丁亞會　陳誠　喬曉軍　沈劍波　林森　張云鶴　馮思思

摘要：為減少農(nóng)藥施用量、發(fā)展病蟲害綠色防控技術，保障農(nóng)產(chǎn)品質量安全，基于物聯(lián)網(wǎng)技術，結合臭氧滅菌防病、光源誘導除蟲、作物健康識別和病蟲害辨識預警等技術，研發(fā)了設施蔬菜病蟲害綠色防控系統(tǒng)，主要由多功能植保機和信息管理系統(tǒng)組成。結果表明，綠色防控系統(tǒng)下草莓白粉病發(fā)病率較常規(guī)施藥法降低27.7%，草莓產(chǎn)量提高19.8%，具有顯著的草莓白粉病防控效果和增產(chǎn)潛力。同時，系統(tǒng)的預警服務、多方式消殺、遠程控制和智能托管等功能有效緩解了我國植保技術裝備落后、過度依賴農(nóng)藥使用、勞動力結構性短缺和維保運營困難等問題。系統(tǒng)的應用在一定程度上實現(xiàn)了設施蔬菜病蟲害防治的綠色化、專業(yè)化和智能化。

關鍵詞：綠色防控系統(tǒng)；植保機；物聯(lián)網(wǎng)；云托管；病蟲害

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0830

中圖分類號：S126 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2024）04007710

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展是國民經(jīng)濟發(fā)展的物質保障，設施蔬菜是促進農(nóng)民增收的重要產(chǎn)業(yè)[1]。在設施蔬菜種植過程中，由于環(huán)境濕度大、溫度高、光照弱、氣流慢等特點，極易造成病蟲的孶生、傳播、蔓延和周年發(fā)生，設施蔬菜的病蟲害防治任務艱巨[2]。隨著我國設施蔬菜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，受病蟲害的影響日趨嚴重[34]。科學合理地使用農(nóng)藥可以有效地防治病蟲害，為作物提供良好的生長和發(fā)育環(huán)境[5]，避免因病蟲害導致的蔬菜產(chǎn)量降低甚至絕產(chǎn)的尷尬局面。因此，為獲取穩(wěn)定的作物產(chǎn)量和經(jīng)濟收益，設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越來越依賴農(nóng)藥 [6]。然而，大量、長期、不合理地使用農(nóng)藥造成了土壤、地下水污染和農(nóng)藥殘留等問題，嚴重危害人們的身體健康[7]。

病蟲害綠色防控技術從綠色、生態(tài)和安全角度出發(fā)，通過監(jiān)測預警、理化誘控、免疫誘抗、農(nóng)業(yè)防治、生物防治和生態(tài)調控等多種資源節(jié)約型和環(huán)境友好型措施，從源頭上解決農(nóng)藥殘留和環(huán)境污染問題是未來設施蔬菜甚至整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中病蟲害防治的必然趨勢[8]。近年來，針對病蟲害綠色防控技術的研究受到國內外學者的廣泛關注[9-13]。宋展樹等[14]研究表明，采用高溫悶棚、葉菜誘集、輪作倒茬、土壤處理、藥劑灌根結合增施生物有機肥等綠色綜合防治技術，可有效防治香瓜根結線蟲病。張超等[15]從培育無病蟲壯苗、棚室消毒、產(chǎn)中物理防控、產(chǎn)后植株殘體無害化處理等方面對設施番茄整個生產(chǎn)過程中的病蟲害綠色防控技術進行了闡述。馬超等[16]研究結果顯示，通過西瓜甜瓜全程的立體綠色防控技術集成，實現(xiàn)了土傳病害和白粉病的高效綠色防控，平均防治效果在85%以上。李金玲等[17]研究表明，山東省壽光市通過應用靜電噴霧器、煙霧彌霧兩用機及多功能植保機等新型設施蔬菜綠色防控產(chǎn)品及技術，農(nóng)藥利用率提高5%以上，用藥量減少10%以上。然而，現(xiàn)有大部分病蟲害防控技術僅從農(nóng)藥減量與其他農(nóng)藝措施配合角度進行病蟲害防治，導致勞動力使用周期長、人工成本高，且依然存在農(nóng)藥殘留和環(huán)境污染等問題，不適合大規(guī)模推廣應用。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)等技術研發(fā)了設施蔬菜的病蟲害綠色防控系統(tǒng)，主要包括多功能植保機、Web端與App端的信息管理系統(tǒng)和協(xié)同托管云服務平臺，集監(jiān)測預警、防控消殺、遠程控制和智能托管等功能于一體。該系統(tǒng)的應用對減少設施蔬菜農(nóng)藥用量、發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)和保障農(nóng)產(chǎn)品質量安全具有積極意義。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)開發(fā)

