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最新研究：杨梅栽培设施智能化管理技术分享

花匠小妙招
2024-12-24 18:49

最新研究：杨梅栽培设施智能化管理技术分享

孙鹂等

基金项目:浙江省重点研发计划 (2023C02031)

杨梅是原产于中国的常绿果树, 主要分布于我国长江以南地区, 其果实酸甜可口, 风味独特, 广受消费者喜爱, 同时杨梅富含多酚和类黄酮, 在抗氧化、抗炎症和抗肿瘤等方面起重要作用, 具有极高的营养和药用价值。杨梅成熟期 (6 月) 恰逢南方梅雨季, 露地栽培受梅雨影响容易产生落果、果实腐烂、品质不佳等问题, 严重影响栽培的经济效益。针对这一问题, 近年来浙江省大力研发杨梅设施栽培技术, 目前已在东魁、荸荠、迟色、丁岙梅等多个品种中开展设施栽培生产试验,均取得较好效果。现已证实, 促早设施栽培可将杨梅开花至果实成熟这一过程整体提前, 可有效避免梅雨对杨梅生产的影响, 并减少病虫害的发生, 显著提高果实产量和品质, 相比传统模式大幅提升杨梅栽培经济效益。

设施栽培改变了杨梅生长环境, 也出现了一些新问题。设施大棚内光质光强、空气温湿度、土壤水肥条件发生了显著改变, 这是促进杨梅生长发育的主要原因, 但环境因子的不适宜也会影响树体生长和果实品质 , 如连续阴雨和弱光寡照不利于开花和果实发育, 温湿度过高也会影响杨梅授粉和果实品质, 因此, 需要对设施环境进行更为精准地调控。杨梅雌雄异株, 属于风媒花植物, 搭建设施大棚形成了封闭空间, 导致棚内空气流动较差, 往往需要人工辅助授粉。因此, 亟须针对上述问题开展设施栽培技术优化。

近年来, 随着农业科技水平的不断进步, 已在蔬菜设施栽培中引入了智能管控系统, 可实现环境、水肥等参数的精准调控。本文将从设施模式、人工辅助授粉、设施补光、树形优化, 以及设施物联网和智能水肥管理系统等多个方面详细介绍杨梅设施栽培及智能化技术应用研究进展, 在原有设施栽培管理模式的基础上迭代升级, 实现设施杨梅生产的精准化、科学化调控, 延长杨梅采收期,改善果实品质, 提升杨梅栽培效益, 推动杨梅产业持续发展。

1　设施大棚模式

设施搭建可以减缓或避免自然灾害, 减少梅雨对果实的影响, 促进开花和果实成熟并减少病虫害, 提高果实产量和品质。在杨梅设施的发展过程中, 先后应用了简易竹棚、单体棚、单株网室、平地连栋和山地智能化大棚等搭建形式。目前主要的设施栽培方式有 3 种: 以防虫为主的网室设施栽培模式、以避雨为主的避雨设施栽培模式、以促早成熟为目的的促早设施栽培模式 (表 1)。

表 1　不同设施模式及在生产中的使用效果

网室设施栽培模式主要在果实成熟后期通过覆盖防虫网, 避免果实成熟后期果蝇及其他害虫的影响; 而避雨设施主要通过搭建避雨伞、顶部覆盖避雨膜以缓解雨水造成的落果和品质下降等问题, 以上 2 种模式均有延长果实采收期的作用, 通常可将果实采收期延长 2~3d。而设施促早栽培模式的主要功能是促进杨梅开花和果实发育, 达到提早采收的目的。搭建形式主要利用镀锌管依据山势构建平顶大棚, 并在顶端覆盖普通塑料膜。近几年通过平顶改拱顶, 进一步优化设施大棚结构, 提高大棚骨架机械强度, 可显著改善其抗强风、强降雨和暴雪能力, 且拱顶方便了顶膜的开关从而便于调控设施内温湿度。从物候期看, 普通单膜大棚荸荠杨梅初花期比露地提早 25d, 初果期比露地提早 16d, 成熟期比露地提早 15d; 而大棚东魁初花期比露地提早 27d, 初果期比露地提早 18d, 成熟期比露地提早 13d , 有效促进了果实成熟。而促早设施栽培中的双膜设施栽培, 则是通过在单膜三角形顶架或拱形顶架的基础上, 在距顶部 1m 处架设钢架横梁, 铺设第 2 层透明塑料膜。双膜覆盖通过在棚顶形成空气夹层, 显著提高设施内环境温度, 进一步加速果实发育进程, 双膜设施内的荸荠成熟期相比单膜提前了 19d, 双膜设施内的东魁相比单膜栽培提前了 16d 。

