我国是世界上番茄种植面积最大(种植面积有1600万亩)、产量最多的国家，年产量约5500万吨，占全国蔬菜总产量的7%左右。如何让番茄变得更高品质、更高产量、更具营养价值，仍是全球最顶尖的农业科研人员追求不渝的目标。
在4月25日结束的第二届“多多农研科技大赛”上，一支由多国青年组成的“番茄快长”团队以远超传统种植的产量和品质摘得冠军。他们采用“人机融合智能”的算法，让番茄的生长变成了一场策略游戏，赛事结束时樱桃番茄的单位面积产量为11.3千克/平方米，预期正常生长周期结束时这一数字接近30千克/平方米，比肩世界领先的荷兰温室同期种植小番茄的巅峰产量。
这次决赛中，来自全球最顶尖的四支农业科研团队人机融合，利用跨学科的种植技术、AI算法，依照可持续的种植实践，种植出兼顾高品质和高产量的农作物，让人们对智慧农业的未来充满了无尽的想象空间。
为“让更多人吃上好番茄”而赛
为“让更多人吃上好番茄”，在海拔约2000米的云南省昆明市赛事基地，四个面积为96平方米的玻璃温室大棚一字排开，种番茄的农研科技大赛的擂台就设在这里。
大赛为进入决赛的团队各提供一个独立温室及对应的环境控制应用接口。从去年10月开始，“番茄快长”等四个团队分别在北京、上海、浙江、荷兰等地，通过软件远程控制位于昆明大赛基地的智能温室，结合营养学、计算机视觉和深度学习等精准农业技术种植番茄。
云南昆明地区温室多为单栋塑料大棚，传统的种植方式种植技术落后，对劳动力需求大。而在本次比赛中构建的智慧大棚，基础硬件一般包括种植槽、椰糠条、岩棉基质块等，与普通的土壤不同，番茄种植基质理化性能稳定，不易分解、腐烂或变性，具有较好的保水性和透气性，成本低、质量轻，还支持可控制调节，是精准种植的最佳搭档。另外，由于日光温室或者塑料大棚所使用的覆盖设施都会大幅减少到达温室内部的紫外线，影响蔬菜的生长发育，而智慧大棚则通过加热系统和LED补光灯调控室内的温度和紫外线，以此促进植株生长和果实生长发育。
硬件之外，技术核心是软件：环境控制应用。为了种好一颗樱桃番茄，选手们把传感器、光谱、算法模型都用上了，甚至还可以远程调节温室内的水肥、光照、二氧化碳等生长环境要素，“人在家中坐，番茄棚里长”，实现无人种植，未来感十足。
技术赋能，科技农人的新图谱
“番茄快长”团队
由北京极星农业牵头，中国农业大学、西北农林科技大学、荷兰瓦赫宁根大学研究人员组成的“番茄快长”团队，所采用的环控系统包含了温度、湿度、光照，通风、幕布和二氧化碳等番茄生长过程中所需的全部环境参数。在灌溉方面，他们主要基于光照累积量进行调节：当光照量累积到一定数值时启动一次灌溉组进行灌溉。但是同时他们也自行安装了基质湿度和EC传感器用于监测根系含水量，一旦发现基质含水量过低但是尚未触发基于光照累积量的灌溉，便通过给水肥系统发出一次补充灌溉指令。
看似简单的开窗通风，其实需要同时考虑众多因素，包括时间、风向/风速、是否下雨、是否极端天气等，还要考虑内外温差、光照、湿度等对开窗速度、大小和方向的影响。“番茄快长”团队通过开窗、风机循环、高压喷雾装置等多种方式令番茄始终能够保持在适宜的生长温度。团队甚至针对逆风面和顺风面设置了不同的开窗策略，比如逆风面的开窗策略更加保守，以防大量冷空气瞬间进入温室造成温度骤降、引发严重的植物生理反应。