設施蔬菜病蟲害綠色防控系統(tǒng)主要包括2部分：硬件部分的多功能植保機和軟件部分的信息管理系統(tǒng)。信息管理系統(tǒng)以TCP/IP協(xié)議為網(wǎng)絡基礎，運用J2EE、http、Android 等軟件開發(fā)技術，按照感知層、網(wǎng)絡層和應用層的物聯(lián)網(wǎng)體系架建設，總體框架如圖1所示。在實際應用中，多功能植保機主要通過傳感器、臭氧發(fā)生器和控制器等獲取環(huán)境信息和現(xiàn)實功能；Web端信息管理系統(tǒng)通過連接數(shù)據(jù)中心和App端信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)應用場景的信息交互、查詢和儲存功能；App端信息管理系統(tǒng)主要負責實時監(jiān)控、遠程控制、數(shù)據(jù)查詢和售后服務等，實現(xiàn)設備的智能化管理。

1.1.1 多功能植保機

多功能植保機是一款新型、無人化的設施蔬菜病蟲害綠色防控設備，具有臭氧植保、光譜誘蟲、主動式物理殺蟲、輔助加熱和環(huán)境數(shù)據(jù)采集等功能，由國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術研究中心設計研發(fā)和生產(chǎn)。設備外觀設計呈飛碟狀，寬度為800 mm，高度為318 mm，額定電壓為220 V，額定功率為290 W。植保機主要由臭氧發(fā)生器、風機（功率80 W，風量728 m3·h-1）、誘蟲燈、氣流導向板、傳感器、控制裝置等組成，如圖2所示。

1.1.2 信息管理系統(tǒng)

信息管理系統(tǒng)包括Web端信息管理系統(tǒng)、APP端信息管理系統(tǒng)和協(xié)同托管云服務平臺。

Web 端信息管理系統(tǒng)利用Brower/Server（B/S）工作模式，負責建立與數(shù)據(jù)中心的信息交互，可實現(xiàn)多功能植保機上傳數(shù)據(jù)和儲存數(shù)據(jù)的智能管理。管理人員通過Web端信息管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)用戶信息和設備信息的管理，主要包括：注冊信息、用戶個人信息、設備匹配與使用信息、運行信息、維修與報警記錄和溫室環(huán)境數(shù)據(jù)等，如圖3所示。此外，設備報警信息還可以通過短信形式實時發(fā)送到用戶的手機，以便用戶對溫室內設備運行狀態(tài)進行遠程監(jiān)測和調控。

APP端信息管理系統(tǒng)主要負責實現(xiàn)設備的遠程控制、售后服務、數(shù)據(jù)查詢等智能管理。其數(shù)據(jù)庫主要包括：用戶注冊、設備綁定、設備維修、工作模式設定、數(shù)據(jù)實時查詢與可視化顯示等功能，如表1所示。

