对于人类社会来说植物的栽培是个古老而永恒的话题,它经历了几千年的发展,经历了几千年人类智慧的涤荡,已从传统走向现代,从刀耕火种走向高科技农业的文明,其间无不体现了社会的进步与科学的发展.农业从自然农业走来,从土壤当中走来,从面朝黄土背朝天走来,但科学高速发展的今天,展示在人们面前的是截然的不同景象,与传统植物栽培已有了本质的升化,这里无需土壤,这里无需老农,这里是一座座工厂,一台台电脑,一个个容器------,栽培的是似树非树,似草非草的植物,这就是植物王的栽培,它是集成高科技的芯片技术,结合农业设施设备,融合生物技术的一种新型的农业栽培技术.----这就是植物王的智能化栽培项目.所谓植物王,并非在遗传上发生变化而发挥的巨大性,而是在遗传基因没有任何改变的前题下,如何利用环控技术,让植物表现生物量与产量的基因得到充分的表达,从而实现植物形体及产量的特大化高产化。

植物王的栽培最早是日本率先于番茄上栽培获取成功, 1985年日本学者在筑波举办的世界博览会上，首次展出了1株结出1．2万多个果的西红柿树，引起了世界的震惊，这株西红柿的培育者是日本兵库县地筱山的野尺重雄先生，他通过对水耕栽培长达23年的潜心研究，探索出了一套有效的水耕栽培方法，并应博览会主办单位的邀请进行了首株西红柿“树”的培育。这株西红柿树于1984年10月开始播种，1985年3月17日博览会开幕时树冠达到了5m见方，到9月16日闭幕时树冠已达到14m见方以上，单株累计结果12000多个。该项试验的成功第1次向人们展示了植物自身的巨大生理潜能，随后。日本协和株式会社采用水耕营养液栽培技术，成功培育出了1株番茄结出12800个果，1株黄瓜结出3300条瓜，一株网纹甜瓜结出90个果的世界单株高产记录。当时,人民日报上也对这些新闻进行了醒目的报道,但当时国人对这项技术只抱着可望而不可及的态度而观望,没有进行大胆尝试与探索,因当时我国农业基础设施薄弱,根本难以实现番茄王生长过程中精密的环境控制.更谈不上运用计算机手段来实现生长环境的优化控制.

与日本相比，我国在该领域的研究起步较晚，直至20世纪90年代初，北京蔬菜研究中心崔海信硕士，利用基质栽培番茄，实现单株结果500余个；清华大学郭志刚博士,于2000年到2001年搞的番茄无土栽培，达到单株结果2000个水平；2001年底中国农业大学黄之栋教授领导的课题组采用日本深液流浮板无土栽培技术成功培育出了单株13000多个果的西红柿树，这才开辟了我国植物王栽培的新纪元.

于是国人对番茄王的栽培及其他蔬菜瓜果的栽培纷纷尝试,相继在我国各地成功地栽培出各种蔬菜树.特别是中国农大黄之栋教授的深液流栽培的成功,充分证明了我国在该领域也已达国际水平 ,随着研究的深入,估计还会有更大的提高.植物王(番茄王)的栽培已不再神秘,不再令人望叹,它将以更快的速度进入普通百姓的视眼中,让更多的人能目睹植物之伟大潜能.植物王的栽培虽然在技术上通过科研工作者的努力已完全成熟,并走向市场,但它的栽培环节要求技术性高,投入性大,需要深懂生物技术与控制技术的人才能成功栽培,普通的百姓还是难以实现,而且它在栽培过程中需投入大量的资金来购置设施设备及各种仪器,影响在我国的普及与推广。

针对这些问题,如何利用智能化技术开发栽培植物王的农业专家系统,利用它来代替专家操作,开发环控计算机,利用它代替各种检测仪器与环控设施,使植物王的栽培简易化,流程化,令普通的市民也能进行栽培,将有深远的推广意义.也就是通过计算机智能化数字化自动化技术来实现植物王的全智能化栽培,让它的栽培能让更多的人来体会来操作.这对于植物王走向市场,走近市民意义重大.

2. 国内外研究现状和发展趋势

植物王的栽培属于植物遗传潜力开发领域,它是植物生理学与环控技术有机结合的一项高新技术,在日本有位叫野尺重雄的生命科学博士最先进行番茄王栽培的系统化研究,栽培出一株单挂果13000果的番茄王,并在他的带动下,推进了日本番茄王栽培的商业化.在各个观光园区及公共场所、旅游景点，学校园区等相继出现，展示了番茄王的无限风彩与巨大潜能，在日本它已成为学生教育的教材，旅游与观光的亮点，具有强大的市场前景。而我国对植物王的研究，有中国农大的黄之栋及中国农科院的杨其长博士，黄之栋运用深液流技术，在一个立方的水体中种出了结13000个果的番茄王，杨其长博士运用基质培种出了一株结果4500根的黄瓜树，其它科研人员的尝试也相继展开，如寿光，烟台等农业园区也栽培出了超出常规几十倍或数百倍的植物之王，如番茄树、黄瓜树、茄子树、彩椒树等。但杨其长与黄之栋在技术上最具代表性。他们都是研究环控技术与生物技术的专家，他们在结合国外技术基础上开发了适合我国当前国情的栽培技术与流程，为我国植物王栽培开启了一扇大门，具有历史性的意义。他们研究的成功证明了，在我国当前设施情况下，也能通过精心管理栽培出超大型超产量的植物之王。

