林木數(shù)控扦插育苗技術(shù)管理規(guī)范研究

郜文慧，黃明華，侯金波，黃玉慧，張業(yè)鴻，任 杰，*

（1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所，安徽合肥 230031；2.中徽生態(tài)環(huán)境有限公司，安徽合肥 230088；3.安徽泓森高科林業(yè)股份有限公司，安徽渦陽(yáng) 233600）

近年，隨著城鄉(xiāng)綠化建設(shè)質(zhì)量的提升，高品質(zhì)無(wú)性系種苗需求越來(lái)越多。傳統(tǒng)扦插育苗方式，現(xiàn)代化設(shè)施設(shè)備缺乏、扦插過(guò)程環(huán)境復(fù)雜、種苗質(zhì)量難以控制等問(wèn)題亟待解決。在計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)等交叉領(lǐng)域技術(shù)突破的帶動(dòng)下，林木數(shù)控扦插育苗技術(shù)日益成熟，育苗過(guò)程控制精細(xì)化，大大提高了扦插育苗的成活率和種苗質(zhì)量。項(xiàng)目組前期制定了“林木育苗數(shù)控技術(shù)規(guī)程”，有關(guān)技術(shù)在日本紅楓、桂花、樸樹、無(wú)刺枸骨、紅葉石楠、槐樹、紅花檵木等30余個(gè)樹種扦插育苗上廣泛應(yīng)用[1-3]。

我國(guó)林木育苗數(shù)控化生產(chǎn)起步較晚，但近年發(fā)展迅速，目前就技術(shù)層面而言，許多生產(chǎn)工序已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)施化、工廠化、智能化；育苗溫室、數(shù)控設(shè)備、數(shù)控管理等設(shè)施技術(shù)正逐步規(guī)范化[4]。林木扦插數(shù)控育苗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是環(huán)境參數(shù)的采集、數(shù)控設(shè)施設(shè)備的管理與種苗培育的技術(shù)融合。項(xiàng)目組前期將林木數(shù)控育苗技術(shù)規(guī)范化管理應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，該文重點(diǎn)總結(jié)了當(dāng)前林木扦插育苗生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，可促進(jìn)林木溫室扦插育苗生產(chǎn)質(zhì)量的精控，提高扦插成活率。

1 林木扦插育苗現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，普通溫室育苗仍是林木扦插育苗的主體。普通溫室標(biāo)準(zhǔn)化程度低、使用壽命短、管理維護(hù)難，對(duì)溫光水氣熱的監(jiān)測(cè)和控制不足，不利于優(yōu)質(zhì)苗木的培育。普通溫室單位面積投資小，育苗標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化程度低、周期長(zhǎng)，育苗過(guò)程易發(fā)生病蟲草害[5]。利用設(shè)施溫室、物聯(lián)網(wǎng)及輕基質(zhì)容器等技術(shù)開展無(wú)性系良種的規(guī)?；げ鍞U(kuò)繁可克服上述缺點(diǎn)，是未來(lái)林木育苗的發(fā)展趨勢(shì)。扦插育苗是林木育苗中最常用的一種無(wú)性繁殖方法[6]，該技術(shù)關(guān)鍵在于促進(jìn)插穗不定根的形成。不定根易受扦插基質(zhì)、氣溫、光照、空氣、濕度等環(huán)境因素影響[7-8]。利用設(shè)施技術(shù)，通過(guò)扦插環(huán)境的精確控制，可為插穗提供水分，培育過(guò)程可調(diào)節(jié)空氣及插床的溫度和濕度，為種苗提供一個(gè)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境[9]。智能化設(shè)施設(shè)備可很好地調(diào)節(jié)林木生長(zhǎng)環(huán)境因子，而將數(shù)控育苗技術(shù)運(yùn)用到設(shè)施溫室中是對(duì)傳統(tǒng)育苗手段的重要技術(shù)突破。

2 林木數(shù)控育苗技術(shù)

