都市农业景观与生态旅游(设施农业的新技术)

1、主 讲： 黄 俊2011年9月8日 农业与生物工程学院都市农业景观与生态旅游设施农业的新技术设施农业已成为我国农业的重要产业 我国农业设施面积350万公顷，占世界总面积的80，蔬菜产量的40%来自设施栽培，设施果树、设施花卉面积的增加为改善和提升城乡人民的生活水平发挥重要作用；设施农业科技和产业发展向世界展示我国农业现代化水平，并成为提升农产品国际市场竞争力的重要支撑。设施农业已成为我国农业的重要产业设施蔬菜面积达250万公顷，比1980年增长50倍，设施蔬菜人均占有量达80千克，比1980年增长约400倍。栽培面积、产量和产值仅次于粮食作物，在种植业中占第二位，经济作物中的第一位，占农产品出

2、口贸易顺差的第一位。 种苗产业设施果树生产花卉产业与旅游观光农业建立了一批基地 南汇种苗基地金山蔬菜基地鲜花港红掌基地The three main technology 全球定位系统地理信息系统遥感The three advantages Under controlled conditionsFacilities and equipmentsHigher productivitiesNetwork serverOAserverGPRS/CDMANetworkData serverInformation acquisitionClimate information recording in gr

3、eenhouseSensors for biological information collection based intranetBio-informationEnvironmentInformationControl SystemEnvironment SensorBio-sensorWireless NetworkIntranetAutomatic controlSound BoxCameraSensorsVentilation通风HeatingIrrigationControl ComputerVideo ServerGreenhouse Smart Acquisition Dat

4、asets of tomato greenhouse cultivation management systemYield 40Kg/m2 Datasets of sweet pepper greenhouse cultivation management system16th Month After Transplant28th Months After TransplantTransplant opening2nd Month After Transplant6th Month After TransplantRoot-zone restriction cultivationFertili

5、zation and soil managementPre-treatmentInterpolationQualityNutritionWaterElementsDecision-makingAnalysisExpert KnowledgeFertilization Model基于GPS/GPRS/GSM的远程监控RMC 生理障害由于设施栽培中，常常因为环境条件控制不当、营养供给的比例失调、连作障碍等原因的影响，使设施植物的正常代谢受到破坏，轻者减产，重者全株死亡，这种非病菌侵染引起的病害叫植物生理障害 。植物生理障害电子检测防御机制植物体内会诱导产生各种病程相关蛋白(patho-genesi

6、s related, PR蛋白)，释放各种活性氧，生成蛋白酶抑制剂。植物生体信息防卫反应 植物体内本身含有的一些物质： 皂甙（saponin）、硫苷（glucosinolate）、生氰糖苷（cyanogenic glycoside）会产生抗病反应。水杨酸（salicylic acid, SA）、乙烯（ethylene）和茉莉酸（jasmonic acid）等信号物质。 ROS （Reactive oxygen specices） 植物在生长过程中不断产生活性氧，尤其是处于逆境胁迫下。MDA（Malondialdehyde） 膜脂过氧化反应是植物受逆境胁迫的一种反应，细胞膜质过氧化的程度用丙二醛

7、含量表明作物受逆境胁迫程度。抗氧化物质：类胡萝卜素、谷胱甘肽、抗坏血酸。抗氧化酶：超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化酶（APX）等都能有效地清除活性氧。作用过程：其中SOD催化植物体内的O2-. 通过歧化反应生成O2和H2O2，再由POD、CAT、APX等分解清除H2O2。 弱光下植物叶片具有阴生叶片的特征，有较低的叶绿素a/b值，增加叶绿素的相对含量，增加捕光色素复合体中天线色素的比例，有利于叶片更有效地捕获有限的光能。叶绿素a/b的降低有利于吸收环境中的红光，维持光系统、光系统之间的能量平衡，是植物对弱光环境的生态适应。例1：弱光环境下生长

