番茄溫室生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)比較試驗研究

雷 娜，陳柏杰，劉志洋，門萬杰

(哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學院,黑龍江哈爾濱 150000)

物聯(lián)網(wǎng)自1999年提出以來，受到了各國的普遍重視，尤其是美國和歐洲的一些發(fā)達國家相繼開展了與物聯(lián)網(wǎng)相關的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)資源利用、農(nóng)產(chǎn)品安全監(jiān)管等農(nóng)業(yè)領域示范研究，并取得了一定的成果。

現(xiàn)階段，我國正從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉變，信息化的建設實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)向智能化轉型，物聯(lián)網(wǎng)技術是農(nóng)業(yè)向信息化、智能化轉型的必要條件。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將大量的傳感器節(jié)點構成監(jiān)控網(wǎng)絡，通過各種傳感器采集信息幫助農(nóng)民及時發(fā)現(xiàn)、定位、處理問題，農(nóng)業(yè)將逐漸從以人力為中心的生產(chǎn)模式轉向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，從而實現(xiàn)自動化、智能化、遠程控制。物聯(lián)網(wǎng)可充分利用現(xiàn)代信息技術改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，不斷提高農(nóng)業(yè)資源利用率和勞動生產(chǎn)率，推動農(nóng)業(yè)發(fā)展向集約型、規(guī)?；D變，提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平。

物聯(lián)網(wǎng)在溫室、大棚智能化管理中有重要而廣泛的應用空間，筆者以智能溫室的番茄生產(chǎn)和大棚的辣椒生產(chǎn)為試驗對象，展現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上了的應用效果，讓農(nóng)民實實在在體會到物聯(lián)網(wǎng)的好處，也為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的推廣提供強有力的數(shù)據(jù)支撐；同時，結合國內(nèi)的研究現(xiàn)狀提出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在蔬菜大棚應用中存在的問題，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在蔬菜大棚中的實踐應用提供參考。

1 材料與方法

1.1試驗材料試驗材料為櫻桃番茄品種“圣禧”。

1.2試驗方法

1.2.1產(chǎn)量比較試驗。試驗在哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)生產(chǎn)溫室B區(qū)和C區(qū)同時進行，試驗面積均為500 m2。B區(qū)根據(jù)經(jīng)驗的溫室調(diào)控操作管理；C區(qū)物聯(lián)網(wǎng)自動調(diào)控管理。

試驗時間為2016年9月1日—2017年8月31日。2016年8月初育苗，9月中上旬定植，11月中旬進入采收期，2017年2月末拉秧；2016年12月末育苗，3月初定植，5月中旬進入采收期，8月中下旬拉秧。

2個小區(qū)同時進行育苗、定植、測產(chǎn)，均為大壟雙行栽培，膜下滴管栽培，進行一年兩茬生產(chǎn)。每個壟種植60棵，每個區(qū)種植48根壟，總計種植2 880棵。

1.2.2莖流傳感器應用試驗。試驗在C區(qū)進行，為確保幼苗的成活率，定植后灌水1 次。灌水計劃濕潤層全生育期采用統(tǒng)一深度40 cm，當測定的土壤含水率值降到設定范圍內(nèi)即對溫室進行灌水。

在番茄生育期內(nèi)，選擇有代表性的3種天氣狀況(晴天、多云、陰雨天)，每30 min采集1次莖流速率數(shù)據(jù)，監(jiān)測番茄在不同天氣條件下植株莖流速率的日變化規(guī)律。

1.2.3葉面濕度傳感器應用試驗。試驗在C區(qū)進行，試驗設置2個水分處理，處理①土壤相對含水量為75%～90%；處理②土壤相對含水量為50%～60%。每個處理的小區(qū)面積為50 m2，苗期統(tǒng)一灌水，定植時番茄苗按統(tǒng)一標準篩選，定植后采用不同水分處理，在距地面25 cm處埋設土壤濕度傳感器進行監(jiān)測，采用葉面濕度儀測定葉片濕度，測定從上往下數(shù)第5片葉的葉片濕度，每30 s測定1次，30 min自動記錄平均值并保存。

2 結果與分析

2.1產(chǎn)量比較試驗由于串番茄采摘較頻繁，所以將采收期按月份進行產(chǎn)量統(tǒng)計。由表1可知，經(jīng)驗調(diào)控的溫室B區(qū)年產(chǎn)量2 312.5 kg，物聯(lián)網(wǎng)自動調(diào)控的C區(qū)年產(chǎn)量2 565.5 kg，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應用可以將溫室番茄產(chǎn)量提高10.90%。這是由于C區(qū)接入了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，隨著溫室環(huán)境條件變化，物聯(lián)網(wǎng)技術能及時指導生產(chǎn)，使得作物獲得較好的生長環(huán)境，而B區(qū)是工人根據(jù)管理經(jīng)驗調(diào)整溫室環(huán)境，有時不能保證作物生長環(huán)境最佳。因此可以推斷，物聯(lián)網(wǎng)的使用能使作物增產(chǎn)，并且提高管理效率。