數(shù)控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)并且促進(jìn)機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)[10]。把生物技術(shù)與數(shù)控技術(shù)有機(jī)結(jié)合產(chǎn)生的數(shù)控育苗技術(shù)是一種全新的育苗技術(shù)，它通過(guò)先進(jìn)的儀器設(shè)備、高水平管理，規(guī)范育苗過(guò)程，可為植物生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造最佳的溫、光、水、氣、熱、營(yíng)養(yǎng)等環(huán)境，實(shí)現(xiàn)育苗生產(chǎn)的批量化和優(yōu)質(zhì)化。

在林木種苗生產(chǎn)中，林木數(shù)控扦插育苗是將復(fù)雜多變的光照、溫度、濕度等環(huán)境信息，轉(zhuǎn)變?yōu)榭啥攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù)，再以這些數(shù)字、數(shù)據(jù)建立數(shù)字化模型，達(dá)到設(shè)施溫室內(nèi)光照、溫度、濕度等的可控，實(shí)現(xiàn)林木育苗數(shù)字化控制的一種育苗方式[11]。其不同于傳統(tǒng)扦插嫁接，是設(shè)施設(shè)備、智能控制及現(xiàn)代生物技術(shù)等育苗技術(shù)的集成與發(fā)展，既有傳統(tǒng)育苗的易操作性，又有現(xiàn)代育苗的高效性，是一種基于細(xì)胞全能性和植物全息性的新型育苗技術(shù)，可克服傳統(tǒng)育苗時(shí)節(jié)、空間、條件等限制[6]。

林木數(shù)控育苗技術(shù)基地選址無(wú)特殊要求，對(duì)土壤氣候無(wú)特定要求；采用計(jì)算機(jī)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)種苗生產(chǎn)過(guò)程智能化、自動(dòng)化，林木整齊度優(yōu)、商品率高；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可升級(jí)改進(jìn)，用于設(shè)施溫室環(huán)境控制、智能灌溉等生產(chǎn)應(yīng)用[10]。未來(lái)數(shù)控育苗技術(shù)在林木上普及應(yīng)用度會(huì)更高，可提高林木良種的擴(kuò)繁效率，推動(dòng)我國(guó)優(yōu)良無(wú)性系林木良種的應(yīng)用。

3 林木數(shù)控育苗設(shè)施設(shè)備

3.1 設(shè)施溫室

自動(dòng)化溫室大棚配有移動(dòng)天窗，遮陽(yáng)、保溫、供暖、濕幕、冷卻、噴灌及滴灌等系統(tǒng)，移栽苗床、計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)設(shè)施。其中苗床自動(dòng)化管理，據(jù)調(diào)查國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)固定苗床，耗損大量人力物力，尤其是大型溫室大棚更加凸顯不便利性。自動(dòng)化苗床輸送系統(tǒng)的推送裝置控制程序包括核心部件P LC（可編程邏輯控制器）并編寫程序語(yǔ)言，連接原器件，與轉(zhuǎn)運(yùn)平車、升降機(jī)等設(shè)備組成整套苗床轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。主要數(shù)控設(shè)備相關(guān)參數(shù)如下：①溫室大棚溫度調(diào)節(jié)包括升溫和降溫，時(shí)間段分別是11月至翌年3月、4—10月，溫度分別為2℃～25℃、15℃～35℃，誤差精確至±1℃。②濕度調(diào)節(jié)增濕和降濕，空氣濕度可調(diào)范圍為40%～100%，基質(zhì)相對(duì)濕度可調(diào)范圍為40%～95%，誤差精確控制±5%。③光照調(diào)節(jié)遮陰和補(bǔ)光裝置，白天溫室大棚內(nèi)可調(diào)范圍1 000～10 000 l x，誤差精確控制±5%。④給水裝置使用霧化噴頭，孔徑0.15mm，壓力10～70kg/cm，噴霧量20～48m L/min，主要利用水壓將水以細(xì)微水滴噴射出。⑤移動(dòng)苗床高0.6～0.8 m，寬1.4～1.8 m，邊框材質(zhì)為鋁合金，可左右移動(dòng)，主體框架和苗床網(wǎng)采用熱鍍鋅工藝，設(shè)限位防翻裝置。