為實現(xiàn)防控設備和植保作業(yè)的高效管理，更方便、及時、高效地服務企業(yè)和農(nóng)戶，在多功能植保機預設端口，利用傳感器收集到的相關信息，建立云端決策系統(tǒng)，并開發(fā)了綠色防控的云服務托管平臺，其技術架構如圖4所示。平臺主要采用B/S工作模式，融合Open Service Gateway Initiative（OSGI，開放服務網(wǎng)關協(xié)議）技術規(guī)范和ServiceOriented Architecture（SOA，面向服務體系架構）架構思想，運用Spring、Hibernate、MySQL 數(shù)據(jù)庫等架構技術，通過分成架構模式和J2EE 技術標準實現(xiàn)。

1.2 驗證試驗

1.2.1 試驗設計

為驗證病蟲害綠色防控系統(tǒng)的應用效果，選取紅顏品種草莓為試驗作物，草莓白粉病為研究對象，于長春市綠園區(qū)西新鎮(zhèn)裴家村楊家屯溫室大棚內開展試驗。試驗土地為黑土地，肥水充足。草莓于2020年9月27日移栽，大行距90 cm，小行距20 cm，穴距15 cm，每穴1株。試驗共設3個處理，處理A為同棚隔離對照區(qū)，與試驗區(qū)在同一溫室，用塑料薄膜與試驗區(qū)隔離，管理與試驗區(qū)一致；處理B為常規(guī)用藥對照區(qū)，與試驗溫室面積、田間生產(chǎn)管理相同，使用乙嘧酚醚菌酯防治草莓白粉病，共用藥3次；處理C為病蟲害綠色防控系統(tǒng)試驗處理區(qū)，該區(qū)域草莓生長季內均可開放使用多功能植保機。

1.2.2 采樣調查

試驗調查依據(jù)機械田間防效試驗準則進行，每小區(qū)隨機取5點調查，每點查兩壟，每株調查全部莖葉和果實，分別記載病株數(shù)，計算防治效果。試驗期間共調查8次，分別在10月3日、10月13日、10月20日、11月1日、11月13日11月20日、12月18日和1月8日。

2 結果與分析

2.1 病蟲害綠色防控系統(tǒng)功能分析

2.1.1 臭氧發(fā)生

多功能植保機采用高壓式臭氧發(fā)生器，主要包括臭氧電源、臭氧電極和高壓包等。臭氧發(fā)生器長610 mm、寬460 mm、高320 mm，并聯(lián)安裝2個高壓放電管，臭氧產(chǎn)量為10 g·h-1，出風口處臭氧質量濃度4.3～10.7 mg·L-1，可控制設施內臭氧質量濃度0.03～0.08 mg·L-1。其工作原理為臭氧電源利用交流市電（AC220±20 V，50～60 Hz）輸出高壓直流電，形成高壓電場，臭氧電極基于沿面放電原理使電場內及周圍氧分子發(fā)生電化學反應形成臭氧。

2.1.2 風向/風速調節(jié)

多功能植保機配備80 W風機及氣流導向板，可將臭氧快速均勻地擴散至整個設施空間。其中，風機最大靜壓550 Pa、最大風量1 350 m3·h-1，氣流導向板可根據(jù)植保機實際應用的空間類型調整。在設施溫室使用時，若為矩形布置，風口方向與溫室長度方向一致，調成2個出風口；若為方形布置，可調節(jié)成4個出風口，如圖5所示。

2.1.3 誘光燈選擇

LED黃藍色誘蟲燈是常見誘蟲光源。研究表明，從誘集昆蟲總量來看，數(shù)量最多的為440～445 nm藍光燈[18]。此外，溫室白粉虱具有強烈的趨黃習性，對550～600 nm的黃色光波最敏感。因此，多功能植保機底部采用LED黃、藍色誘蟲燈（圖6），利用黃藍色光源誘導害蟲至設備底部及周邊區(qū)域，通過風機產(chǎn)生的負壓吸力將其吸入并殺滅。

