張莉萍

（長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430000）

1 研究背景

民以食為天，食物是人類(lèi)生存最基本的也是最重要的條件因素。但是，現(xiàn)在全球人口的快速增長(zhǎng)、資源的有限、氣候的迅速變化，都給農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）估計(jì)，到2050年，全球糧食產(chǎn)量需要增加70%才能再增加23億人[1]。因此，農(nóng)業(yè)必須進(jìn)行改革創(chuàng)新，而引入物聯(lián)網(wǎng)能夠讓農(nóng)業(yè)發(fā)展更上一層樓。

將物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)相結(jié)合，通過(guò)結(jié)合傳感器、運(yùn)動(dòng)探測(cè)器、按鈕相機(jī)等設(shè)備，農(nóng)民可以實(shí)時(shí)對(duì)植物的生長(zhǎng)情況還有各種參數(shù)（例如水分、土壤濕度等）進(jìn)行檢測(cè)。與傳統(tǒng)操作相比，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)場(chǎng)，可以使灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“一秒五噴”。

2 植物生長(zhǎng)所需要的環(huán)境因子

在引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之前，需要對(duì)植物生長(zhǎng)所必需的環(huán)境因子有所了解，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和分析。因此，下面介紹植物在生長(zhǎng)時(shí)所需要的環(huán)境因子。

2.1 光照

光照是植物（有葉綠體的）進(jìn)行光合作用的必要條件，經(jīng)過(guò)陽(yáng)光照射，植物中的葉綠體通過(guò)一系列生物反應(yīng)，可以將空氣中的二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成自身生長(zhǎng)所需的單糖，單糖經(jīng)過(guò)進(jìn)一步反應(yīng)生成植物生長(zhǎng)所需的有機(jī)物等。但是對(duì)于之前的農(nóng)業(yè)來(lái)說(shuō)，需要根據(jù)天氣來(lái)定，而且預(yù)測(cè)天氣是一件難事，無(wú)法準(zhǔn)確知道未來(lái)的天氣是大旱還是暴雨還是風(fēng)調(diào)雨順。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引進(jìn)可以有效解決這一問(wèn)題。

2.2 水分

水分包括植物生長(zhǎng)所需的濕度，分為土壤濕度和空氣濕度，地球上所有的生物都離不開(kāi)水，水是生命之源。根據(jù)植物水分可分為3種：水生植物、濕生植物和旱生植物。水澆少了會(huì)使植物生長(zhǎng)受阻；水澆多了會(huì)使植物的根部因?yàn)槿毖醍a(chǎn)生無(wú)氧呼吸而壞掉。因此，根據(jù)不同植物生長(zhǎng)的習(xí)性，需要制定不同的計(jì)劃來(lái)澆水，通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，可以了解到植物的狀態(tài)。

2.3 溫度

一年四季所生長(zhǎng)的植物有所不同，所需要種植的果蔬也不同?，F(xiàn)在的大棚蔬菜可以讓人們一年四季都吃到新鮮的蔬果，但是需要對(duì)大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行控制。

2.4 土壤

土壤中含有適當(dāng)?shù)乃?、空氣和養(yǎng)分，能使植物健康生長(zhǎng)。土壤中含有植物生長(zhǎng)需要的大量元素和微量元素，如氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵等。植物通過(guò)根系吸收土壤中的水分和養(yǎng)分，因此，要求土壤松軟度合適，有足夠的氧氣讓植物呼吸。土壤、陽(yáng)光等都是大自然給予植物生長(zhǎng)的必要條件，雖然某些貧瘠地區(qū)的土地并不肥沃，但也不是完全沒(méi)有辦法，現(xiàn)在可以由人工無(wú)土栽培，能定向提供這些條件[2]。

2.5 肥料

在植物生長(zhǎng)期間，施肥也是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，能為植物提供足夠的營(yíng)養(yǎng)。但是，植物生長(zhǎng)所需生長(zhǎng)素的量是固定在一個(gè)范圍內(nèi)的，施肥過(guò)多反而會(huì)抑制植物的生長(zhǎng)。在正常范圍內(nèi)對(duì)植物進(jìn)行施肥，還可以抑制部分野草的生長(zhǎng)。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