8、的植物叶黄素循环的三组分：紫黄质(violaxanthin，V)、花药黄质(antheraxanthin，A)和玉米黄质(Zeaxanthir，Z) VAZ光氧化现象：活性氧分子会导致膜脂过氧化，叶绿素大量损失，产生光氧化现象。例2：强光环境下生长的植物光氧化现象处理6天后不同光氧化级别的症状植物对低氧胁迫的适应避低氧耐低氧通气组织不定根木质化与栓质化茎延伸生长皮孔增生根表面龟裂电子受体的改变NO3-Mn4+Fe3+减缓细胞质酸化 Glu Mal H+-ATPase ；H+-PPase 抗氧化机制酶系统抗氧化剂分泌有毒代谢产物：乳酸、乙醇、乙醛 厌氧蛋白和厌氧多肽的产生无氧呼吸加剧次生代谢物质

9、的平衡激素 多胺等例3：根际低氧下生长的植物直观的方法：症状诊断、显微检测、接种检测等症状诊断与病原检测的方法较为迟缓，当症状和病原物产生时，往往障害已经较为严重，进行治疗时已晚。 化学分析方法：叶片分析法（营养诊断）、免疫分析方法、DNA检测技术（病原诊断）。专家系统：计算机技术为主。生理障害的诊断方法与电子诊断番茄低温、缺钙果实番茄缺镁叶片45 施用稻草过多 造成黄瓜缺氧施用稻草过多造成黄瓜缺氮缺氧的黄瓜叶片和果实黄瓜受二氧化硫为害叶（浅黄色的为霜霉病斑）冬瓜受二氧化硫为害叶片茄子缺锰中上叶叶脉间有黄斑和褐点茄子受亚硝酸气体为害芹菜缺镁叶脉间失绿生理电位传感器：生理障害时，植物电信号都会发

10、生变化，微弱的电位变化，生理电位传感器检测出来。植物体内电阻的变化与植物体的含水量和生理活动有关，利用植物电阻传感器可以研究植物体内的水分运输、水分传导信息的传递。便携式光合作用测定仪：可以获得植物的在一定的光合有效辐射、温度和二氧化碳浓度下，植物的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度等生理指标的变化。通过这些可以了解植物的生理活动是否正常，从而判断植物的生长情况。无损伤的检测手段叶面积测量系列产品 LI-3100/1+.1 台式叶面积仪六、可以考虑开发应用的仪器传统方法：生长指数PI值的测定（Plastochron Index）PI=n+(lnLn-lnR)/(lnLn-lnLn+1)。参比叶长R

11、=70mm，n为叶片长度长于参比叶长的叶片数，Ln和Ln+l分别为第n及n+1片叶的长度。叶面积测量系列产品 LI-3000A便携式叶面积仪叶面积测量系列产品 LAI-2000 冠层分析仪叶面积指数（LAI）冠层下可见天空比例(DIFN）平均倾斜角（MTA）传统方法：比叶重（LMA ）单位面积叶干重气体交换系列产品 LI-6400光合作用测量系统How can we measure concentrations of CO2 assimilation water transpiration rate?With (portable) infrared gas analysers (IRGAs)气

12、体交换系列产品 LI-1600 稳态气孔计Gene Company LimitedAgricultural & Environmental Division气体交换系列产品 LI-6262 CO2 /H2O分析仪最畅销的荧光仪PAM-2000/PAM-2100野外光合作用生态生理学胁迫生理学环境污染物对植物的影响污染监测辐射（光线）测量系列产品 光量子感应器辐射（光线）测量系列产品 光照计Gene Company LimitedAgricultural & Environmental Division辐射（光线）测量系列产品 数据采集器Flow4 TM包裹式经济型茎流计 基于植物蒸腾作用的植物

