“智茄”團(tuán)隊在云南昆明的多多農(nóng)研基地里做現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

我國是世界上番茄種植面積最大（種植面積有1600萬畝）、產(chǎn)量最多的國家，年產(chǎn)量約5500萬噸，占全國蔬菜總產(chǎn)量的7%左右。如何讓番茄變得更高品質(zhì)、更高產(chǎn)量、更具營養(yǎng)價值，仍是全球最頂尖的農(nóng)業(yè)科研人員追求不渝的目標(biāo)。

在4月25日結(jié)束的第二屆“多多農(nóng)研科技大賽”上，一支由多國青年組成的“番茄快長”團(tuán)隊以遠(yuǎn)超傳統(tǒng)種植的產(chǎn)量和品質(zhì)摘得冠軍。他們采用“人機(jī)融合智能”的算法，讓番茄的生長變成了一場策略游戲，賽事結(jié)束時櫻桃番茄的單位面積產(chǎn)量為11.3千克/平方米，預(yù)期正常生長周期結(jié)束時這一數(shù)字接近30千克/平方米，比肩世界領(lǐng)先的荷蘭溫室同期種植小番茄的巔峰產(chǎn)量。

這次決賽中，來自全球最頂尖的四支農(nóng)業(yè)科研團(tuán)隊人機(jī)融合，利用跨學(xué)科的種植技術(shù)、AI算法，依照可持續(xù)的種植實踐，種植出兼顧高品質(zhì)和高產(chǎn)量的農(nóng)作物，讓人們對智慧農(nóng)業(yè)的未來充滿了無盡的想象空間。

為“讓更多人吃上好番茄”而賽

為“讓更多人吃上好番茄”，在海拔約2000米的云南省昆明市賽事基地，四個面積為96平方米的玻璃溫室大棚一字排開，種番茄的農(nóng)研科技大賽的擂臺就設(shè)在這里。

大賽為進(jìn)入決賽的團(tuán)隊各提供一個獨立溫室及對應(yīng)的環(huán)境控制應(yīng)用接口。從去年10月開始，“番茄快長”等四個團(tuán)隊分別在北京、上海、浙江、荷蘭等地，通過軟件遠(yuǎn)程控制位于昆明大賽基地的智能溫室，結(jié)合營養(yǎng)學(xué)、計算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)等精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)種植番茄。

云南昆明地區(qū)溫室多為單棟塑料大棚，傳統(tǒng)的種植方式種植技術(shù)落后，對勞動力需求大。而在本次比賽中構(gòu)建的智慧大棚，基礎(chǔ)硬件一般包括種植槽、椰糠條、巖棉基質(zhì)塊等，與普通的土壤不同，番茄種植基質(zhì)理化性能穩(wěn)定，不易分解、腐爛或變性，具有較好的保水性和透氣性，成本低、質(zhì)量輕，還支持可控制調(diào)節(jié)，是精準(zhǔn)種植的最佳搭檔。另外，由于日光溫室或者塑料大棚所使用的覆蓋設(shè)施都會大幅減少到達(dá)溫室內(nèi)部的紫外線，影響蔬菜的生長發(fā)育，而智慧大棚則通過加熱系統(tǒng)和LED補(bǔ)光燈調(diào)控室內(nèi)的溫度和紫外線，以此促進(jìn)植株生長和果實生長發(fā)育。

硬件之外，技術(shù)核心是軟件：環(huán)境控制應(yīng)用。為了種好一顆櫻桃番茄，選手們把傳感器、光譜、算法模型都用上了，甚至還可以遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的水肥、光照、二氧化碳等生長環(huán)境要素，“人在家中坐，番茄棚里長”，實現(xiàn)無人種植，未來感十足。

“番茄快長”團(tuán)隊發(fā)展的人機(jī)融合算法

技術(shù)賦能，科技農(nóng)人的新圖譜

“番茄快長”團(tuán)隊

由北京極星農(nóng)業(yè)牽頭，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、荷蘭瓦赫寧根大學(xué)研究人員組成的“番茄快長”團(tuán)隊，所采用的環(huán)控系統(tǒng)包含了溫度、濕度、光照，通風(fēng)、幕布和二氧化碳等番茄生長過程中所需的全部環(huán)境參數(shù)。在灌溉方面，他們主要基于光照累積量進(jìn)行調(diào)節(jié)：當(dāng)光照量累積到一定數(shù)值時啟動一次灌溉組進(jìn)行灌溉。但是同時他們也自行安裝了基質(zhì)濕度和EC傳感器用于監(jiān)測根系含水量，一旦發(fā)現(xiàn)基質(zhì)含水量過低但是尚未觸發(fā)基于光照累積量的灌溉，便通過給水肥系統(tǒng)發(fā)出一次補(bǔ)充灌溉指令。

看似簡單的開窗通風(fēng)，其實需要同時考慮眾多因素，包括時間、風(fēng)向/風(fēng)速、是否下雨、是否極端天氣等，還要考慮內(nèi)外溫差、光照、濕度等對開窗速度、大小和方向的影響。“番茄快長”團(tuán)隊通過開窗、風(fēng)機(jī)循環(huán)、高壓噴霧裝置等多種方式令番茄始終能夠保持在適宜的生長溫度。團(tuán)隊甚至針對逆風(fēng)面和順風(fēng)面設(shè)置了不同的開窗策略，比如逆風(fēng)面的開窗策略更加保守，以防大量冷空氣瞬間進(jìn)入溫室造成溫度驟降、引發(fā)嚴(yán)重的植物生理反應(yīng)。

