錄有效低溫值及存續(xù)時(shí)間，操作難度大，特別是對(duì)夜間突變天氣短暫出現(xiàn)的有效低溫，很難準(zhǔn)確記錄其存續(xù)時(shí)間，估算出的需冷量存在較大誤差，造成以需冷量為主要依據(jù)的保護(hù)地栽培扣棚控溫時(shí)機(jī)掌控不準(zhǔn)。若扣棚控溫時(shí)間太早，樹體會(huì)由于需冷量不足產(chǎn)生發(fā)育障礙[5-6]，萌發(fā)不齊，花器官畸形或敗育，果實(shí)質(zhì)量下降、減產(chǎn)或絕產(chǎn)；若扣棚控溫時(shí)間滯后，則會(huì)導(dǎo)致成熟期延遲，影響經(jīng)濟(jì)效益。筆者研制了“落葉果樹需冷量自動(dòng)檢測(cè)裝置”[7-8]，包括現(xiàn)場(chǎng)溫度自動(dòng)檢測(cè)、有效低溫選擇、控制信號(hào)轉(zhuǎn)換與輸出、需冷量自動(dòng)積累顯示記錄等單元，經(jīng)連續(xù)3年2個(gè)生產(chǎn)周期用于甜櫻桃保護(hù)地栽培試驗(yàn)，效果良好，能準(zhǔn)確檢測(cè)需冷量，使扣棚控溫時(shí)機(jī)的掌控準(zhǔn)確無(wú)誤，結(jié)合高精度調(diào)控保護(hù)地栽培環(huán)境的溫度、濕度，解決了萌芽不齊、坐果不良、延遲成熟等問(wèn)題，使果實(shí)產(chǎn)量、質(zhì)量及采收期控制均達(dá)到預(yù)期效果，顯著降低了人工檢測(cè)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1　需冷量自動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)構(gòu)件與工作原理

落葉果樹需冷量自動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與工作原理如圖1所示，由現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)、溫度信號(hào)處理、數(shù)字顯示、測(cè)控信號(hào)轉(zhuǎn)換與輸出、有效低溫設(shè)定值信號(hào)發(fā)生器、電源輸出控制、手動(dòng)顯示控制、需冷量記錄顯示等單元組成，具有帶線遙測(cè)功能，遙測(cè)距離0～500m。溫度檢測(cè)單元將保護(hù)地栽培現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度信號(hào)通過(guò)信號(hào)傳輸電纜、溫度傳感器、信號(hào)變送器等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸送到溫度信號(hào)處理單元，經(jīng)線性化調(diào)整和信號(hào)放大后分成兩路，一路輸送到數(shù)字顯示單元顯示保護(hù)地栽培現(xiàn)場(chǎng)的溫度值，另一路輸送到測(cè)控信號(hào)轉(zhuǎn)換與輸出單元，與設(shè)定值信號(hào)比較處理后變換成可控制電源輸出的控制信號(hào)，輸送到電源輸出控制單元。電源輸出控制單元根據(jù)與栽培現(xiàn)場(chǎng)溫度具有線性關(guān)系的輸入信號(hào)，停止或輸送電網(wǎng)電源，當(dāng)停止電網(wǎng)電源時(shí)表明栽培現(xiàn)場(chǎng)無(wú)有效低溫存在，需冷量記錄顯示單元不積累也不顯示記錄的需冷量，當(dāng)輸送電網(wǎng)電源時(shí)表明栽培現(xiàn)場(chǎng)有效低溫存在，需冷量記錄顯示單元?jiǎng)討B(tài)顯示積累的需冷量。

圖1　落葉果樹需冷量自動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與工作原理框圖

圖2　落葉果樹需冷量自動(dòng)檢測(cè)裝置實(shí)體圖

圖1中現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)單元中的溫度傳感器采用AD590M半導(dǎo)體集成溫度傳感器，具有靈敏度高、反應(yīng)速度快，帶線傳輸距離(遙測(cè)距離)遠(yuǎn)的特點(diǎn)[9-10]，帶線遙測(cè)距離就是信號(hào)傳輸電纜的長(zhǎng)度。有效低溫設(shè)定值信號(hào)發(fā)生器單元，主要由工作點(diǎn)定位電阻、設(shè)定值信號(hào)調(diào)節(jié)電位器等組成，工作點(diǎn)定位電阻選用溫度系數(shù)為±0.0005%/℃的RX710-A型精密線繞電阻，設(shè)定值信號(hào)調(diào)節(jié)電位器選用溫度系數(shù)為±0.002%/℃的HP-16型精密線繞電位器。手動(dòng)顯示控制單元，由AS1601-DR型按鈕開(kāi)關(guān)、防抖動(dòng)電容等組成，其功能是當(dāng)栽培現(xiàn)場(chǎng)無(wú)有效低溫時(shí)，通過(guò)手動(dòng)按鈕隨時(shí)觀看已積累的需冷量。圖2為果樹需冷量自動(dòng)檢測(cè)裝置實(shí)體圖。