13、灌溉水分平衡测量系统。 测量植物水分消耗，把它和降雨量、土壤水分及灌溉供水相比较，可以决定灌溉方案。内置数据采集器可以收集茎流速率、降雨量和灌溉历史数据，和电脑连接方便、精确管理植物灌溉。高效灌溉和水分平衡测量监测作物灌溉区水利用情况测量指标: 植物蒸腾作用、降雨量和土壤水分FLOW4自动控制灌溉阀门。通过探测测径器的桥状张力探头的信号变化，可以实时测量植物的日生长和长期生长。生长计已经应用在测试水分胁迫、高臭氧和其他大气污染下的植物生长，还应用在植物生长速率、和采收果实等研究上。DEX果实树木生长测量仪 2004年4月，正式注册成立。主要围绕LI-6400光合作用测量系统、LI-8100土壤

14、碳通量测量系统等LI-COR公司产品展开，植物、土壤、环境、气象站、水质、水量等较为齐全的生态环境产品体系。http:/index.aspx北京力高泰科技有限公司ECH2O土壤含水量监测系统ECH2O土壤含水量监测系统 土壤含水量参数可以用来研究灌溉时间、灌溉量、水渗入的深度、根系吸收水的方式及土壤水分运动与时间的关系等。土壤水分决定了溶解的营养物质或污染物的运输与储存以及植物的水分利用率。 工作原理 ECH2O 传感器通过测量土壤的电介质常数，从而计算出土壤体积含水量。它是此类传感器中唯一对土壤盐度和温度效应相对较低的一种，而且耗电极少。新推出的ECH2O TE传感器还能同时测量温度和电导率

15、（EC）。主要特点 高分辨率，可以每天或每小时跟踪研究水分利用 与水分含量相应比例的电压输出 适宜于多点多层测量 对盐分和温度低敏感性 耗电省，易于整合 设计坚固，可以长期埋设在样地中Drain Gauge 土壤入渗仪 可以监测经过土壤向地下水中渗漏的水和化学物质 可长期安装于地下进行监测，寿命最少为10年。安装此设备时可以使用钻探设备，挖掘机等。 在农业、草场和废水监测研究中，若对水质感兴趣，该仪器的收集系统能够快速抽取渗漏废水以进行化验 主要应用 水分平衡研究种植期间测量并控制灌溉测量并控制过多水分和养分流失改进垃圾填埋场的掩埋系统KD2土壤热特性分析仪 小巧、便携的土壤热特性测量仪器，可

16、以直接测量土壤热传导和热阻，测量时间90秒。KD2重量很轻而且坚固，适合在多个样地穿梭测量。由于针形较小，插入土壤时不会压紧样品；加热时间短，避免了因探针加热导致周围材料变干。 应用领域 能量平衡中的土壤热通量研究 埋藏电缆的热耗散研究 地热设计 火灾土地的土壤热流量研究 有关物质水分和密度的热特性研究 种子萌发的影响因素是一家致力于引进欧美高科技产品并提供系统解决方案的高科技公司。公司由陆地环境部、水环境部和工业仪器部组成。陆地环境部主要提供植物、土壤、气象和环境领域需要的仪器，并提供气象监测、节水灌溉、生态监测站等项目的系统解决方案；水环境部主要提供海洋和淡水研究中需要的仪器，并提供近岸、

17、水上（浮标型）和移动型（水下机器人）监测/预警系统的系统解决方案；工业仪器部主要提供部分工业工程领域需要的高端设备。 sales (总部） 上海市 中江路879号 天地软件园 28幢402-403座（邮编:200333）电话115/116/117/118传真泉科技有限公司MPKit160土壤水分速测仪 能够在田间快速取样测定土壤体积含水量（VSW%）。钻50毫米孔的打孔钻以便插入MP406。MP406被插入到所需的测量深度并用MPM160表读出土壤容积含水量（VSW%）。 TDR300土壤水分速测仪用于精确测量田地中的土壤镕基含水量，为估

18、计田地是否缺水并何时灌溉。精确测量土壤的容积含水量0-100% ，水分探头长度有12cm或20cm两种可选。LCD液晶显示两种模式: 1）vwc% 土壤容积含水量2) 相对土壤含量 (灌溉管理)茎杆水势计 1、原位植物水势测量。2、茎杆直径5mm的植物水势测量。3、森林生态研究4、干旱或贫瘠植物生态研究。 SPAD-502 叶绿素仪可以即时测量植物的叶绿素相对含量或绿色程度，从而可以了解植物真实的硝基需求量并且帮助您了解土壤硝基的缺乏程度或是否过多地施加了氮肥。您可以通过这种仪器来增加N的利用率并可保护环境（防止施加过多的氮肥而使环境特别是水源受到污染）。 WinRHIZO根系分析系统 可以分