另外，適當(dāng)提高生長環(huán)境的相對濕度，可以顯著增加番茄葉面積，然而，濕度太高同樣會導(dǎo)致一系列問題，凝結(jié)水會傳播病毒病和細(xì)菌病，高濕度會觸發(fā)真菌性病害的孢子的萌發(fā)條件。因此，團(tuán)隊針對不同濕度、不同溫度來實時觸發(fā)噴霧器或窗戶的開啟關(guān)閉，精確到每一度和白天晚上。而這一切，基本上都是遠(yuǎn)程控制的。如此精準(zhǔn)的生長控制，徹底告別了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)“靠天吃飯”的窘境。

在光照不足的時候適當(dāng)補(bǔ)充光照，可以顯著提升番茄產(chǎn)量。但考慮到補(bǔ)光燈的能耗較高，“番茄快長”團(tuán)隊采用了雙層補(bǔ)光策略，作物模型根據(jù)二氧化碳、外界光照和溫度情況判斷植物的光合效率，以此判斷是否開燈。因此，“番茄快長”團(tuán)隊在冬季的生產(chǎn)成本僅為15.3元/千克，而據(jù)行業(yè)經(jīng)驗估計，同季節(jié)行業(yè)平均植串收小番茄每公斤生產(chǎn)成本在20元左右。

在病害防治方面“，番茄快長”團(tuán)隊通過自行研發(fā)由多個機(jī)器學(xué)習(xí)模型所組合而成的病害管理系統(tǒng)，預(yù)測常見的感染真菌性病害的風(fēng)險，準(zhǔn)確率達(dá)89%。在孢子侵染作物階段，病害管理系統(tǒng)就可以將病害發(fā)生的風(fēng)險預(yù)測出來，提前干預(yù)，如采取精準(zhǔn)預(yù)防性噴灑藥物、改變環(huán)控措施等手段，最大限度地降低病害發(fā)生風(fēng)險，可以有效減少農(nóng)藥消耗，同時也保護(hù)了環(huán)境。最終，該團(tuán)隊生產(chǎn)的番茄也沒有檢測出任何農(nóng)藥殘留。

“智茄”團(tuán)隊

由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)牽頭的“智茄”團(tuán)隊創(chuàng)建了能與植物“對話”的“數(shù)字番茄智慧管控云平臺”，該平臺建立了包括凈光合速率模型、蒸騰速率模型在內(nèi)的番茄植株生長環(huán)境模型，引入環(huán)境與植株信息交互影響關(guān)系參數(shù)。當(dāng)環(huán)境實時監(jiān)測數(shù)據(jù)超出閾值范圍時，系統(tǒng)平臺會給操作人員發(fā)送短信提醒，形成閉環(huán)智能控制。

番茄需水量較大，不同生長時期和生長狀態(tài)灌溉策略也不同。“智茄”團(tuán)隊通過機(jī)器視覺和傳感器技術(shù)實時識別櫻桃番茄的葉片、花朵和果實等生理信息，并對環(huán)境光照情況和溫濕度等進(jìn)行實時監(jiān)測，然后通過番茄的葉面積和實時的光合有效輻射計算出番茄的蒸騰速率，進(jìn)而得出番茄的需水量，以此實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)整水肥灌溉量和灌溉頻率。

病害防治上，“智茄”團(tuán)隊利用機(jī)器視覺的識別方法來自動識別番茄病害，識別分析后的結(jié)果傳送給病害專家系統(tǒng)進(jìn)行決策，如果確實為病害葉片，將發(fā)出報警信息并給出相應(yīng)的專家解決方案。

“農(nóng)圣大腦”團(tuán)隊

來自江蘇大學(xué)、北京市農(nóng)技推廣站、北京工商大學(xué)、韓國全州大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)和院校，具備多元化科研背景的“農(nóng)圣大腦”團(tuán)隊，通過選擇優(yōu)質(zhì)健康種苗從源頭杜絕番茄根腐病、枯萎病、炭疽病等土傳病害的發(fā)生。在番茄生產(chǎn)過程中重點防治氣傳病害、基質(zhì)傳病害和蟲害，在開花前將病蟲害控制在極低水平，以減少花期病蟲害的發(fā)生，避免在花期用藥，以免傷花。在出現(xiàn)病蟲害時，采用黃色粘蟲板誘殺蚜蟲、粉虱，藍(lán)色粘蟲板誘殺薊馬，綠色無污染，而且成本較低。

“喜柿”團(tuán)隊

為了在達(dá)到預(yù)期種植效果的基礎(chǔ)上最大化提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益，浙江大學(xué)青年學(xué)者組成的“喜柿”團(tuán)隊在這個方面勇爭第一，制定了精確的資源消耗管理策略，通過構(gòu)建精準(zhǔn)的番茄需求模型，實現(xiàn)了按需供給，在用水量、用肥量、用電量、人工、植保、種苗等所有物料資源消耗方面都處于領(lǐng)先地位，在能耗控制中表現(xiàn)最佳。團(tuán)隊用改良的沸石分子篩，在較低濃度范圍對二氧化碳有更強(qiáng)的吸附能力和較緩的解離能力，在促進(jìn)光合作用提高的同時，有效避免了直接施用二氧化碳而植物利用有限而導(dǎo)致的二次排放問題。他們還開發(fā)出了基于沸石分子篩的適用于玻璃溫室、塑料大棚的輕簡化二氧化碳加富裝置，簡單高效，材料可再生重復(fù)使用，是推動低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展的新方向。（綜合《農(nóng)民日報》《時代周報》等）

編輯：牛姣