基于物聯(lián)網(wǎng)的鐵皮石斛仿野生高品質(zhì)栽培關鍵技術

張明麗++呂偉德++饒君鳳++陳國汀++邊天煜

摘要 介紹基于物聯(lián)網(wǎng)的鐵皮石斛仿野生高品質(zhì)栽培關鍵技術的研究現(xiàn)狀，即通過對鐵皮石斛田間生態(tài)指標和多糖的測定，篩選出高品質(zhì)鐵皮石斛品種；通過種苗選擇、基質(zhì)配制及附生種植等技術對鐵皮石斛進行仿野生種植；利用智能化物聯(lián)網(wǎng)栽培管理系統(tǒng)對鐵皮石斛的生長環(huán)境進行監(jiān)測和調(diào)控，達到智能化栽培管理的目的。

關鍵詞 鐵皮石斛；多糖；仿野生；物聯(lián)網(wǎng)；栽培技術

中圖分類號 S567.23 文獻標識碼 B 文章編號 1007-5739（2016）19-0089-03

鐵皮石斛（Dendrobium candidum Wall.ex Lind L.）為蘭科石斛屬多年生附生草本植物，是我國特有的一種植物，其野生生長條件非?？量?，主要分布于西南和江南各省海拔600～2 500 m的山谷半陰濕林中的樹干或巖石上。作為一種名貴藥材，鐵皮石斛具有滋陰補腎、健脾養(yǎng)胃、潤肺生津等功效，可用于治療慢性萎縮性胃炎、糖尿病、高血壓等疾病，具有抗腫瘤、抗衰老等作用[1]。鐵皮石斛的種子非常小而且沒有胚乳，因此在自然條件下用實生苗進行栽培存在困難；而用傳統(tǒng)的分株、扦插等方式進行繁殖也存在繁殖率極低的問題；加上人為過度采挖和破壞生境，鐵皮石斛野生資源已面臨日益枯竭的危險。因此，高品質(zhì)的鐵皮石斛供不應求。

鑒于人們對高品質(zhì)鐵皮石斛的迫切需求，相關學者研究出一種仿野生種植鐵皮石斛的栽培模式。該模式以人工干預少、自然化、集約化生產(chǎn)為目的，利用林間環(huán)境資源優(yōu)勢，以自然生長的樹木為載體進行生產(chǎn)[2]。筆者以木榧為附主植物，對高含量石斛多糖成分的鐵皮石斛品種，進行仿野生栽培，形成全程規(guī)范化的種植關鍵技術，為今后的藥用石斛資源的推廣應用提供理論依據(jù)和技術支持。

1 高品質(zhì)鐵皮石斛品種篩選

鐵皮石斛資源受到野生資源的種類、親緣關系、分類地位、蘊藏量及生態(tài)地理環(huán)境等影響。由于鐵皮石斛自花基本不育，因此雖然一直致力于將人工雜交技術運用在其繁殖上，但是收獲甚微，自然結實依然主要借助昆蟲這一媒介進行傳播授粉，導致結實率很低的現(xiàn)狀無法突破，也使鐵皮石斛資源瀕臨滅絕。另外，昆蟲傳播授粉還存在一個弊端，即無法控制父本而導致目前栽培的鐵皮石斛品系比較復雜，存在品種內(nèi)一致性差、世代之間遺傳穩(wěn)定性差等問題。因此，鐵皮石斛種質(zhì)資源的引種篩選意義重大。

1.1 田間生態(tài)指標觀測

通過對鐵皮石斛的種質(zhì)資源調(diào)查和市場分析，初步選定用于種植的鐵皮石斛品種。種植場地要求周圍無污染源，配備遮陽網(wǎng)、噴霧系統(tǒng)及通風設備。分別記錄不同品種的各項生長指標，包括葉色、形態(tài)、葉長、葉寬、莖桿長度和莖桿粗度等。通過對各個品種的葉面積、葉長寬比、莖長、莖粗指標的對比，初步篩選出生長性狀優(yōu)良的品種。

1.2 有機物質(zhì)含量的測定

鐵皮石斛的品質(zhì)取決于有效成分的種類及含量，主要是多糖類、氨基酸及微量元素。不同鐵皮石斛種類差異十分顯著。把經(jīng)過田間生態(tài)指標篩選出的優(yōu)良品種進行有機物質(zhì)含量的測定，以進行進一步的篩選。