3.2 遙感器

通過(guò)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的溫度傳感器、濕度傳感器、p H值傳感器、光照度傳感器、C O2傳感器等設(shè)備，檢測(cè)環(huán)境中的溫度、相對(duì)濕度、p H值、光照強(qiáng)度、土壤養(yǎng)分、C O2濃度等物理量參數(shù)，確保種苗有一個(gè)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)使技術(shù)人員在辦公室就能對(duì)多個(gè)設(shè)施環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)測(cè)量獲得林木生長(zhǎng)的最佳條件。

溫室大棚內(nèi)部分傳感器主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如下：①溫濕傳感器，測(cè)量范圍，溫度-20℃～70℃，濕度0～100%R H，測(cè)量精度，溫度為±0.5℃，分辨率為0.1℃，濕度為±5%R H，分辨率為0.1 R H。輸出接口為R S485，平均功耗＜0.1 W，波特率為9 600[8]。②光照傳感器，測(cè)量區(qū)間為0～100 000 l x，波長(zhǎng)測(cè)量范圍380～730μm，反應(yīng)時(shí)間為1 s完成90%讀數(shù)，分辨率3 l x，輸出接口為R S485，采用標(biāo)準(zhǔn)M O DB U S R T U通訊協(xié)議。③C O2傳感器監(jiān)測(cè)精度為±（0.004%+3%F·S）（25℃），工作溫濕度分別為-20℃～50℃、0～70%R H[1]。④稱重傳感器選用A T8502型傳感器，量程8～12 kg，靈敏度2.0 m V/V[12]。

3.3 其他設(shè)備技術(shù)

在實(shí)驗(yàn)室，常用的數(shù)控育苗設(shè)備主要有大型培養(yǎng)箱，運(yùn)用智能苗木培養(yǎng)箱能夠提高林木生產(chǎn)育苗成活率和生長(zhǎng)速度。智能培養(yǎng)箱通常包含傳感技術(shù)和W in C E嵌入式系統(tǒng)，由箱體和控制系統(tǒng)組成，具備信息采集、傳輸、分析處理及箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)調(diào)控功能，并通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控拍攝箱內(nèi)苗木生長(zhǎng)發(fā)育及箱內(nèi)內(nèi)部運(yùn)行情況。箱內(nèi)部設(shè)有稱重傳感器、360°旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤、無(wú)線模塊和歷史數(shù)據(jù)模塊等。其中無(wú)線模塊通過(guò)移動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制苗木培養(yǎng)箱，歷史數(shù)據(jù)模塊在特定時(shí)間記錄環(huán)境參數(shù)并通過(guò)圖表顯示結(jié)果[13]。常用的箱體長(zhǎng)達(dá)8 m，寬5 m，高10 m，分上下兩層，上層用于苗木培養(yǎng)，下層放置控制硬件，壁厚35 mm，由隔熱材料組成，四周百葉窗遮擋，培養(yǎng)箱相對(duì)濕度需控制精度±2%R H，溫度控制±1℃，C O2濃度控制±0.002%。光照系統(tǒng)用L E D植物補(bǔ)光燈，紅紫光波長(zhǎng)分別為655～660 nm、450～455 nm，強(qiáng)度比為10∶4[13]。

4 數(shù)控設(shè)備管理

自動(dòng)化溫室大棚數(shù)控設(shè)備管理采用嵌入式W e b服務(wù)器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接入芯片，連接各個(gè)傳感器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信及人工智能等設(shè)施設(shè)備。連接各個(gè)系統(tǒng)后實(shí)現(xiàn)溫室結(jié)構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)，為溫室林木育苗所需溫度、濕度、光照等諸多環(huán)境因子智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制提供詳細(xì)的解決方案。同時(shí)采用單機(jī)版管理系統(tǒng)，依靠傳感器的感應(yīng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中采集、存儲(chǔ)和管理，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制和物聯(lián)網(wǎng)溫室信息監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)構(gòu)成C/S（C lient/Ser v er）架構(gòu)，多臺(tái)計(jì)算機(jī)分工完成，采用“功能分布”原則，客戶端完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)表示以及用戶接口功能；服務(wù)器端完成DBM S（數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)）?；谶@種架構(gòu)完成實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)范圍內(nèi)的高效現(xiàn)場(chǎng)溫室信息管理，形成數(shù)控設(shè)備與信息技術(shù)系統(tǒng)協(xié)同作用于林木優(yōu)質(zhì)化育苗的現(xiàn)代化高水平生產(chǎn)局面。