19、析根系长度、直径、面积、体积、根尖记数等，功能强大，操作简单，广泛运用于根系形态和构造研究。 WinRHIZO利用高质量图形扫描系统提供高分辨率的彩色图像或黑白图像，采用非统计学方法测量计算出交叉重叠部分根系长度等参量。GP1灌溉控制仪/数据采集器GP1为英国Delta-T公司开发灌溉控制/数据采集器。GP1特点在于它不仅可以作为数据采集器工作，而且可以作为智能灌溉控制器使用。GP1的2个模拟通道，能够连接多种02.5V标准输出的传感器，输出通道能够控制灌溉阀门开关。随机软件能够将数据转入MS-EXCEL表格中进行处理。此外，还提供PDA连接软件，方便在野外直接操作GP1 净光合速率（Pn）气

20、孔导度（Gs）蒸腾速率（Tr）细胞间隙CO2浓度（Ci）大气CO2浓度（Ca）光量子通量密度（PFD）叶温（TL）相对空气湿度（RH）1、可测试参数LI-6400光合作用测量系统植物叶片光合作用光响应曲线植物叶片光饱和点、植物叶片光补偿点植物叶片光合作用CO2响应曲线植物叶片CO2饱和点、植物叶片CO2补偿点植物光合作用的日变化，包括Pn、Gs、Tr和Ci光合作用相关环境因子的日变化，如PFD、TL、Ca和RH光呼吸速率：2O2、340mol.mol-1 CO2低氧气体下的CO2浓度变化。暗呼吸速率：无光照条件下的CO2浓度变化植物光合作用的日变化，包括Pn、Gs、Tr和Ci光合作用相关环境因

21、子的日变化，如PFD、TL、Ca和RH光呼吸速率：2O2、340mol.mol-1 CO2低氧气体下的CO2浓度变化。暗呼吸速率：无光照条件下的CO2浓度变化 2、可测试光合作用指标光量子通量密度、CO2浓度的日变化CO2浓度 CO2 concentration10:0016:00：CO2稳定在370ll-1左右 12:00左右PFD达到最高 1700molm-2s-1左右 气温、相对湿度的日变化13:00气温高点出现38.2 14:00相对湿度低点24.3 %图2-5不同品种的日变化呈双峰曲线型，有明显的“午休”现象叶绿素荧光： 植物吸收的一小部分光重新以光的形式发射出来PAM2000叶绿素

22、荧光测量系统 叶绿体吸收光后，激发了捕光色素蛋白复合体（LHC），LHC将其能量传递到光系统2或光系统1。其间所吸收的光能有所损失，大约3%-9%的所吸收的光能被重新发射出来，其波长较长,也即叶绿素荧光 .正面背面超便携式调制叶绿素荧光仪MINI-PAM 叶绿素荧光术语术 语 意 义 Fo 初始荧光，也称基础荧光，是在暗适应状态下当PS II的所有反应中心处于完全开放状态（qP=1）并且所有的非光化学过程处于最小时(qN=0)的荧光产量 Fm 最大荧光，是在暗适应状态下当PS II的所有反应中心处于完全关闭状态(qP=0)并且所有的非光化学过程处于最小时(qN=0)的荧光产量 Fv 暗适应状态

23、下当所有的非光化学过程处于最小时的最大可变荧光，Fv=Fm-Fo Fp 暗适应状态下打开光化光后的最大荧光产量（Kautsky曲线中的P点) Fm 在光适应状态下当PS II的所有反应中心处于关闭态（qP=0）并且所有的非光化学过程处于最优态时（qN0）的荧光产量 Fo 在光适应状态下当PS II的所有反应中心处于开放态（qP=1）并且所有的非光化学过程处于最优态时（qN0）的荧光产量。 Fv 任意光适应状态下的最大可变荧光，Fv=Fm-Fo Fs 稳态荧光产量，当外界条件保持恒定时，照射光化光后达稳定值时的荧光产量（qP0，qN0） Fv/Fm: PS II的最大光化学量子产量 (Maxim