1.2.1 多糖。判斷鐵皮石斛質(zhì)量的好壞，一般常用多糖含量的高低來衡量。這是因為多糖類成分是鐵皮石斛中具有抗腫瘤作用和免疫增強作用的活性成分。鐵皮石斛生理活性的強弱與其多糖含量密切相關。多糖含量越高，質(zhì)越重，嚼之越有黏性，質(zhì)量更優(yōu)[3]。

采用GB/T5009.8-2008國家標準規(guī)定的方法，用酸水解法測定鐵皮石斛中多糖含量。稱取20 g粉碎后的試樣，置250 mL容量瓶中，加入200 mL水，在45 ℃水浴中加熱1 h，冷卻沉淀。吸取200 mL上清液加入5 mL乙酸鋅溶液及5 mL亞鐵氰化鉀溶液，靜置30 min，用干燥濾紙過濾，取濾液加入鹽酸，水浴加熱冷卻后，加入2滴甲基紅指示液，用氫氧化鈉溶液中和至中性。然后用堿性酒石酸銅溶液滴定測試。

1.2.2 氨基酸。氨基酸是人類必需的重要營養(yǎng)成分，鐵皮石斛含有16 種氨基酸，分別為谷氨酸、天門冬氨酸、甘氨酸、纈氨酸、亮氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、丙氨酸、胱氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、賴氨酸、組氨酸、精氨酸、脯氨酸、酪氨酸等，其中谷氨酸、天門冬氨酸、甘氨酸、纈氨酸和亮氨酸等主要氨基酸的含量非常接近，總和占總氨基酸含量的53%。人體必需的氨基酸中除了色氨酸其他均含有，某些氨基酸還具有生物活性和療效。鐵皮石斛性味甘淡微咸的特點，正是由氨基酸的組成特性導致的。采用GB/T5009.124-2003國家標準規(guī)定的方法，用氨基酸自動分析儀測定鐵皮石斛中氨基酸的含量。

1.2.3 微量元素的測定。鐵皮石斛含有銅、鋅、鐵、錳、鈣、鎂、鉀等7種主要微量元素。分別采用GB/T5009.90-2003、GB/T5009.91-2003、GB/T5009.92-2003、GB/T5009.13-2003和GB/T5009.14-2003國家標準規(guī)定的方法，分析測定鐵皮石斛中各種微量元素的含量。采用原子吸收分光譜儀，其中鉀采用火焰光度計測定。

2 仿野生鐵皮石斛的種植技術

2.1 種苗選擇

把經(jīng)過田間指標和有機物質(zhì)檢測篩選出的高品質(zhì)鐵皮石斛品種，進行組織培養(yǎng)。用于栽培種植的即是組培馴化苗。馴化苗移栽的成活率是組培苗移到大田栽培的過程成功與否最為關鍵的指標。一般移栽出瓶的標準是苗根系長到2 cm左右，移栽前先將瓶口敞開進行煉苗，按照循序漸進的原則慢慢加大敞開程度，置于室溫下讓其適應自然的溫濕度條件，一般煉苗時間為4～6 d。待苗適應自然條件后，用鑷子取出帶有培養(yǎng)基的幼苗，為了防止瓊脂發(fā)霉引起爛根，要將幼苗置于清水中進行清洗。同時，為了方便栽培管理，提高成活率，洗苗時順帶對苗進行分級，一般分級標準參照幼苗的大小和健壯程度。清洗干凈的幼苗在莖葉保濕的情況下，為了便于根系的脫水，最好先陰晾3～4 d。因為清洗干凈的幼苗根部由于含水量較高而表現(xiàn)很脆弱，容易受傷感染病菌。陰晾后將苗移栽到疏松基質(zhì)中，放置在陰涼通風處進行保濕培養(yǎng)。

鐵皮石斛具有較強的群體生長效應，為了防止植株生長嚴重惡化[3]，切忌將株叢拆分成單株栽植，最好采用叢植的種植方式。栽植時，要求選取規(guī)格為每叢3株以上，主莖長5 cm以上，4～6節(jié)，4～6片葉子，根系發(fā)達，植株莖段健壯的苗木。在種植的初期，為了保證成活率，要求溫室的室溫控制在15 ℃以上。種植后7 d左右，如果觀察植株發(fā)現(xiàn)葉片和莖的顏色都發(fā)生了變化，則表明種苗基本成活。