5 計(jì)算機(jī)控制與物聯(lián)網(wǎng)

計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制已建立起的數(shù)字化模型對(duì)設(shè)施內(nèi)林木育苗進(jìn)行規(guī)范化管理，而物聯(lián)網(wǎng)將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、地點(diǎn)，人、機(jī)、物的互聯(lián)互通。通過(guò)數(shù)字化模型利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)把電子標(biāo)簽對(duì)應(yīng)定位到特定部分，物聯(lián)網(wǎng)利用中心計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)器、設(shè)備、人員進(jìn)行集中管理、控制，類似自動(dòng)化操控系統(tǒng)，同時(shí)收集特定部分?jǐn)?shù)據(jù)，最后聚集成大數(shù)據(jù)，包括林木育苗所需的溫、光、水、氣、熱、土壤理化性狀、病蟲害防治等數(shù)據(jù)。其中林木物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林木育苗生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理和服務(wù)中的應(yīng)用，用各類感知設(shè)備，采集從幼苗到成株本體及林木產(chǎn)品物流相關(guān)信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)將獲取的生長(zhǎng)發(fā)育信息進(jìn)行融合、處理，最后通過(guò)智能化操作終端，實(shí)現(xiàn)林木生產(chǎn)全過(guò)程監(jiān)控，科學(xué)決策和實(shí)時(shí)服務(wù)。

首先，利用物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)，包括傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)（R F ID）、條碼、全球定位系統(tǒng)（G P S）、遙感（R S）等技術(shù)手段，在任何時(shí)間對(duì)林木育苗過(guò)程中相關(guān)信息，如光照度、溫濕度、氣體含量等進(jìn)行采集與獲取。再用傳輸技術(shù)將感知設(shè)備接入傳輸網(wǎng)絡(luò)，把通過(guò)感知設(shè)備采集到的林木育苗的相關(guān)信息，借助有線或無(wú)線的通信網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)隨地進(jìn)行高可靠度信息交互和共享。最后，用智能處理技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、存儲(chǔ)、索引、查詢、智能分析計(jì)算。物聯(lián)網(wǎng)在林木育苗生產(chǎn)中，通過(guò)各種傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合智能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境調(diào)控，使林木盡可能處在適宜栽培環(huán)境中。設(shè)施環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還能通過(guò)積溫算法及相關(guān)生長(zhǎng)模型，實(shí)現(xiàn)病蟲害預(yù)警和林木生產(chǎn)狀況預(yù)報(bào)。同時(shí)，設(shè)施調(diào)控系統(tǒng)將水肥藥綜合管理，適時(shí)進(jìn)行水肥藥的供給，還能做到節(jié)水節(jié)肥。

6 林木扦插育苗

6.1 扦插基質(zhì)

林木扦插育苗基質(zhì)一般分有機(jī)物、無(wú)機(jī)物兩類，無(wú)機(jī)物如蛭石、河沙、珍珠巖等，有機(jī)物如稻殼、泥炭、鋸末等。生產(chǎn)上多用蛭石、珍珠巖、河沙及泥炭等，其中南方地區(qū)可用黃心土、椰糠、稻殼等[14]。常用的育苗基質(zhì)厚度10 cm左右，含鹽量≤0.1%，p H為6.0～6.4，通氣孔隙度＞14%，孔隙度為75%～85%，持水孔隙度為45%～50%，容重為0.75～1.0 g/cm3[15]。例如草炭土與珍珠巖或蛭石1∶0.2混拌等[16]。