2.1.4 蔬菜凍害預防

多功能植保機通過傳感器，實時監(jiān)測設施內溫濕度、光照強度、土壤溫濕度和二氧化碳濃度等環(huán)境因子。當溫度降低到設定閾值時，自動開啟加熱功能，并啟動風機，增加空氣對流，于溫室膜下部形成暖空氣保護層，從而防止凍害發(fā)生，延長作物的生育期，提高作物產(chǎn)量。

2.1.5 病蟲害防控與防治

在病蟲害防控方面，多功能植保機產(chǎn)生的臭氧均勻擴散，并在設施空間內達到一定水平時，可以分解細菌和真菌的細胞壁，破壞其代謝和繁殖，達到殺滅病菌的目的，預防蔬菜病蟲害的發(fā)生。

在病蟲害防治方面，一是在害蟲的卵和幼蟲時期，當臭氧達到一定質量濃度時，其強氧化性會氧化害蟲細胞膜，導致細胞死亡，有效殺滅害蟲的卵和幼蟲；二是在害蟲的成蟲時期，設備底部黃、藍色誘蟲燈利用害蟲趨光性吸引害蟲飛近后，高速旋轉的風機產(chǎn)生的負壓吸力將害蟲吸入并消殺[19]，完成主動式物理殺蟲。

在適用作物和防控病蟲害種類方面，多功能植保機是一款以農(nóng)業(yè)設施病蟲害防治為主、兼具養(yǎng)殖場所消毒滅菌和公共場所消毒除味的的多功能設備。在用于病蟲害防治時，適宜在具有封閉效果的設施（如日光溫室、連棟溫室和塑料大棚等）中使用；設備可用于防控設施蔬菜瓜果等種植過程中的常見病害，如黃瓜霜霉病、黑星病、白粉病、炭疽病，番茄灰霉病、早疫病、晚疫病、莖基腐病，茄子褐紋病、綿疫病、黃萎??；甜椒白粉病、疫病等，以及蚜蟲、白粉虱、煙粉虱、斑潛蠅、薊馬、紅蜘蛛、茶黃螨、煙青蟲、棉鈴蟲及根結線蟲等幾十種病蟲害。

2.2 信息管理系統(tǒng)的應用效果分析

信息管理系統(tǒng)利用現(xiàn)場圖像、氣象環(huán)境、設備控制、信息查詢、報警預警等實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的云端存儲、處理以及設備的遠程控制，可實現(xiàn)最大數(shù)據(jù)容量50億條，控制命令下發(fā)時延小于2 s，決策平均響應時間不超過5 s，平臺命令事務失敗率不超過0.1%。其中，協(xié)同托管云服務平臺基于物聯(lián)網(wǎng)的端到端智能設備遠程診斷技術，解決了多功能植保機運營維護、故障診斷和日常實時管理等問題，實現(xiàn)了多功能植保機運行和植保作業(yè)管理的無人化。在實際應用中，用戶通過APP端信息管理系統(tǒng)遠程控制多功能植保機實現(xiàn)臭氧殺菌、主動式物理殺蟲、預防蔬菜病蟲害和環(huán)境數(shù)據(jù)采集等功能，工作流程如圖7所示。

具體內容包括風向和風速的調整、臭氧質量濃度的調節(jié)、誘蟲燈的開啟等，還可以實時查詢溫室內溫度、濕度、光照強度、天氣狀況、設備運行狀態(tài)等信息。由圖8所示，“首頁”欄顯示設備所在地為北京，當日11時室外溫度為32℃（氣溫范圍34～25℃），濕度69%，3級南風，環(huán)境質量良?！霸O備”欄顯示，金溝草莓園東區(qū)二排11號植保機運行環(huán)境，室內溫度42.7 ℃、濕度47%，自定義運行模式設置為藍燈和加熱狀態(tài)。“天葡莊園暖5”工作內容顯示，設定1 為殺菌模式，時間20：00—22：00，風力強度100，臭氧強度7；設定2 為滅蟲模式，時間16：00—17：00，風力強度25，臭氧強度0。