2.2 基質(zhì)配制

鐵皮石斛喜微酸性或中性的基質(zhì)，因此在栽培基質(zhì)選擇上，可以考慮松鱗、粗河沙、泥炭土和碎石子等材質(zhì)，按照不同種類和比例混合均勻即可。例如選用松鱗、泥炭、碎石子等材質(zhì)，按照6∶2∶2的比例進行配制，結果發(fā)現(xiàn)基質(zhì)存在容易干、水分流失較多的缺點，而且保溫效果較差，待天氣轉(zhuǎn)涼后將對根系的生長產(chǎn)生不利影響。因此，對基質(zhì)材質(zhì)進行替換，將碎石子替換為粗河沙。雖然粗河沙的保溫效果較好，幼苗可以順利過冬，但是粗河沙的基質(zhì)排水不暢，隨著天氣轉(zhuǎn)暖又會造成部分鐵皮石斛的根系腐爛、莖干干枯。再次對基質(zhì)進行改良，材料選擇鋸末和泥炭，按照6∶4的比例進行配制，厚度控制在10～12 cm，經(jīng)試驗認為該基質(zhì)的配比方式為鐵皮石斛幼苗最佳生長配方。隨著栽培年限增長，基質(zhì)也在不斷被消化，要滿足植株正常生長所需基質(zhì)厚度，就必須每年對基料進行添加，添加次數(shù)以每年1～2次為宜[4]。

2.3 附生種植

選取木榧為附主植物。采用麻繩將鐵皮石斛及基質(zhì)捆綁到樹上的方式進行林下仿野生種植[5]。在仿野生種植前，將鐵皮石斛馴化苗浸泡在0.2%多菌靈中消毒10 min備用。在附生樹中選擇光線充足的枝干部位，按20 cm的株距種植。首先處理鐵皮石斛的根系，用完全濕潤的水苔將其包裹住，然后再裹上鋸末和泥炭，要求鋸末和泥炭是已經(jīng)發(fā)酵過的。處理完畢后，先用麻繩進行捆綁，再用鐵絲將其固定到樹上，注意根系伸展[6]。附身樹都需安裝噴霧系統(tǒng)。

3 智能物聯(lián)網(wǎng)栽培管理系統(tǒng)

利用智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)對鐵皮石斛的生長過程進行全程監(jiān)測和反饋操作，篩選出鐵皮石斛生長的最適環(huán)境因子組合，進行新型栽培技術的優(yōu)化。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)布設于田間的目標區(qū)域。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的結構構成

物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)包含4個子系統(tǒng)，分別為傳感信息采集和傳輸系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、信息管理與分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)（圖1）。

3.1.1 傳感器信息采集和傳輸系統(tǒng)。一是傳感器。包括溫度、濕度、光照、CO2濃度、土壤EC值、土壤pH值、土壤溫度、土壤水分等傳感器，用戶可根據(jù)需要增減。二是現(xiàn)場無線變送器。將傳感器信號經(jīng)調(diào)理后通過無線網(wǎng)絡發(fā)送出去，每個現(xiàn)場變送器可接多路傳感器。三是無線路由器。無線信號中繼。四是現(xiàn)場監(jiān)控主機。即通信網(wǎng)關，實現(xiàn)現(xiàn)場無線網(wǎng)絡與GPRS/3G公網(wǎng)的信息轉(zhuǎn)換。五是網(wǎng)絡融合。將采集的數(shù)據(jù)信息接入智慧農(nóng)業(yè)平臺服務器。六是LED屏幕。接收并顯示各路傳感器的實時信息，便于農(nóng)戶隨時觀察各種環(huán)境參數(shù)。七是智慧農(nóng)業(yè)平臺服務器。安裝在電信服務器機房內(nèi)，用戶通過瀏覽器或手機訪問該服務。

3.1.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高精度網(wǎng)絡攝像機，系統(tǒng)的清晰度和穩(wěn)定性等參數(shù)均符合國內(nèi)相關標準。攝像機的圖像上傳至網(wǎng)絡視頻服務器，用戶可以借助電腦或手機隨時隨地觀看到溫室內(nèi)的實際影像。