6.2 插穗

硬枝插穗，晚秋或初春采于采穗圃母樹上生長(zhǎng)健壯的當(dāng)年木質(zhì)化枝條。嫩枝插穗，生長(zhǎng)季采于生長(zhǎng)健壯、半木質(zhì)化母樹上的生長(zhǎng)健壯枝條。取枝條中、下段部，長(zhǎng)10～35 cm，至少2個(gè)節(jié)間，護(hù)好側(cè)芽或頂芽，針葉樹種插穗保留全葉，常綠闊葉樹插穗頂端保留1～3個(gè)葉片[17]。下切口用斜切口，切口平滑，上切口距第一個(gè)芽留1～2 cm。硬枝扦插在早春土壤剛化凍、芽未萌動(dòng)時(shí)進(jìn)行。行距8～15 cm，株距8～15 cm。插前苗床澆透水。扦插深度為插穗1/3左右。插后執(zhí)行參考文獻(xiàn)[1]。

6.3 扦插苗管理

6.3.1 溫度。通常，扦插苗培育的適宜環(huán)境溫度為22℃～28℃，低于20℃或高于33℃種苗生長(zhǎng)受到抑制。條件具備的，可增加基質(zhì)溫度，促進(jìn)生根。

6.3.2 濕度。使用自動(dòng)化噴霧系統(tǒng)控制濕度，插后加強(qiáng)水分管理，扦插初期，苗床周圍相對(duì)濕度80%～100%為宜，基質(zhì)含水量為60%～80%，生根后逐漸降低濕度。

6.3.3 光照。扦插前期每天光照時(shí)長(zhǎng)12 h左右，光照強(qiáng)度2 500 l x左右，待插穗長(zhǎng)出2～3不定芽時(shí)增加光照時(shí)間及光照強(qiáng)度[18]。

6.3.4 除草、松土。遵循除早、除小、除了原則。人工除草在濕潤(rùn)時(shí)連根拔除，除草劑需試驗(yàn)后使用。

6.3.5 病蟲害綜合防治。預(yù)防為主，綜合防治；搞好環(huán)境衛(wèi)生，加強(qiáng)溫室內(nèi)外環(huán)境的病蟲害防治，為溫室種苗提供良好的條件；出圃苗木和調(diào)進(jìn)的種苗進(jìn)行檢疫，發(fā)現(xiàn)病蟲害感染嚴(yán)重和屬于檢疫對(duì)象的要立即焚燒[19]；利用害蟲趨光性，采用黑光燈、高壓滅蟲燈等消滅害蟲[20]；誘殺、人工捕殺田鼠、天牛等重要為害生物；根據(jù)苗木種類及病蟲害，正確選用農(nóng)藥品種、劑型、使用濃度、用量和施用方法，既發(fā)揮藥效，又不產(chǎn)生藥害[17]。

6.4 扦插苗木分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

一級(jí)苗木：苗粗壯、端直，充分木質(zhì)化、無(wú)徒長(zhǎng)，葉色澤正常；主根粗壯，側(cè)根、須根較多；頂芽飽滿，冠根比值小，無(wú)病蟲害和機(jī)械損傷。二級(jí)苗木：苗高正常，無(wú)徒長(zhǎng)，葉色澤正常；根系發(fā)達(dá)；頂芽飽滿，冠根比值正常，無(wú)病蟲害和機(jī)械損傷。

7 包裝與運(yùn)輸

以帶容器袋種苗運(yùn)輸為主，基質(zhì)濕潤(rùn)，不滴水。包裝標(biāo)簽注明樹種、苗齡、等級(jí)、數(shù)量等信息。裝卸過(guò)程中輕拿輕放。車上用帆布遮擋，避免風(fēng)吹日曬、雨淋和二次機(jī)械損傷。

8 建立檔案

檔案建立包括產(chǎn)地、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、科學(xué)試驗(yàn)等內(nèi)容。詳細(xì)記錄苗床、栽培基質(zhì)、施肥、灌溉、除草、農(nóng)藥施用等日常生產(chǎn)管理活動(dòng)，建立生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)檔案，保存?zhèn)洳閇21]。