2.3 驗證結果分析

如表2所示，從草莓發(fā)病率可以看出，試驗處理區(qū)較同棚對照區(qū)下降8%，較常規(guī)用藥對照區(qū)降低27.7%，可知綠色防控系統(tǒng)對草莓白粉病具有較好的防控效果；在草莓整個生育采收期，試驗處理區(qū)產(chǎn)量比同棚對照區(qū)增產(chǎn)12.0%，比常規(guī)對照區(qū)增產(chǎn)19.8%，說明綠色防控系統(tǒng)有利于促進草莓生長期發(fā)育，提高果實產(chǎn)量。與此同時，同棚隔離區(qū)草莓比常規(guī)對照區(qū)發(fā)病率降低約20%，產(chǎn)量提高7%，分析原因可能是因塑料膜未能完全封閉，隔離不徹底，不能完全阻止多功能植保機產(chǎn)生的臭氧擴散過去，導致發(fā)病率減少，產(chǎn)量有所增加，間接反映了綠色防控系統(tǒng)對草莓的病蟲害防控和增產(chǎn)作用。綜合結果表明，病蟲害綠色防控系統(tǒng)對草莓白粉病有較好的的防控效果。

2.4 系統(tǒng)應用

目前，病蟲害綠色防控系統(tǒng)已在北京所有郊區(qū)縣及天津、河北等全國多個?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)）廣泛應用。其中，2019—2022年期間，在13個示范區(qū)建立核心示范基地，基地總應用面積達19.8萬畝（1.32萬hm2），主要推廣綠色防控技術，新增產(chǎn)值6 135 元·hm-2，累計新增總產(chǎn)值約8 098.2 萬元。應用區(qū)內減少化學農(nóng)藥用量51%，勞動生產(chǎn)效率提升25%。病蟲害綠色防控系統(tǒng)的推廣與應用不僅有效提高了農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)病蟲害智能化綠色防控能力，明顯改善產(chǎn)區(qū)地面源污染與生態(tài)環(huán)境，還推進了我國農(nóng)業(yè)病蟲害防控的專業(yè)化、智能化、綠色化，取得了顯著的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益。

3 討論

我國在農(nóng)作物病蟲害綠色防控技術的工作任重而道遠，農(nóng)藥仍是當前農(nóng)作物病蟲害防治的主要方法，以設施蔬菜尤為突出，其農(nóng)藥用量為大田作物的幾倍甚至十幾倍[20]?！吨泄仓醒腙P于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標》已明確提出，要保障國家糧食安全底線，健全農(nóng)業(yè)支持保護制度和健全農(nóng)作物病蟲害防治體系。同時，在《生物安全法》和《農(nóng)作物病蟲害防治條例》中，將植物疫情監(jiān)測防控提升到國家安全的高度，明確要加強病蟲害監(jiān)測與防治的科技支撐。因此，亟需革新傳統(tǒng)的病蟲害綠色防控系統(tǒng)應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過綜合使用農(nóng)業(yè)防治、物理防治、科學用藥、生物防治和生態(tài)調控等技術，結合物聯(lián)網(wǎng)、云服務、5G 和大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代科技，有效替代化學農(nóng)藥的使用，控制作物病蟲害的發(fā)生，保障農(nóng)產(chǎn)品質量安全和糧食安全。

本文從減少農(nóng)藥使用和發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)角度出發(fā)，以設施蔬菜病蟲害防治為研究對象，綜合利用臭氧滅菌防病、光源誘導除蟲、病蟲害辨識預警、遠程協(xié)同控制和裝備托管云服務等技術，通過物聯(lián)網(wǎng)技術及其管理模式，設計并開發(fā)了設施蔬菜病蟲害綠色防控系統(tǒng)。2019年以來，通過個性化服務派技術人員到基地現(xiàn)場培訓，每年組織約50次專業(yè)技術或視頻培訓，線上同步抖音、快手、微信視頻號等主流媒體直播培訓，線上視頻播放量2 000 萬人次，宣傳短視頻累計播放量達54.3萬次。此外，系統(tǒng)中的多功能植保機獲得了CQC-ROHS實驗認證，并取得CQC-ROHS認證證書；同時還獲得1項實用新型專利[21]，1項外觀設計專利[22]和軟件著作權4項[23-26]。