24、um quantum yield of PS II photochemistry)，又叫原初光化学的最大产量，PS II光化学反应的潜在产量，PS II潜在最大量子产量等 。反映了当所有的PS II反应中心均处于开放态时的量子产量 。 Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm ; 0Fv/Fm1 高等植物 0.8320.004 ; 藻类稍低叶绿素荧光参数当植物或藻类受到胁迫（Stress）时，Fv/Fm显著下降!Fv/Fm, qP, qN, NPQ, Fv/Fm, PS II, ETR等 F0F0FVFVF0：暗适应叶片的最小荧光；FM：暗适应叶片的最大荧光；FM：照光下的最大荧光；F0：照光下的最小

25、荧光；FV：最大可变荧光；FV：照光下最大可变荧光；F(t)：照光过程中的荧光；调制式荧光测量计测量荧光过程及部分测量参数意义热胁对Calvin循环的影响可以通过荧光淬灭反映出来光响应曲线可常年监测的荧光仪Monitoring-PAM6个探头啊，那我不是可以更精确的控制实验条件来作平行？长时间连续检测样品光合作用不影响样品正常生长同一主机同时控制多达6个探头植物生态学、花卉培养、微藻生物技术等New！会“照相”的荧光仪Imaging-PAM照相？小case，我还能拍电影呢，不信，请看整体叶片光合作用分析（荧光成像）多个样品（叶片、微藻）同时测定突变柱筛选遗传育种、分子生物学监控New！Pene

26、tration of DCMU into leaf via petiole传感器数据采集信号调理电路通用计算机构成的虚拟仪器电子检测系统构成 数据采集信号调理电路：蓝牙技术，实现无线网络化传感器数据采集，传感器可与Internet进行无线连接，从而解决了温室中大量布线的难题，并且能大大提高管理工作的效率，扩展管理工作的范围。1、数据采集信号调理电路“蓝牙”（Bluetooth）原是一位在10世纪统一丹麦的国王，他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一起来。用他的名字来命名这种新的技术标准，含有将四分五裂的局面统一起来的意思。 蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般是10m之内）的无线电技术。能在包括移动电话

27、、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。蓝牙的标准是IEEE802.15，工作在2.4GHz 频带，带宽为1Mb/s。数据采集信号调理电路-什么是蓝牙技术？蓝牙技术将是网络中各种外围设备接口的统一桥梁，它消除了设备之间的连线，取而代之以无线连接。 蓝牙是一种短距的无线通讯技术，电子装置彼此可以透过蓝牙而连接起来，省去了传统的电线。透过芯片上的无线接收器，配有蓝牙技术的电子产品能够在十公尺的距离内彼此相通，传输速度可以达到每秒钟1兆字节。以往红外线接口的传输技术需要电子装置在视线之内的距离，而现在有了蓝牙技术，这样的麻烦也可以免除了。数据采集信号调理电路-什么是蓝

28、牙技术？以单片机为核心的温室环境信息采集器,以PC机，采用RS485总线连接各采集器构成分布式信息采集系统,实现了对空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、CO2浓度、叶面湿度、营养液液位、EC值、PH值等温室环境信息的实时数据采集和数据存储、处理下位机具有中文人机界面，USB主机接口等特点.。 2、通用计算机构成的虚拟仪器作物生长模拟：是指以系统分析的原理和计算机模拟的技术来定量描述作物生长、发育、产量形成的过程及其对环境的反应，是通过对作物生长发育和产量形成的实验数据加以理论概括和数学抽象，建立作物生长发育动态及其与环境因素间关系的动态模型，然后在计算机上模拟给定环境条件下作物整个生育期的