基于多光譜連續(xù)可調(diào)的植物物聯(lián)網(wǎng)配置系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。該系統(tǒng)不僅可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，還可以有效利用資源。通過(guò)對(duì)農(nóng)作物數(shù)據(jù)的檢測(cè)，管理人員可以知道什么時(shí)候需要澆水、澆水量需要多少以及什么時(shí)候需要用生長(zhǎng)素等，可以有效減少資源的消耗，實(shí)現(xiàn)低成本、高回收。引入物聯(lián)網(wǎng)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)其現(xiàn)階段所需的生長(zhǎng)環(huán)境因子進(jìn)行計(jì)算，并且及時(shí)控制，可以有效提高農(nóng)作物的生長(zhǎng)效率。因?yàn)楹芏嗉夹g(shù)是根據(jù)計(jì)算機(jī)計(jì)算進(jìn)行的，可以不受自然條件的約束，甚至可以在沙漠、戈壁等極限條件下進(jìn)行農(nóng)作物的種植，極大地利用了地理面積，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，有效解決了土地資源不夠的相關(guān)問(wèn)題。在技術(shù)的支持下，甚至還可以在太空進(jìn)行作物種植，可以源源不斷地提供食物[3]。

3.1 LED對(duì)于植物的影響

光質(zhì)是影響植物生長(zhǎng)的一個(gè)重要的環(huán)境因子，有效利用光質(zhì)可以調(diào)節(jié)蔬菜中抗氧化化合物的合成和積累，但是因?yàn)椴煌贩N的蔬菜對(duì)光波的吸收段不同，對(duì)每種光源的反應(yīng)也不同，甚至單個(gè)植物對(duì)不同的光波進(jìn)行吸收之后，生長(zhǎng)反應(yīng)也有所不同。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，下文進(jìn)行了簡(jiǎn)述。

3.1.1 光質(zhì)

光作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的基本要素之一，光質(zhì)、光強(qiáng)、光照時(shí)間等因素對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育均會(huì)產(chǎn)生很大影響。光質(zhì)可以通俗地解釋為光的波長(zhǎng)。

光質(zhì)會(huì)影響植物中含有的葉綠素a以及葉綠素b對(duì)光的吸收，進(jìn)而影響光合作用。在自然光譜中，只有很少一部分可見(jiàn)光能被植物吸收，如果紅藍(lán)光搭配合適，便能提高光的利用率。由于光譜構(gòu)成的成分不同，組合起來(lái)或者單個(gè)光進(jìn)行照射，對(duì)作物的影響結(jié)果都不同。例如在生菜的成長(zhǎng)中，若是將紫光和綠光相結(jié)合，生菜的生長(zhǎng)就會(huì)被抑制；但是用紅光進(jìn)行照射，卻能促進(jìn)其對(duì)微量元素的吸收，促進(jìn)其成長(zhǎng)。不同的光質(zhì)對(duì)葉片中的葉綠素含量也有一定的影響，例如對(duì)于花青素的合成，藍(lán)色光有促進(jìn)作用，但是紅光有抑制作用。

另外，光質(zhì)還會(huì)影響植物的生長(zhǎng)和形態(tài)：紅光會(huì)促進(jìn)幼苗的生長(zhǎng)。例如相關(guān)研究表明，在小麥的生長(zhǎng)中，紅光具有促進(jìn)作用，在紅光的照射下，幼苗的干物質(zhì)積累較多，影響生長(zhǎng)；紅光能降低赤霉素的含量，藍(lán)紫光能有效提高IAA（吲哚乙酸，一種生長(zhǎng)素，用以促進(jìn)植物生長(zhǎng)）氧化酶的活性，或者將兩者相融合，能降低IAA的含量，從而抑制植物莖的生長(zhǎng)。

光質(zhì)也會(huì)影響植物對(duì)微量元素的吸收，甚至?xí)绊懼参锏纳泶x。暗呼吸是植物在沒(méi)有光的情況下進(jìn)行的有氧呼吸，一般在線粒體進(jìn)行，而藍(lán)光可以促進(jìn)暗呼吸的進(jìn)行。經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)，可以進(jìn)一步促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，而紅光可以促進(jìn)植物中碳水化合物的增加。

葉綠體中的色素主要吸收紅光和藍(lán)紫光，因此，在紅光和藍(lán)紫光的照射下，光合作用最強(qiáng)，而葉綠體中的色素吸收的綠光最少，光合作用最弱。根據(jù)上述事實(shí)以及相關(guān)研究結(jié)論表明，在植物的生長(zhǎng)過(guò)程中，若是想要促進(jìn)植物健康發(fā)育，單一地使用紅光或者藍(lán)光的效果有限，而LED燈可以解決此問(wèn)題。例如可以運(yùn)用紅藍(lán)光的組合光譜，對(duì)植物的生理代謝等進(jìn)行調(diào)節(jié)。前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引進(jìn)LED照明后，植物的生長(zhǎng)周期縮短，有效減少了能耗，并且降低了成本。