需冷量記錄顯示器單元設(shè)計(jì)與工作原理如圖3所示，由觸發(fā)器A1、秒計(jì)數(shù)器(60進(jìn)制)B1、觸發(fā)器A2、分計(jì)數(shù)器(60進(jìn)制)B2、觸發(fā)器A3、時(shí)計(jì)數(shù)器(100進(jìn)制)B3、觸發(fā)器A4、時(shí)計(jì)數(shù)器(1000進(jìn)制)B4、8位LED顯示器C，共9個(gè)單元電路組成。觸發(fā)器A1選用74AC11074型具有可預(yù)設(shè)和復(fù)位功能的集成觸發(fā)器，每次得電都可自動(dòng)輸出觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)器A2、A3、 A4、均選用CD54AC74型具有復(fù)位功能的集成觸發(fā)器。計(jì)數(shù)器B1、B2、B3、B4均由同步10進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器74LS160級(jí)聯(lián)構(gòu)成。8位LED顯示單元C由74HC595型移位寄存器、FJ5461BH型七段數(shù)碼管等組成，可動(dòng)態(tài)顯示1秒到9999小時(shí)內(nèi)的任何需冷量值。

圖3　落葉果樹需冷量自動(dòng)檢測(cè)裝置實(shí)體圖

2　試驗(yàn)材料與方法

2.1試材與概況

以甜櫻桃作為落葉果樹需冷量自動(dòng)檢測(cè)供試樹種，試驗(yàn)地點(diǎn)選在山東省淄博市沂源縣燕崖鎮(zhèn)燕崖村，單棟甜櫻桃設(shè)施栽培大棚，面積2000m2。主栽品種紅燈、美早、薩米脫，授粉樹紅蜜、雷尼、拉賓斯和先鋒，共7個(gè)品種，主栽品種與授粉樹比例3∶1，均用考特砧木，樹齡9年生。2013年3月下旬定植，株行距3m×4m。2014年以培養(yǎng)樹體為主大量疏花疏果，每株產(chǎn)量控制在2kg以下。2015年以經(jīng)濟(jì)效益為主控制產(chǎn)量和質(zhì)量。每年花期棚內(nèi)放養(yǎng)蜜蜂增加授粉效果，每666.7m2約放養(yǎng)1.3萬(wàn)只。

2.2需冷量監(jiān)測(cè)與扣棚控溫時(shí)間的確定

2014年10月中旬后開(kāi)始，對(duì)試驗(yàn)地的供試甜櫻桃品種需冷量應(yīng)用自行研制的“落葉果樹需冷量自動(dòng)檢測(cè)裝置”進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并根據(jù)所栽甜櫻桃品種完成自然休眠需要的需冷量，確定具體扣棚控溫時(shí)間。由表1可知，從2014年10月15日到12月31日，栽培現(xiàn)場(chǎng)的需冷量自動(dòng)檢測(cè)值為950小時(shí)，已能滿足全部7個(gè)供試甜櫻桃品種對(duì)需冷量的要求，結(jié)合栽培現(xiàn)場(chǎng)的其他條件，根據(jù)目前甜櫻桃采收期越早市場(chǎng)效益越好的情況，在2014年基礎(chǔ)上調(diào)整了時(shí)間，確定2015年1月1日扣棚控溫。由于“落葉果樹需冷量自動(dòng)檢測(cè)裝置”可高精度自動(dòng)檢測(cè)和記錄需冷量值，超過(guò)1秒短暫時(shí)間出現(xiàn)的有效低溫，也會(huì)被累計(jì)記錄并準(zhǔn)確顯示，所以對(duì)扣棚控溫時(shí)間的確定及經(jīng)濟(jì)效益的預(yù)期也更科學(xué)合理。