3.1.3 信息管理與分析系統(tǒng)。在服務器上建立智慧農(nóng)業(yè)信息管理平臺，通過該平臺可以對被測對象進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)挖掘與曲線分析、報警管理和綜合管理。用戶可以根據(jù)對各種數(shù)據(jù)的觀察和分析，進行栽培過程的控制決策。同時，系統(tǒng)也可以智能的根據(jù)已有的算法自動向控制系統(tǒng)發(fā)出各種動作指令。

3.1.4 控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的組成結構主要包括控制設備和相應的繼電器控制電路，通過繼電器可以實現(xiàn)對噴淋、滴灌等噴水系統(tǒng)等各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設備的自由控制。控制系統(tǒng)既可以通過智能分析系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)控，也支持采用人工方式對設備進行操作。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的栽培管理調(diào)控

物聯(lián)網(wǎng)傳感器的網(wǎng)絡節(jié)點大量實時地采集環(huán)境信息，包括溫度、濕度、光照、氣體濃度等內(nèi)容，同時還精確地獲取土壤信息，包括土壤水分、溫度、電導率、pH值等內(nèi)容；然后在數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點將這些信息匯集，可以為種植環(huán)境的精確調(diào)控提供可靠依據(jù)。通過將獲得的多環(huán)境因素優(yōu)化控制模型轉(zhuǎn)化為具體控制算法，在鐵皮石斛生長的各個環(huán)節(jié)，根據(jù)檢測到的環(huán)境因子參數(shù)，對比數(shù)據(jù)庫中的最適環(huán)境參數(shù)范圍，實現(xiàn)執(zhí)行設備打開關閉的自動化，從而實現(xiàn)栽培環(huán)境調(diào)控的智能化（圖2）。

所有傳感器數(shù)據(jù)全部存儲在服務器中，形成物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫。當用戶需要查詢的時候，系統(tǒng)不僅可以通過各種報表向用戶直觀地展示空間分布狀況（場圖）和時間分布狀況（折線圖），而且還可以提供日報、月報等歷史報表，幫助用戶進行數(shù)據(jù)分析和研究（圖3）。同時，用戶也可以根據(jù)長期大量數(shù)據(jù)的分析，更加深入地了解多種環(huán)境因素與作物生長過程，進而對環(huán)境優(yōu)化控制模型進行不斷改進和完善。

鐵皮石斛屬于陰生植物，最佳生長條件為涼爽、濕潤、空氣暢通的區(qū)域。因此，鐵皮石斛在栽培養(yǎng)護時，要注意控制好水分，這點比較重要。當物聯(lián)網(wǎng)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示植株周邊空氣濕度低于30%時，系統(tǒng)會自動啟動噴霧系統(tǒng)增加空氣濕度；當土壤含水量低于系統(tǒng)設定的臨界土壤含水量時，噴灌系統(tǒng)會自動打開，進行灌溉。

鐵皮石斛生長比較緩慢，不需要施過多的肥料，因為其根、莖、葉可以吸收空氣中的養(yǎng)分，并將養(yǎng)分積累成對自己有益的有用成分[7]。如果頻繁施入養(yǎng)分，可能會影響鐵皮石斛的生長，因為過多的養(yǎng)分可以造成基質(zhì)表面發(fā)綠結痂而影響基質(zhì)的透氣性。但基于鐵皮石斛自然生長速度較慢的現(xiàn)狀，必須適時適量地提供養(yǎng)分，以促進鐵皮石斛的生長。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)會在土壤pH值、EC值發(fā)生變化時，通過數(shù)據(jù)分析，自行判斷和反饋需要施肥的種類和數(shù)量來進行施肥。

4 結語

目前，在鐵皮石斛的組織培養(yǎng)和人工栽培方面已經(jīng)有較為深入的研究，而且碩果頗豐，運用現(xiàn)代生物技術與現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術相結合的方法，以木榧為附主植物的仿野生栽培，既還原了鐵皮石斛的野生生長環(huán)境，又節(jié)約了生產(chǎn)成本，并使其種植成活率明顯提高。仿野生鐵皮石斛栽培模式實施“智能化物聯(lián)網(wǎng)”管理，對后期管理質(zhì)量及效率的提高具有明顯的作用，形成以“互聯(lián)網(wǎng)+仿野生”為主導的種植理念，與目前社會上鐵皮石斛大面積大棚種植及人工栽培管理的模式相比較，具有明顯的優(yōu)越性[8-15]。

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