一方面，病蟲害綠色防控系統(tǒng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術的優(yōu)勢，將設施蔬菜病蟲害防治由化學防治轉換到生物物理防治，由人工控制轉換到智能裝備遠程控制，不僅降低了人工成本，減少了環(huán)境污染，還提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。另一方面，本系統(tǒng)在研發(fā)設計上進行了突破創(chuàng)新，主要體現(xiàn)在以下3個方面。①圖像分割是計算機視覺中的重要任務，亦是圖像處理的關鍵步驟[27]。系統(tǒng)采用自適應圖像增強法和基于Chan-Vese模型與Sobel算子的重疊葉片分割方法對采集的圖像進行預處理，有效提高了圖像清晰度、保持真實色彩，對通過作物表型變化辨識不同病蟲害具有十分重要的意義。②運用動態(tài)集成的蔬菜葉部病害識別法和Efficient-Net網(wǎng)絡的蔬菜病害識別法等多種創(chuàng)新性病害識別方法，快速準確識別圖像中的病害蔬菜；利用蟲害細粒度辨識技術[28]的相似度量分析、無監(jiān)督聚類優(yōu)化和細粒度識別網(wǎng)絡MCF-Net[29]等，分析蟲害發(fā)育規(guī)律的細粒度變化態(tài)勢，構建蟲害細粒度識別預警模型，進行蟲害識別預警。③臭氧對經(jīng)濟作物病蟲害防治，尤其是設施蔬菜病蟲害的防治具有重要意義[30]。系統(tǒng)利用雙向注意力編輯解碼器的算法框架[31]建立了神經(jīng)網(wǎng)絡模型，可測算多功能植保機的最佳臭氧釋放量。

為驗證病蟲害綠色防控系統(tǒng)對設施蔬菜病蟲害的防治效果，本研究已在全國多個省（市、自治區(qū)）進行了多組不同作物的病蟲害防治試驗。其中，山東省濟南市長清區(qū)恒源農(nóng)業(yè)生態(tài)園溫室蔬菜病蟲害防治試驗表明[19]，在全生長期內未噴施農(nóng)藥前提下，病蟲害綠色防控系統(tǒng)對溫室黃瓜白粉病和煙粉虱均有較好的防治效果，其中對黃瓜煙粉虱的防治效果可達89.5%；內蒙古赤峰市寧城縣溫室銀月亮番茄病蟲害防治試驗結果表明，多功能植保機可將番茄晚疫病發(fā)病率降低為4.4%，白粉虱發(fā)病率降低為7.2%；遼寧省朝陽市公營子鎮(zhèn)溫室泰國無筋豆病蟲害防治試驗顯示，使用多功能植保機可將灰霉病發(fā)病率控制在9.2%。試驗結果表明，系統(tǒng)對設施環(huán)境內常見病蟲害具有較好的防控效果，對設施農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展、保證農(nóng)產(chǎn)品質量安全和糧食安全等具有重要意義。

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Research Center of Information Technology，Beijing Academyof Agriculture and Forestry Sciences. Facility Vegetable OzonePlant Protection Machine Intelligent Control ManagementSystem [abbreviation： MFPMCMS] V1.0 [Z]. China，2021SR1218846.

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（責任編輯：溫小杰）

基金項目：北京市科技計劃項目（Z211100004621006）；北京市農(nóng)林科學院青年科研基金項目（QNJJ202027）；“科技創(chuàng)新2030”項目（2021ZD0113602）。