智能化環境監控系統在日光溫室微型薯生產中的應用

羅有中，石建業，張 明，陳 福，袁安明，權小兵，王姣敏

（定西市農業科學研究院，甘肅 定西 743000）

設施環境智能監控系統是指在一定空間內，用不同功能傳感器探測頭，準確采集設施內環境因子（水、熱、氣、光、肥）以及蔬菜作物生育狀況等參數，并通過相關軟件，對數據進行統計學分析和智能化處理后形成核心系統，根據作物生長需要最佳條件，由核心處理器智能系統發出指令，使其有關的系統、裝置及設備有規律運作，將設施內溫、光、水、肥、氣等諸因素綜合協調到最佳狀態，確保一切生產活動科學、規范、有序、持續地進行[1-3]。溫室環境智能化控制主要是對溫室環境因子進行綜合的調節和控制，就是對溫室中的溫度、濕度、光照、CO2濃度等環境因子調節控制，為不同作物的生長、繁育提供適宜的環境，使作物與環境得到較好的統一[4,5]。

隨著馬鈴薯的主糧化，馬鈴薯產業持續發展，種植面積不斷增加。馬鈴薯微型薯生長的各個階段對溫濕度、光照以及水肥的要求比較嚴格，日光溫室環境智能監控系統在馬鈴薯微型薯生產中的報道較少，人工控制的溫室，其過高過低的溫度、光照、水肥等亞適宜環境明顯制約著馬鈴薯微型薯的生長發育，致使環境調控和栽培管理粗放，缺乏量化指標和標準化技術，導致馬鈴薯微型薯產粒數時高時低、合格率較低，難以發揮日光溫室的節能和高產高效優勢，溫室環境的調控能力有待改善[6]。本研究探索了環境智能化監控系統在日光溫室馬鈴薯微型薯生產中的應用，與普通沒有安裝環境智能檢化監控系統的溫室進行對比，測定了對溫室內溫度、光照、以及馬鈴薯脫毒苗成活率、營養生長、微型薯產粒數、合格率等方面的影響，為日光溫室馬鈴薯微型薯的科學化管理和標準化栽培技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2016年8～12月在甘肅省定西市金源農業發展有限責任公司日光溫室進行，處理溫室面積400 m2（80 m×5 m），參試品種為‘費烏瑞它’、‘大西洋’、‘荷蘭15號’，均為脫毒種苗，各品種種植面積分別為130，130和140 m2。對照溫室的面積、參試品種及各品種種植面積均與處理溫室一致，對照溫室沒有安裝環境智能化監控設備。

1.2 試驗方法

試驗設1個處理，1個對照，不設重復。處理安裝有環境智能監控系統的日光溫室，該系統由溫濕度傳感器、光照傳感器、溫濕度控制系統、卷簾通風一體化運行系統、水肥一體化系統、土壤水分檢測系統以及超限報警系統組成，可以根據作物在不同階段的生長需要設定各個參數，當實測數值接近設定值時，系統通過信息反饋到用戶，用戶通過廣域網利用手機監控環境信息和控制機械系統的運行，進而將各指標控制在預設范圍內；對照（CK）沒有安裝環境智能化監控系統的日光溫室，由人工進行相關溫室作業，即人工管理。2個溫室的其他管理水平一致。

試驗于2016年8月23日移栽。移栽前一周精細整地，并結合整地撒施腐熟農家肥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40目防蟲網紗，每隔2.5 m苗床鋪設磚塊走道，苗床內鋪裝蛭石，厚約5 cm，移栽前澆透清水，以基質濕潤而不積水為度。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。待植株長至10片葉左右時，種苗基部要覆一層蛭石，厚2～3 cm，進入馬鈴薯結薯期。

1.3 測定項目

1.3.1 成活率計算

脫毒苗移栽后15 d，去掉拱棚膜，每個處理選取植株長勢均一、面積為2 m2的小區，3次重復，計算各品種的幼苗成活率。

1.3.2 脫毒苗植株形態指標的測定

選取面積為2 m2的小區，進行3次重復測定，各小區選取長勢均一、無遮擋、無病蟲害的10株植株。每隔10 d測定一次脫毒苗的株高、莖粗，9月13日進行第1次測定，以后每隔10 d進行測定，拉秧前30 d進行最后一次測定。

利用卷尺測定株高（莖基部到生長點的長度）。用游標卡尺測定莖粗（莖基部的粗度—第一片真葉下部的節間）。

1.3.3 測定溫室室內溫度

智能化監控系統的溫度由本身系統自動記錄，人工控制溫室內放入溫度自動記錄儀，均不設重復。

1.3.4 測定小區產粒數并計算合格率

用微型薯直徑和重量分級機進行分級。

對同一品種的不同處理進行方差分析，試驗數據采用Excel 2007和SPSS 16.0軟件進行圖表編輯和試驗數據的統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對溫室的溫度影響

圖1、圖2是日光溫室馬鈴薯微型薯生產中在10月15日和11月23日的溫度記錄值，在智能控制溫室中設定馬鈴薯微型薯生長溫度范圍在10～30℃。從圖1、圖2可以看出，智能系統可以控制溫室溫度在馬鈴薯微型薯生長階段的設定值內，從而滿足馬鈴薯微型薯在不同階段的生長適宜溫度。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的溫度范圍內，而人工控制的溫度均值高達32.1℃，超出了馬鈴薯微型薯生長的最適溫度，過高的溫度可導致馬鈴薯微型薯生長停止，也可誘導病蟲害的發生。圖2中顯示，智能控制的溫室在11月23日0：00～9：00，當溫度低于下限值10℃時智能系統自動啟動加溫運行系統進行加溫。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。