网室设施栽培除有效减少果蝇危害外, 还可显著提高果实单果重和果实硬度, 同时减少落果、烂果, 有效提高商品果率, 从而提高经济效益 ,据测算黄岩单株网室栽培的东魁单株产值可达529. 2 元, 减去成本 236. 0 元, 净收益可达 293. 2元 ; 青田的单株网室栽培极大提高了单株采收率和优质果率, 每株经济效益可达 1516. 0 元, 约是普通露地栽培的 4 倍。避雨设施栽培模式可提高果实品质, 有效增加单果重和可溶性固形物含量, 显著减少落果率, 商品果率提高 36. 41%。前期研究发现, 覆盖不同颜色避雨膜的作用效果不同, 黄膜处理可显著提高果实中可溶性糖和总花色苷含量, 而紫膜和绿膜则可以延迟果实成熟期, 表明避雨栽培除了避开雨水影响, 还可以在一定范围内调控果实熟期和品质。对浙江省多地的避雨栽培模式进行经济效益分析可知, 文成搭盖的单株避雨棚下单株杨梅产值达 875. 2 元, 比露天的单株杨梅产值 524. 4 元提高了 27. 8% , 而浙江慈溪的伞式避雨设施可将落果率由露天的41. 33%降至 17. 38%, 提高果实采收量, 单株收益由露地的 494. 2 元增至 902. 7 元, 产值提高 70. 9% 。

在 3 种模式中, 促早设施栽培模式提高经济效益最为显著, 本团队通过 2a 的试验数据证实, 促早设施栽培可显著提高果实品质, 包括单果重、可溶性固形物和总糖含量等, 并大大提高商品果率和优质果率 , 设施内商品果率可达 70% 以上, 且果实提早上市提高了鲜果单价, 总产值相比露地栽培可提高 4 ~ 7 倍, 单株产值最高可达 12750. 0元。而双膜设施栽培除了果实采收期比单膜更加提前外, 果实中总氨基酸和总黄酮含量显著提高, 且双膜栽培下的商品果率可达 80% 以上, 单株产值高达 15400. 0 元, 由于上市期更早, 鲜果单价也更高, 总体经济效益比露地栽培提高 8 倍左右, 相比单膜提高 20%, 具有更好的经济效益(表 2)。

表 2　不同设施模式的经济效益

2　辅助授粉技术

杨梅属风媒花植物, 露地栽培可自然授粉。设施栽培后, 大棚内形成了一个封闭环境, 造成棚内空气流动较差, 因此, 设施内杨梅通常需要人工辅助授粉。随着设施栽培的大力推广和应用, 杨梅设施授粉技术得到越来越多的重视。