29、生长情况。作物模拟模型：是指应用系统分析和计算机技术，综合作物生理、生态、农业气象、土壤和农学等方面的最新研究成果，将作物与其生态因子作为一个整体进行动态的定量分析和生长模拟研究。 3、作物模拟模型的定义和特征 又称静态模型、工程应用模型、回归模型、黑箱模型等。它是基于现有的理论知识，利用统计或经验方法通过对大量的数据资料进行分析，从而确定得到研究因子之间的相互关系，这类模型的主要缺陷是，通用普适性差，只有在特定的时空和品种条件下有效。 描述性模型(Descriptive models)解释性模型(Explanatory models) 又称动态模型、科学理论模型、机理模型等。该类模型根据动力

30、学原理描述环境因子、栽培管理与作物生长、发育和产量形成过程的定量关系。建立这种模型的前提是必须对作物的生理机制及其与环境因子、栽培管理等相互间的关系有清楚的认识和了解，并通过数学方程式对其进行准确合理的定量化表达 （1）Logistic 生长方程dw/dt = R*(m - w)*w式中dw/dt 表示作物特定时间内的生长速度；w表示作物当时的测定速度,m是作物最终可能达到的量，R为参数。（2）Gom pertz生长方程 dw/dt = D*w*ln (wf /w) 式中dw/dt表示作物生长函数, w指作物当时生长机体的干重，wf是最终要达到的干重，D为参数。（3）Richards 生长方程

31、dw/dt = K*w *(wfn wn)/n*wnf （4）Chanter生长方程dw/dt = u*w*(1-w/B)*e-Dt 例:作物生长模型专家系统（Expert System,ES）是一种计算机系统，它是根据存储在计算机中的专家知识和经验以及用户提供的信息、数据和事实，模仿专家的思维方式进行推理和判断，对用户所提出的问题给予专家水平的解答。专家系统也可叫智能系统，是基于知识的程序设计方法建立起来的计算机系统。专家系统？（1）启发式专家系统（heuristic expert system）：是指以领域专家的经验性知识为基础按照传统方式建立起来的专家系统。庄巧生、李竟雄教授，采用了专家

32、知识与性状值结合的知识表示方法进行研制开发的玉米新品种选育专家系统。专家系统的分类 （2）实时控制专家系统（real-time expert controls）：它通过传感装置检测外部环境的有关信息，然后运用专家的经验知识进行处理，控制有关的设备完成相应的工作，多用于温室等的自动调节与控制。例如美国的MISTING系统，它把温室内的喷雾定时操作设计为植株年龄、温度、湿度及光照的函数，根据种植者的经验生成一系列调整因子的关系表，达到动态调节温室内喷雾时间和频率的目的。专家系统的分类（3）基于模型的专家系统（Model-based Expert System）:是指将专家建立的各种作物生长模型与领

33、域内专家知识结合起来，实现定性分析与定量分析的结合，知识处理与数据处理的结合；同时利用专家系统为模型提供参数、解释模型的结果，从而更好地推广应用已经验证的模型。专家系统的分类（4）专家数据库（Expert databases）:是指将专家系统技术应用到数据库管理中的系统，通过专家系统和数据库的结合，实现对数据库信息的快捷存取。 例如已经建成的奶牛牛群营养分析专家系统（DHLES），它通过从中心数据库中提取有关信息绘制产乳曲线、乳脂率曲线及乳蛋白曲线，然后与生产牛群的相应曲线进行比较，其结果用知识库中的规则和事实进行解释，并以文本或图形方式显示给用户，效果较好。 专家系统的分类（5）问题专用外壳(problem specific shells)：指用于构建农业专家系统的开发工具（或平台）。 例如中科院合肥智能所的施肥专家系统开发工具(KA)是一个框架式系统，对施肥问题具有较好的问题求解效率和使用效率。 专家系统的分类专家系统的基本组成 知识库：是指按照一定的知识表示方法描述的专家知识的集合。它是专家能够以自己熟悉的方式进行问题求解思维过程的描述。推理机：是事实驱动非过程性的问题求解过程的实现。黑箱系统：主要用于存放每次问