我國是世界上番茄種植面積最大(種植面積有1600萬畝)、產量最多的國家，年產量約5500萬噸，占全國蔬菜總產量的7%左右。如何讓番茄變得更高品質、更高產量、更具營養價值，仍是全球最頂尖的農業科研人員追求不渝的目標。
在4月25日結束的第二屆“多多農研科技大賽”上，一支由多國青年組成的“番茄快長”團隊以遠超傳統種植的產量和品質摘得冠軍。他們采用“人機融合智能”的算法，讓番茄的生長變成了一場策略游戲，賽事結束時櫻桃番茄的單位面積產量為11.3千克/平方米，預期正常生長周期結束時這一數字接近30千克/平方米，比肩世界領先的荷蘭溫室同期種植小番茄的巔峰產量。
這次決賽中，來自全球最頂尖的四支農業科研團隊人機融合，利用跨學科的種植技術、AI算法，依照可持續的種植實踐，種植出兼顧高品質和高產量的農作物，讓人們對智慧農業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，種番茄的農研科技大賽的擂臺就設在這里。
大賽為進入決賽的團隊各提供一個獨立溫室及對應的環境控制應用接口。從去年10月開始，“番茄快長”等四個團隊分別在北京、上海、浙江、荷蘭等地，通過軟件遠程控制位于昆明大賽基地的智能溫室，結合營養學、計算機視覺和深度學習等精準農業技術種植番茄。
云南昆明地區溫室多為單棟塑料大棚，傳統的種植方式種植技術落后，對勞動力需求大。而在本次比賽中構建的智慧大棚，基礎硬件一般包括種植槽、椰糠條、巖棉基質塊等，與普通的土壤不同，番茄種植基質理化性能穩定，不易分解、腐爛或變性，具有較好的保水性和透氣性，成本低、質量輕，還支持可控制調節，是精準種植的最佳搭檔。另外，由于日光溫室或者塑料大棚所使用的覆蓋設施都會大幅減少到達溫室內部的紫外線，影響蔬菜的生長發育，而智慧大棚則通過加熱系統和LED補光燈調控室內的溫度和紫外線，以此促進植株生長和果實生長發育。
硬件之外，技術核心是軟件：環境控制應用。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，甚至還可以遠程調節溫室內的水肥、光照、二氧化碳等生長環境要素，“人在家中坐，番茄棚里長”，實現無人種植，未來感十足。
技術賦能，科技農人的新圖譜
“番茄快長”團隊
由北京極星農業牽頭，中國農業大學、西北農林科技大學、荷蘭瓦赫寧根大學研究人員組成的“番茄快長”團隊，所采用的環控系統包含了溫度、濕度、光照，通風、幕布和二氧化碳等番茄生長過程中所需的全部環境參數。在灌溉方面，他們主要基于光照累積量進行調節：當光照量累積到一定數值時啟動一次灌溉組進行灌溉。但是同時他們也自行安裝了基質濕度和EC傳感器用于監測根系含水量，一旦發現基質含水量過低但是尚未觸發基于光照累積量的灌溉，便通過給水肥系統發出一次補充灌溉指令。
看似簡單的開窗通風，其實需要同時考慮眾多因素，包括時間、風向/風速、是否下雨、是否極端天氣等，還要考慮內外溫差、光照、濕度等對開窗速度、大小和方向的影響。“番茄快長”團隊通過開窗、風機循環、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。團隊甚至針對逆風面和順風面設置了不同的開窗策略，比如逆風面的開窗策略更加保守，以防大量冷空氣瞬間進入溫室造成溫度驟降、引發嚴重的植物生理反應。
另外，適當提高生長環境的相對濕度，可以顯著增加番茄葉面積，然而，濕度太高同樣會導致一系列問題，凝結水會傳播病毒病和細菌病，高濕度會觸發真菌性病害的孢子的萌發條件。因此，團隊針對不同濕度、不同溫度來實時觸發噴霧器或窗戶的開啟關閉，精確到每一度和白天晚上。而這一切，基本上都是遠程控制的。如此精準的生長控制，徹底告別了傳統農業“靠天吃飯”的窘境。
在光照不足的時候適當補充光照，可以顯著提升番茄產量。但考慮到補光燈的能耗較高，“番茄快長”團隊采用了雙層補光策略，作物模型根據二氧化碳、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”團隊在冬季的生產成本僅為15.3元/千克，而據行業經驗估計，同季節行業平均植串收小番茄每公斤生產成本在20元左右。
在病害防治方面“，番茄快長”團隊通過自行研發由多個機器學習模型所組合而成的病害管理系統，預測常見的感染真菌性病害的風險，準確率達89%。在孢子侵染作物階段，病害管理系統就可以將病害發生的風險預測出來，提前干預，如采取精準預防性噴灑藥物、改變環控措施等手段，最大限度地降低病害發生風險，可以有效減少農藥消耗，同時也保護了環境。最終，該團隊生產的番茄也沒有檢測出任何農藥殘留。
“智茄”團隊
由中國農業大學牽頭的“智茄”團隊創建了能與植物“對話”的“數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、蒸騰速率模型在內的番茄植株生長環境模型，引入環境與植株信息交互影響關系參數。當環境實時監測數據超出閾值范圍時，系統平臺會給操作人員發送短信提醒，形成閉環智能控制。
番茄需水量較大，不同生長時期和生長狀態灌溉策略也不同。“智茄”團隊通過機器視覺和傳感器技術實時識別櫻桃番茄的葉片、花朵和果實等生理信息，并對環境光照情況和溫濕度等進行實時監測，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，進而得出番茄的需水量，以此實現遠程調整水肥灌溉量和灌溉頻率。
病害防治上，“智茄”團隊利用機器視覺的識別方法來自動識別番茄病害，識別分析后的結果傳送給病害專家系統進行決策，如果確實為病害葉片，將發出報警信息并給出相應的專家解決方案。
“農圣大腦”團隊
來自江蘇大學、北京市農技推廣站、北京工商大學、韓國全州大學等科研機構和院校，具備多元化科研背景的“農圣大腦”團隊，通過選擇優質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生。在番茄生產過程中重點防治氣傳病害、基質傳病害和蟲害，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生，避免在花期用藥，以免傷花。在出現病蟲害時，采用黃色粘蟲板誘殺蚜蟲、粉虱，藍色粘蟲板誘殺薊馬，綠色無污染，而且成本較低。
“喜柿”團隊
為了在達到預期種植效果的基礎上最大化提高經濟運行效益，浙江大學青年學者組成的“喜柿”團隊在這個方面勇爭第一，制定了精確的資源消耗管理策略，通過構建精準的番茄需求模型，實現了按需供給，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先地位，在能耗控制中表現最佳。團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的吸附能力和較緩的解離能力，在促進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致的二次排放問題。他們還開發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，材料可再生重復使用，是推動低碳農業發展的新方向。
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