表1　供試甜櫻桃品種完成自然休眠的需冷量及檢測(cè)值

2.3保護(hù)地栽培環(huán)境的溫度、濕度控制

保護(hù)地內(nèi)氣溫調(diào)控主要由人工操控的電動(dòng)卷簾機(jī)、透光塑料薄膜的頂部和底部換氣調(diào)節(jié)口、保溫棉被和草簾、地炕式加熱爐等裝置完成，表2是棚內(nèi)甜櫻桃不同生育期溫、濕度調(diào)控指標(biāo)及檢測(cè)數(shù)據(jù)。棚內(nèi)氣溫檢測(cè)由設(shè)置在棚外值班室的“甜櫻桃栽培大棚環(huán)境因子測(cè)控儀”[11]完成，其測(cè)溫探頭采用具有防水外殼的PT-100型熱敏電阻，將其置于棚內(nèi)具有溫度代表性的位置。白天，當(dāng)有陽(yáng)光且棚溫需提高時(shí)，電動(dòng)卷簾機(jī)把保溫棉被和草簾全部卷起，同時(shí)將頂部和底部換氣調(diào)節(jié)口縮小或封閉，盡可能多的讓陽(yáng)光通過(guò)塑料薄膜進(jìn)入大棚升高溫度。在雨雪、陰冷低溫天氣時(shí)，將棚體全面覆蓋保溫棉被和草簾，封閉換氣調(diào)節(jié)口，同時(shí)點(diǎn)燃地炕式加熱爐，開(kāi)啟排煙助燃軸流風(fēng)機(jī)，靠煤炭燃燒使棚內(nèi)溫度升高。當(dāng)需降低棚內(nèi)氣溫時(shí)，則要減少保溫棉被和草簾覆蓋面積，打開(kāi)或調(diào)大頂部換氣調(diào)節(jié)口，交換棚內(nèi)外的空氣降溫。如需快速降溫時(shí)，再打開(kāi)或調(diào)大底部換氣調(diào)節(jié)口，通過(guò)增加棚內(nèi)外空氣的交換速度實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要保溫或夜間調(diào)節(jié)棚溫時(shí)，也是通過(guò)調(diào)控上述裝置完成。根據(jù)甜櫻桃栽培區(qū)的氣候條件，通過(guò)太陽(yáng)能和加熱爐雙熱源升溫，可在整個(gè)冬季把棚溫控制在要求范圍內(nèi)。棚內(nèi)淺層地溫由氣溫和滴灌水溫及水量控制，地溫波動(dòng)幅度遠(yuǎn)小于氣溫的，特別是為防止生草，普遍地面覆蓋黑色塑料薄膜，地溫更加穩(wěn)定。需增加地溫時(shí)，除增加或保持棚溫外，還要減少滴灌時(shí)間，使淺層土透過(guò)的水量減小，溫度回升。反之，延長(zhǎng)滴灌時(shí)間，使地溫下降。如此調(diào)控，可在整個(gè)冬季把棚內(nèi)地溫動(dòng)態(tài)控制在要求范圍內(nèi)。

棚內(nèi)濕度檢測(cè)由設(shè)置在棚外值班室的“甜櫻桃栽培大棚環(huán)境因子測(cè)控儀” 完成。其濕度探頭采用霍尼威爾型濕度傳感器，置于棚內(nèi)具有濕度代表性的位置。棚內(nèi)濕度靠控制滴灌水和在黑色地膜上噴水維持，需根據(jù)地溫和空氣相對(duì)濕度的相互影響規(guī)律共同調(diào)控。需增加濕度時(shí)，延長(zhǎng)滴灌時(shí)間或多往黑色地膜上噴水。需降低濕度時(shí)減小滴灌時(shí)間，少噴或不向黑色地膜上噴水。整個(gè)冬季把棚內(nèi)濕度控制在要求的40%～85%范圍。

表2　棚內(nèi)甜櫻桃不同生育期溫濕度調(diào)控指標(biāo)及檢測(cè)數(shù)據(jù)

3　結(jié)果與分析

從2013年3月到2015年5月，連續(xù)3年2個(gè)生產(chǎn)周期應(yīng)用“落葉果樹需冷量自動(dòng)檢測(cè)裝置”檢測(cè)甜櫻桃保護(hù)地栽培現(xiàn)場(chǎng)的需冷量，以所測(cè)數(shù)據(jù)為扣棚控溫時(shí)間的依據(jù)，進(jìn)行保護(hù)地栽培試驗(yàn)。 2013年12月27日扣棚控溫，2014年4月8日開(kāi)始采果。2015年1月1日扣棚控溫，2015年4月10日開(kāi)始采收。連續(xù)2年采用相同的管理辦法和調(diào)控指標(biāo)，均效果良好，未出現(xiàn)萌芽不齊、花器官畸形、敗育、果實(shí)畸形等現(xiàn)象。2013～2014年生產(chǎn)周期的試驗(yàn)，以培養(yǎng)樹體為主，大量疏花疏果，每株產(chǎn)量控制在2kg以內(nèi)。2014～2015年生產(chǎn)周期的試驗(yàn)，以實(shí)際生產(chǎn)能力和市場(chǎng)需求為主，盡量提高產(chǎn)量和質(zhì)量，2015年采收后，對(duì)7個(gè)甜櫻桃品種的產(chǎn)量和優(yōu)質(zhì)果率進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，以果實(shí)大小均勻、色澤鮮亮、無(wú)裂痕、無(wú)缺陷、不畸形為優(yōu)質(zhì)果。優(yōu)質(zhì)果率和平均產(chǎn)量未按品種分別統(tǒng)計(jì)，因?yàn)椴煌贩N間采收期和產(chǎn)量都存在差別，所以把不同品種的產(chǎn)量和質(zhì)量共同統(tǒng)計(jì)。甜櫻桃7個(gè)品種紅燈、美早、薩米特、紅密、雷尼、先鋒、拉賓斯的優(yōu)質(zhì)果率達(dá)86%以上；平均666.7m2產(chǎn)量785kg以上；平均單果重分別是9.8g、12.2g、13g、7.6g、8.5g、8.5g、7.7g；果實(shí)采收期分別為4月10日(7天)、4月18日(12天)、4月27日(7天)、4月21日(6天)、4月25日(6天)、4月26日(8天)、4月30日(5天)。