圖1 2016年10月15日不同處理對溫室溫度的影響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 不同處理對脫毒苗移栽成活率和微型薯物候期的影響

表1結果表明，智能監控管理的各品種脫毒苗移栽成活率均高于對照，‘費烏瑞它’脫毒苗成活率為99.51%，較對照溫室成活率提高8.30個百分點，‘大西洋’脫毒苗成活率為99.48%，較對照提高10.17個百分點，‘荷蘭15號’脫毒苗成活率為98.16%，較對照提高9.93個百分點，處理間差異均達顯著水平。

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

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

試驗結果表明，智能監控管理溫室不但提供了適宜的溫度，還可以及時反映作物土壤的濕度，并及時對作物進行灌溉，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 不同處理對脫毒苗植株株高、莖粗的影響

表2結果表明，隨著智能化水肥系統的啟動，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，隨著植株生長發育進程，不同處理間植株的株高、莖粗的生長速度不一，植株株高、莖粗逐漸開始顯現差異。

從表2各處理間各品種的植株株高可知，‘費烏瑞它’、‘大西洋’、‘荷蘭15號’在智能化水肥系統啟動后，每個不同時期的測定值，‘費烏瑞它’、‘大西洋’、‘荷蘭15號’均較對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’脫毒苗的株高與對照差異顯著。10月23日‘費烏瑞它’脫毒苗的株高為27.40 cm，較對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，較對照溫室中同品種植株高1.23 cm，提高了4.6%，‘荷蘭15號’脫毒苗的株高為30.12 cm，較對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，每個不同時期的測定值，同品種處理的莖粗均較對照的高，其中10月23日‘荷蘭15號’脫毒苗的莖粗與對照差異顯著。10月23日處理溫室中‘費烏瑞它’脫毒苗的莖粗為4.79 mm，較對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，較對照溫室中同品種植株粗0.22 mm，提高了5.3%，‘荷蘭15號’脫毒苗的莖粗為4.98 mm，較對照溫室中同品種植株粗0.37 mm，提高了8.0%。

試驗結果表明，智能管理的溫室，隨著作物水肥的需求，智能水肥系統啟動，當作物出現缺水缺肥時，啟動報警提示系統，人工加入營養液，進而進行自動灌溉，當水肥達到上限值時，自動關閉水肥灌溉系統，這就滿足了脫毒苗的需水肥要求，進而有利于脫毒苗的生長。

2.4 不同處理對單位面積產粒數和合格率的影響

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

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

從表3的總粒數可知，智能控制處理后‘費烏瑞它’微型薯為384.90萬粒、‘大西洋’微型薯為358.65萬粒、‘荷蘭15號’微型薯為286.65萬粒，分別較對照高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‘費烏瑞它’微型薯為91.23%、‘大西洋’微型薯為79.10%、‘荷蘭15號’微型薯為83.10%，分別較對照高9.61，11.57和8.63個百分點，合格率分別提高了11.8%、17.1%和11.6%。

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

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

試驗結果表明，智能管理的溫室，隨著脫毒薯溫度、濕度、水肥等的需求，溫室智能化通風口、智能化水肥系統啟動，當作物出現高溫高濕、缺水缺肥、光照過強等情況時，啟動報警提示系統，并進行自動通風、自動灌溉，當指標值達到上限值時，自動開啟加熱設備、自動關閉通風口以及水肥灌溉系統，這就使溫室的環境得到有效的調控，進而有效促進植株的生長。

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，溫室自動啟動通風口、水肥系統，當作物出現高溫高濕、缺水缺肥、光照過強等情況時，啟動報警提示系統，并進行自動通風、自動灌溉，當指標值達到上限值時，自動開啟加熱設備、自動關閉通風口以及水肥灌溉系統，因此，智能化管理溫室給作物提供了一個適宜的生長環境。該環境能有效促進植株的生長，增加植株株高和莖粗，進而提高脫毒苗移栽成活率；該環境能及時提示作物土壤的濕度和營養狀況，并及時對作物進行澆水澆肥，有利于制造并合成更多的有機物，進而提高了單株粒數、產量以及合格率。這與日光溫室封閉式栽培系統關鍵技術研究得出的結論相似，袁洪波[7]試驗結果表明，采用封閉式栽培方式在產量方面存在一定的優勢。

日光溫室環境監測與控制技術是現代農業的重要組成部分，在農業生產過程中，提高溫室環境監測與控制技術水平，有利于節約生產資源，節省人力成本，提高作物產量，增加農民收入[8,9]。日光溫室智能化監控系統具有可控功能，為不同作物的生長、繁育提供適宜的環境，更能突出日光溫室的節能和高產高效優勢[10]。智能化管理溫室具有可設定溫度功能，可以控制溫室溫度在馬鈴薯微型薯不同生長階段的設定值內，從而可以滿足馬鈴薯微型薯在不同生長階段的適宜溫度。大量的生產實踐和科學研究證明，溫濕度、光照對農作物產品產量和品質都有影響[11]，環境智能化監控系統在馬鈴薯微型薯生產中起到了有效的監測和控制，對微型薯的合格率及產量表現出對環境條件變化的積極響應，以期在溫室馬鈴薯微型薯生產中，有利于馬鈴薯微型薯生長發育，實現豐產、高效，提高果實品質。

但溫室環境是一個綜合的、多參數、強耦合的復雜系統[12]，單純的研究智能化可監控溫室溫度對脫毒苗移栽成活率、生育期、產粒數以及合格率的影響是不夠的，還應該從光照、CO2、土壤溫濕度、水肥等因素對脫毒薯產粒數以及合格率的影響方面進一步深入研究；其次，單純的在馬鈴薯脫毒薯生產中應用智能化可監控系統具有局限性，還應該從溫室栽培的其他作物著手進一步深入研究。