3.1.2 光強(qiáng)對(duì)植物生長(zhǎng)及品質(zhì)的影響

光強(qiáng)即日常所說(shuō)的光照強(qiáng)度，高中生物課學(xué)過(guò)，光照強(qiáng)度會(huì)影響光合作用的效率。雖然在一定范圍內(nèi)，光照強(qiáng)度越大，光合作用效率越高，但是，植物對(duì)于光照強(qiáng)度的反應(yīng)有一個(gè)飽和狀態(tài)，即光飽和點(diǎn)，過(guò)猶不及，光強(qiáng)超過(guò)光飽和點(diǎn)時(shí)，光合效率不僅不會(huì)增加，還很容易引起葉綠素的分解，導(dǎo)致植物產(chǎn)生生理障礙。另外，不同植物因?yàn)樽陨硪蛩兀瑢?duì)光照強(qiáng)度的要求不同，光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)也各不相同。引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)之后，可以針對(duì)不同的植物進(jìn)行計(jì)算，針對(duì)植物生長(zhǎng)特性的不同，指定不同的光照條件，讓植物在更好的條件下生長(zhǎng)。

如圖1所示，不同溫度、光強(qiáng)下，植物對(duì)于有機(jī)物的積累和消耗速率都不同。不同光強(qiáng)下，植物的凈光合速率不同，引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)后，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)最大凈光合速率。適當(dāng)?shù)卦黾庸鈴?qiáng)，可以提升植物光合作用的速率，提高有機(jī)物的生產(chǎn)速率，進(jìn)而促進(jìn)生長(zhǎng)。但是，過(guò)高的光照強(qiáng)度會(huì)對(duì)植物造成反作用，影響葉綠素的合成，從而降低光合作用的速率，降低有機(jī)物的積累速率，減緩生長(zhǎng)速率。相關(guān)研究表明，隨著光強(qiáng)的減小，葉綠素的相關(guān)光譜參數(shù)在總體上呈現(xiàn)升高趨勢(shì)；三葉青的葉片中可溶性蛋白含量呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)。某學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，高光強(qiáng)能夠促進(jìn)菊花苗中水分和養(yǎng)分的吸收，有利于菊花苗生長(zhǎng)發(fā)育；增加光強(qiáng)能讓菊花氣孔導(dǎo)度提高，從而提高光合速率。

圖1 有機(jī)物積累和消耗速率

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后，可以對(duì)植物的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然后設(shè)置不同的光照系統(tǒng)，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)以及植物的生理特征，對(duì)光照模式、光照時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)控?？梢岳孟嚓P(guān)的計(jì)算機(jī)程序?qū)χ参锏纳L(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可以進(jìn)行自動(dòng)化控制，對(duì)植物環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)配。例如，用何種LED光源對(duì)植物進(jìn)行照射、光強(qiáng)是多少、室內(nèi)所需的二氧化碳濃度是多少、何時(shí)需要進(jìn)行澆水施肥等，使植物保持最適宜的生長(zhǎng)狀態(tài)，大幅度提高果實(shí)產(chǎn)量品質(zhì)和藥用有效成分的極大累積，以滿(mǎn)足不同經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)業(yè)各不相同的個(gè)性化需求，如花卉、葉菜、煙草、藥材等。另外，由于植物在生長(zhǎng)期間需要對(duì)其使用生長(zhǎng)素，不同的生長(zhǎng)素對(duì)植物的作用也不盡相同，有的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑可提高植物的蛋白質(zhì)、糖的含量，有的能改變植物形態(tài)，有的能增強(qiáng)抗鹽堿、抗寒、抗旱和抗病蟲(chóng)害能力。所以，需要根據(jù)不同時(shí)期植物的不同狀態(tài)，合理地使用生長(zhǎng)素。

數(shù)據(jù)傳輸不僅可以對(duì)植物的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還可以對(duì)植物生長(zhǎng)地區(qū)進(jìn)行安全檢測(cè)。若是出現(xiàn)機(jī)器故障等問(wèn)題，可以及時(shí)進(jìn)行修理；若是遇上突發(fā)意外，還可以進(jìn)行報(bào)警，保障相關(guān)工作人員的安全。

4 小結(jié)與展望

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)植物生長(zhǎng)培植系統(tǒng)，只是在理論知識(shí)上進(jìn)行了概述，描述了植物生長(zhǎng)所需的各種環(huán)境因子以及物聯(lián)網(wǎng)能在技術(shù)上為農(nóng)業(yè)提供的各種幫助，但是仍有不足之處。盡管全球人口在快速增長(zhǎng)，資源也有限，但相信未來(lái)會(huì)有更多的專(zhuān)業(yè)人士進(jìn)行這方面的研究，力求讓人們衣食無(wú)憂(yōu)。