4　小結(jié)

通過(guò)2013年3月至2015年5月3年2個(gè)生產(chǎn)周期的甜櫻桃需冷量自動(dòng)檢測(cè)及應(yīng)用試驗(yàn)表明，采用落葉果樹需冷量自動(dòng)檢測(cè)裝置自動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)地栽培環(huán)境的需冷量，測(cè)量精度高，操作簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度低，可明顯降低栽培成本；高精度監(jiān)測(cè)甜櫻桃需冷量使保護(hù)地栽培的扣棚控溫時(shí)機(jī)有了準(zhǔn)確依據(jù)，控制樹體在完成生理休眠的前題下盡早萌芽，果實(shí)適期成熟，可提高經(jīng)濟(jì)效益，避免出現(xiàn)萌芽不齊，坐果不良或果實(shí)成熟期推遲現(xiàn)象；并與現(xiàn)代環(huán)境測(cè)控技術(shù)結(jié)合，對(duì)棚內(nèi)栽培環(huán)境進(jìn)行的高精度調(diào)控，可使甜櫻桃的產(chǎn)量、質(zhì)量及成熟期得到有效控制。

[1]高東升, 束懷端, 李憲利等. 幾種適宜設(shè)施栽培果樹需冷量的研究[J]. 園藝學(xué)報(bào), 2001, 28(4): 283-289.

[2]楊玉春，魏永祥，孫斌.藍(lán)莓生理特性及需冷量研究進(jìn)展[J].遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012(3)：42-46.

[3]趙傳霞, 牟少巖. 臨朐縣大櫻桃果農(nóng)收入收入的影響因素分析[J]. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 25(2): 24-27.

[4]王淑春, 周竹英, 何增會(huì). 果樹設(shè)施栽培需冷量及猶他模型[J]. 河北林業(yè), 2002, (3): 24.

[5] 王玉寶, 馮曄, 劉愛(ài)鄉(xiāng). 設(shè)施栽培甜櫻桃低產(chǎn)原因及對(duì)策[J]. 中國(guó)果樹, 2006, (3): 59-60.

[6]沈元月, 郭家選, 高東升. 溫度與果樹設(shè)施園藝[J]. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 31(2): 217-220.

[7]張道輝, 劉慶忠, 趙紅軍, 等. 果樹休眠溫時(shí)檢測(cè)記錄儀[P]. 中國(guó)專利：ZL201230628569.4, 2013-8-14.

[8]莊維兵, 章鎮(zhèn), 侍婷, 等. 落葉果樹需冷量及其估算模型研究進(jìn)展[J]. 果樹學(xué)報(bào), 2012, 29(3): 447-453.

[9]劉燕，林志強(qiáng)，林欣悅，等.AD590集成電路溫度傳感器的特性測(cè)量與應(yīng)用[J].中國(guó)儀器儀表，2005(6)：58-61.

[10]鹿曉力，路立平，李奎，等.溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性完全補(bǔ)償方法研究與補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,33(3)：65-67-71.

[11]張道輝, 劉慶忠, 趙紅軍, 等. 一種甜櫻桃栽培大棚環(huán)境因子測(cè)控儀[P]. 中國(guó)專利：ZL201220387629.2, 2013-02-06.

2016-04-13

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)“小漿果產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與試驗(yàn)示范”(201103037)；山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系水果創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)專項(xiàng)基金(SDAIT-03-022-04)；十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃主要果樹新品種選育項(xiàng)目“櫻桃新品種選育”子課題(2013BAD02B03-3-2)。

劉慶忠(1963-)，男，山東莒南人，研究員，主要從事果樹生物技術(shù)與資源育種研究工作。

張道輝(1955-)，男，山東淄博人，研究員，主要從事環(huán)境控制與貯藏保鮮研究。E-mail:daohuizhang@sina.com

S162.1

A

1002-2910(2016)05-0020-05