表1 不同月份產(chǎn)量比較

2.2莖流傳感器應用試驗由圖1可知，在晴朗的天氣條件下，番茄莖流速率的日變化呈現(xiàn)單峰曲線，夜間有微弱的莖流。06：00莖流開始啟動，隨著太陽輻射的增強和飽和水汽壓差的升高，番茄植物的莖流速率迅速增大，到13：00 左右達到最大值，中午較平緩，14：00后隨著太陽輻射的降低而迅速減小，夜間在沒有太陽輻射的情況下仍存在微弱莖流，這是由植株內(nèi)部機制自我調(diào)節(jié)所致。在多云條件下，番茄植株莖流速率變化曲線呈現(xiàn)多峰型，太陽輻射的不穩(wěn)定變化使莖流的變化也極其不穩(wěn)定，但其依然隨著太陽輻射的變化而呈現(xiàn)規(guī)律性變化。在陰雨天，太陽輻射較弱，番茄植株莖流速率隨太陽輻射的緩慢升高而增大，隨著太陽輻射的緩慢降低而減小，莖流變化較為平緩。

圖1 不同天氣條件下溫室番茄莖流的日變化規(guī)律Fig.1 Daily variation curve of greenhouse tomato stem stream under different climate conditions

2.3葉面濕度傳感器應用試驗從圖2、3可以看出，晴天和陰天2個處理的番茄植株葉片濕度變化趨勢表現(xiàn)一致。即番茄葉片濕度在夜間均呈逐漸增加趨勢，08:00—19:00急降于一個相對很低的狀態(tài)下，19:00—08:00又呈增加趨勢。同時，也可看出土壤含水量與葉片濕度呈正相關，葉片濕度在不同天氣狀況下，2個處理的葉片濕度均表現(xiàn)為陰天>晴天。

上述情況是由日光溫室白天蓄積熱量，夜間釋放熱量形成的，在日光溫室半密閉的環(huán)境下，夜間溫室內(nèi)空氣濕度逐漸增加；同時陰天的溫度和光照總輻射均比晴天的低，而空氣濕度比晴天的高；日光溫室晴天蓄熱量和放熱量均高于陰天，進而引起陰晴天日光溫室內(nèi)植株濕度變化。

圖2 晴天不同水分處理番茄植株葉片濕度日變化特征Fig.2 Diurnal characteristics of humidity of tomato leaves in different treatments under fine day

圖3 陰天不同水分處理番茄植株葉片濕度日變化特征Fig.3 Diurnal characteristics of humidity of tomato leaves in different treatments under rainny day

3 結論與討論

3.1傳感器在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用中存在的問題物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的優(yōu)勢明顯，但在我國的發(fā)展卻較緩慢，歸納起來主要有以下3方面原因：

3.1.1傳感器技術實施成本高、見效慢是發(fā)展應用急需克服的瓶頸。農(nóng)業(yè)屬于經(jīng)濟收益率較低的產(chǎn)業(yè)，應用傳感器技術不可避免地需要兼顧成本和效益的問題。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的實施和維護對資金投入的需求較大，無論是傳感器硬件設備的布局和軟件平臺的建設，還是控制設備的搭建都需要投入較大的資金。目前，市場上一套農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器設備和相配套軟件系統(tǒng)的價格從幾千元到幾萬元不等。與種植收益相比，其實施成本普通農(nóng)戶無法承擔。

此外，由于農(nóng)田用傳感器的應用環(huán)境，包括在水、土等環(huán)境下的應用對傳感器的精度常常會造成影響。一些傳感器性能不夠穩(wěn)定，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)不夠準確，經(jīng)常需要校正，而且器材壽命短。這進一步造成了企業(yè)和農(nóng)民對農(nóng)業(yè)傳感器無從選擇，加大了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的市場化推進難度。

3.1.2沒有統(tǒng)一的應用標準體系。種植的作物較繁雜，傳輸信息的傳感器標準不統(tǒng)一，傳輸?shù)男畔]有固定的標準，不同傳感器應用上存在偏差，這些導致物聯(lián)網(wǎng)沒有得到廣泛應用。目前，物聯(lián)網(wǎng)的標準制定還很零散，沒有和市場需要結合，導致物聯(lián)網(wǎng)市場出現(xiàn)分割、服務費用高等現(xiàn)象，嚴重制約了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

3.1.3缺少專業(yè)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術人才。 傳感器的使用對學習者要求較高，不僅要有農(nóng)學相關知識，還要對計算機、電子、傳感技術比較熟悉。無論是師資還是教學基地的條件，很多高校都達不到要求水平。種種因素導致專門的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)人才數(shù)量稀缺，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術得不到推廣。

3.2兩種傳感器在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的作用

3.2.1莖流傳感器。植物莖流的概念為在蒸騰作用下植物體內(nèi)產(chǎn)生的向上升的植物液流，反映了植物生理狀態(tài)方面的信息。植物莖流傳感器可實時采集植物生長狀態(tài)，同時做出相應的管理，促進農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展，對植物莖流傳感器的研究是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)。

蒸騰作用使植株內(nèi)的液流從根部往冠部運動，因此通過測量莖流量可以確定蒸騰量，該研究在總結吸收國內(nèi)外研究成果的基礎上，研究溫室栽培條件下番茄莖稈液流的變化特征，旨在為莖流監(jiān)測結果診斷植株水分狀況指標的確立提供理論基礎，指導生產(chǎn)工作。

3.2.2葉面濕度傳感器。在溫室內(nèi)高濕密閉的微環(huán)境條件下，生產(chǎn)中常發(fā)生葉面病害，病害的發(fā)生與植株葉面濕度環(huán)境有著緊密的聯(lián)系，作為一個重要的微環(huán)境氣象變量，掌握了溫室內(nèi)番茄葉片濕度的變化特征和葉片濕度的變化范圍可以在番茄葉面病害的預測及防治方面發(fā)揮重要的作用。