目前设施内授粉有挂枝法和人工授粉法, 前者主要将雄花花絮枝条挂在设施内多个部位, 依靠开棚后自然通风将花粉均匀撒至棚内, 但授粉效率较低, 常常需要人工授粉加以辅助。人工授粉通常先收集长势旺、开花早、花穗长的杨梅雄株, 将花序置于房间内阴干, 将散开的花粉收集于小瓶中。待设施内雌花开花量达 30%, 即可进行第 1 轮授粉,授粉时通过选择晴天的上午 9: 00—11: 00, 或者下午 3: 00—5: 00 进行, 授粉前开棚通风降低棚内空气湿度, 授粉时需关闭大棚, 利用风机将花粉吹散至树体各部位, 保证授粉均匀, 通常当开花量达 50%以上时, 可再补授一次。目前人工授粉的花粉常采用纯杨梅花粉, 或杨梅花粉与松花粉按1 ∶ 3 比例混合。本团队对花粉配方进行了优化, 发现适量提高松花粉含量 (80% 松花粉) 并添加少量赤霉素和硼砂, 不仅可节省杨梅花粉用量, 提高授粉效率, 使得坐果均匀, 同时还有利于提高果实品质。此外, 随着农业机械化发展, 各种智能农机装备也在研发中, 目前已有设施番茄精准授粉机器人的报道 , 未来在杨梅设施栽培中引入智能授粉机可有效降低授粉的人工成本, 提高设施栽培效率。

3　设施补光技术

光是植物进行光合作用的重要影响因素, 光环境中光质、光强的变化均会影响树体生长发育和果实品质形成。相比露地环境, 设施内自然光照强度较弱且分布不均, 为弥补设施内光照不足的问题,人工补光开始被大量应用于设施栽培中。常用的植物补光光源有荧光灯、卤素灯、白炽灯、 LED灯等。目前在不同园艺植物, 如番茄、黄瓜、苹果、葡萄中已被证实, 补光可显著改变果实品质和果树开花进程。

在杨梅设施中, 光照强度相比棚外显著降低 , 同时叶色更深, 叶绿素相对含量和叶绿素荧光参数比露地显著提高 , 研究发现, 晴天设施环境下, 杨梅光合 “午休” 现象较棚外不明显, 均表明设施环境可通过光强的改变对杨梅光合和树体生长造成直接影响。随着补光技术在杨梅设施栽培上的应用, 补光对杨梅开花和结果的影响也相继被报道。通过对设施内东魁杨梅进行不同光源补光处理, 证实补光可显著改善果实品质。此外, 本团队也已证实, 高比例的红光、远红光可促进杨梅花芽分化, 并提早开花 , 表明设施栽培下进行适当合理的补光有利于杨梅开花和果实品质提升。

目前补光设备通常存在一定的散热问题, 因此, 补光时需注意灯管过热对植物的影响。然而随着技术发展, 激光补光开始被应用在植物育苗和生产中, 相比传统光源, 激光光源具有波长精准、量子效率高、节能显著等优点, 其作为冷光源, 避免了光源过热影响周围植物组织生长的问题, 因此,激光补光已在农业领域展现出广阔的应用前景 ,这为将来杨梅生产中激光补光的应用提供了良好的技术基础。

4　高光效树形优化

果树的树形与其自身遗传特性和栽培管理方式密切相关, 适宜的树体结构有利于提高冠层透光率, 树冠内的光照状态会直接影响树体生长和果实发育, 目前在桃、柑橘、梨等多种果树中已证实, 树形可显著影响树体生长和果实品质。

杨梅作为一种常绿果树, 树体高大, 树势强健, 然而过高的树势不利于采摘, 因此, 本团队在早年间就开展了杨梅矮化修剪技术的研究。随着杨梅栽培效益的提升, 为进一步筛选生产上的最适树形, 本团队开展了开心形、圆头形、主干形等不同树形的研究。结果显示, 与不整形修剪相比, 上述几种树形不仅可将树冠整体矮化, 还可将果实采收期提前 1~4d, 并有效提高果实中总糖和维生素 C等含量, 上述几种树形一定程度上影响了单株总产量, 但显著提高商品果率, 因此, 经济效益显著提升, 其中开心形和圆头形的效益要显著高于主干形。

近几年, 随着农业领域中数字化水平的提升,植物模型仿真分析开始被运用到植物生产中, 为适应设施内的弱光照环境, 特开展了杨梅高光效树形的研究。通过在杨梅树冠周围移动摄像机, 获得多视点可见图像, 采用机器视觉方法对图像进行三维重构, 同时利用计算机技术将不同冠层间的光分布结果可视化, 通过计算机模拟出适宜设施栽培的最优树形, 为将来设施栽培果树修剪提供了参考。