另外，适当提高生长环境的相对湿度，可以显著增加番茄叶面积，然而，湿度太高同样会导致一系列问题，凝结水会传播病毒病和细菌病，高湿度会触发真菌性病害的孢子的萌发条件。因此，团队针对不同湿度、不同温度来实时触发喷雾器或窗户的开启关闭，精确到每一度和白天晚上。而这一切，基本上都是远程控制的。如此精准的生长控制，彻底告别了传统农业“靠天吃饭”的窘境。
在光照不足的时候适当补充光照，可以显著提升番茄产量。但考虑到补光灯的能耗较高，“番茄快长”团队采用了双层补光策略，作物模型根据二氧化碳、外界光照和温度情况判断植物的光合效率，以此判断是否开灯。因此，“番茄快长”团队在冬季的生产成本仅为15.3元/千克，而据行业经验估计，同季节行业平均植串收小番茄每公斤生产成本在20元左右。
在病害防治方面“，番茄快长”团队通过自行研发由多个机器学习模型所组合而成的病害管理系统，预测常见的感染真菌性病害的风险，准确率达89%。在孢子侵染作物阶段，病害管理系统就可以将病害发生的风险预测出来，提前干预，如采取精准预防性喷洒药物、改变环控措施等手段，最大限度地降低病害发生风险，可以有效减少农药消耗，同时也保护了环境。最终，该团队生产的番茄也没有检测出任何农药残留。
“智茄”团队
由中国农业大学牵头的“智茄”团队创建了能与植物“对话”的“数字番茄智慧管控云平台”，该平台建立了包括净光合速率模型、蒸腾速率模型在内的番茄植株生长环境模型，引入环境与植株信息交互影响关系参数。当环境实时监测数据超出阈值范围时，系统平台会给操作人员发送短信提醒，形成闭环智能控制。
番茄需水量较大，不同生长时期和生长状态灌溉策略也不同。“智茄”团队通过机器视觉和传感器技术实时识别樱桃番茄的叶片、花朵和果实等生理信息，并对环境光照情况和温湿度等进行实时监测，然后通过番茄的叶面积和实时的光合有效辐射计算出番茄的蒸腾速率，进而得出番茄的需水量，以此实现远程调整水肥灌溉量和灌溉频率。
病害防治上，“智茄”团队利用机器视觉的识别方法来自动识别番茄病害，识别分析后的结果传送给病害专家系统进行决策，如果确实为病害叶片，将发出报警信息并给出相应的专家解决方案。
“农圣大脑”团队
来自江苏大学、北京市农技推广站、北京工商大学、韩国全州大学等科研机构和院校，具备多元化科研背景的“农圣大脑”团队，通过选择优质健康种苗从源头杜绝番茄根腐病、枯萎病、炭疽病等土传病害的发生。在番茄生产过程中重点防治气传病害、基质传病害和虫害，在开花前将病虫害控制在极低水平，以减少花期病虫害的发生，避免在花期用药，以免伤花。在出现病虫害时，采用黄色粘虫板诱杀蚜虫、粉虱，蓝色粘虫板诱杀蓟马，绿色无污染，而且成本较低。
“喜柿”团队
为了在达到预期种植效果的基础上最大化提高经济运行效益，浙江大学青年学者组成的“喜柿”团队在这个方面勇争第一，制定了精确的资源消耗管理策略，通过构建精准的番茄需求模型，实现了按需供给，在用水量、用肥量、用电量、人工、植保、种苗等所有物料资源消耗方面都处于领先地位，在能耗控制中表现最佳。团队用改良的沸石分子筛，在较低浓度范围对二氧化碳有更强的吸附能力和较缓的解离能力，在促进光合作用提高的同时，有效避免了直接施用二氧化碳而植物利用有限而导致的二次排放问题。他们还开发出了基于沸石分子筛的适用于玻璃温室、塑料大棚的轻简化二氧化碳加富装置，简单高效，材料可再生重复使用，是推动低碳农业发展的新方向。
关键词：