5　设施物联网和水肥智能管理

近年来, 物联网及人工智能技术在不断创新,设施农业也在不断优化发展, 将物联网与人工智能技术应用到设施农业中去, 可以大大提高农业生产效率, 降低人工成本, 提高设施农业生产质量。当前物联网在设施农业应用中最主要的优势就是实时监测和智能管控。目前, 设施农业智能控制技术在蔬菜中应用较多, 可实现大棚环境的精准调控, 根据植物不同时期生长状态, 以及外界环境变化, 自动控制温度、湿度、光照等参数, 提供最适宜生长条件, 提高产量和品质。

设施内环境温湿度发生明显改变, 且由于山地设施地形的原因, 设施大棚内不同区域的温湿度也较为复杂, 需要加强对环境因子的精准化调控。本团队前期利用温湿度记录仪记录了设施内温度变化, 结合杨梅物候期观察, 计算获得不同杨梅品种的生物学零度, 其中荸荠种和东魁的生物学零度分别为 7. 78 和 7. 41℃ , 并利用有效积温公式, 计算得到不同发育阶段, 如花期、幼果期、硬核期、转色期和成熟期的有效积温, 分别是 190. 27、297. 97、 620. 84、 988. 75 和 1191. 73℃ , 这为设施内温度的精准化调控提供了理论依据。目前,在杨梅设施生产中, 可实时监测设施内的各类环境指标, 并与气象站数据平台结合, 综合分析预测棚内环境因子的变化趋势, 通过物联网平台将探头与棚顶卷膜机、棚内风机等设备相连接, 实现温室环境的智能化管控, 当冬季温度过低或寒潮将至时,自动关棚, 当正午棚内温度过高时, 卷膜机和风机自动工作, 开棚通风, 有效降低棚内温度, 同时结合果实发育不同阶段有效积温, 通过设施增温、保温等措施有效打破休眠, 调节果实发育进程。此外, 通过探头实时监测设施内光强, 并连接补光灯和遮光帘, 实现设施内智能补光和遮光, 精准调控设施内的光环境。

设施环境相比露地更为封闭, 棚内温度高, 植物蒸腾作用强烈, 更需要重视水分管理, 传统栽培管理模式不仅费工费力, 还容易造成水肥施用不合理。设施栽培中的水肥智能管理系统可通过实时监测、自动控制, 实现水肥科学管理。在杨梅设施大棚内安装弥雾系统, 通过自动搅拌配置叶面肥和农药工作液, 并利用弥雾喷头喷洒作业, 使得喷施更加均匀, 整体减少叶面肥和农药的整体施用量, 缓解人工喷施带来的安全隐患。在棚内不同位置土壤中安插感应探头, 可实时监测设施内土壤温度、含水量、盐度等指标, 并与自动混肥装置和自动喷滴灌设备连接, 当土壤含水量过低或需要追施水溶肥时, 自动进行水肥的补充, 可实现杨梅果实发育期自动追肥和补水, 设施杨梅肥水智能化、精准化管理的应用, 可大幅减少浇水施肥的人工成本, 显著提高管理效率。

目前随着技术发展, 通过在设施内加装高清监控探头和智能巡检设备, 不仅可以实时观察果实发育和树体生长状态, 还能对完整虫体、病害部位进行拍摄并上传图像, 实现杨梅的病虫害预警, 为果农的管理提供便利。

6　结论

设施农业发展迅速, 对乡村振兴, 人民生活水平提高方面起重要作用, 果树设施栽培相对蔬菜起步较晚, 受树势和地形限制, 其机械化、智能化水平仍有待提高。本文总结了目前杨梅设施栽培和智能管理技术, 上述技术的应用显著降低了人工成本并提高杨梅种植的经济效益, 为杨梅产业持续发展提供了重要技术支持。