而丽水农科所快繁中心也于2002年进行了这个领域的尝试与探索，但它们所走的路线是简易型设施的全智能栽培技术研究，也就是采用最简易的大棚与智能化系统进行深液流栽培，也一举成功，栽培出单株近8000个果的番茄王，与株高2米的驱蚊草王。经过近两年的研究，对植物王栽培环节的核心技术关键技术及环控手段生物调节有了充分的了解与获取了第一手资料，特别是在智能化专家系统的研究上已近日本的国际水平，运用这种模式栽培对于加快植物王栽培的产业化商业化无疑是条捷径。它能使不懂生物技术与环控技术的人也能进行栽培，因为一切繁缛的过程全由智能化控制计算机来轻松地完成。这对于植物王栽培进入普通市民的庭园及宾馆饭店装饰，公共场所的大型绿化，学校的生物教育，旅游区的景点布设等意义巨大。

一项高新技术的如何普及将比技术的本身更为重要，只有这样才能发挥与体现科技生产力所带来的价值与体现，否则束之高阁只令人望洋而兴叹，只有科研意义没有生产价值与商业效果。智能化栽培的成功展示了它广阔的商业前景。不久的将来你会在公园或庭园，于普通市民的手中亲身去体会自已栽培的植物王，如甜瓜王，西瓜王，彩椒王，茄子树等。它将由专家的专利成为市民的效益。另外，植物王栽培对于从事生物技术与农业科研领域的科研人员在科学理念上也造成强大的冲击与全新的认识，是人们认识植物，研究植物的一个全新领域，将会在我国掀起一股研究植物与环境关系的热潮，更是对传统农业的一次强劲冲击。它给人们展示了现代农业的神奇与伟大，让更多的人对农业产生更多的热情，让国人树立起信心与自尊，让青少年更热爱大自然更热爱科学。

另外植物王的智能化栽培在农业生产上意义巨大，特别是在没有土壤的情况下，如何进行植物的营养液栽培，实现单位面积产量的最大化，资源最小化，具有实际的运用意义。在城市化不断推进的情况下，运用该技术，可以在没有土壤的环境下进行植物栽培，可以生产比土壤产量更高，质量更好的瓜果蔬菜，又能美化城市环境，具有综合的生态经济效益。

该技术只需在有电有水有光的环境下就可栽培，大大拓展了植物栽培空间，可以在沙漠化地区，及孤岛及军事基地进行蔬菜瓜果的生产。总之植物王智能化栽培的研究推广运用将会带来具有很高价值的综合效益，即增加农民收入，又具科教意义，又具美化环境的生态意义。

3. 项目主要研究开发内容和技术关键

针对植物王生长生理及环境控制方面的需求，开发一套具有检测与控制各项生长因子的计算机系统是实现智能化栽培的技术关键，结合植物的生长发育特性，探究一套适于大型植株树型构建的科学而合理的树型，是发挥植物潜能的生物基础；开发一套适于各种植物的营养液配方及病虫害专家系统，是实现智能化简易栽培的重要环节。筛选一批具有强大潜传力的植物种类与品种是实现巨大型栽培的遗传基础，植物王智能化栽培的研究是项综合性多学科的技术，包括计算机技术，自动控制技术，植物营养生理病理学，及栽培整形生物调控技术等。以下是项目要完成的开发内容与要解决的技术关键

3.1. 生物技术方面

3.1.1. 研究出植物王庞大生物量形成与最佳光合环境及最佳根系环境的关系

植物王生物量的形成，是植物光合作用与矿质营养代谢充分发挥的表现，所以要创造最佳光合环境与最佳根系环境是栽培巨型植株的关键。光合作用在环境适宜的情况下，主要依靠合理的修剪，构架一个能合理利用光照的树型，让枝叶布局合理，不蔗光，不重叠，不偏冠，所研究植物的生长特性就极为重要，不同植物成枝力，萌芽率，及生长量与顶端优势全不同，所以要研究出适于不同植物栽培的树型。如番茄的棚架式与主干分层形，或灌木丛形等。另外还要研究不同植物所采取的营养生长与生殖生长间平衡的调控技术，能按栽培进度的需要或栽培目标的需要进行灵活的调控。如番茄王栽培的前三个月应以营养生长为主，以促进庞大树冠的形成，把这个阶段所开的花进行人工摘除，或适留果起到生长平衡调控的作用。对于促进分枝，要采取诸如摘心，抬高角度等方法，抑制生长可采用拉枝或扭枝等手段，也就是如番茄树的栽培在整形修剪上应沿袭传统果树整形修剪的手段与方法。

3.1.2. 研究出植物王的最适宜的外界环境与营液环境

研究出每种植物最适宜的外界环境与营液环境。最佳的光照强度、光照时间，不同时期对外界空气温度与湿度的要求，枝叶生长环境温差的变化，及根域营养液环境的EC溶氧变化，研究出最佳的液温变化模式，甚至结合辅助技术如二氧化碳气体及及电场处理对植物生长的促进作用与规律。这些生长因子的研究是实现植物王栽培的技术关键，它为智能化的专家系统提供最优的植物生长模式，再把这些模式以计算机程序的方式固化到智能芯片中，让植物生长于最佳的生长生理环境。

3.1.3. 研究不同植物所不同的最佳养液配方

研究不同阶段离子成分及酸碱度的科学调整。研究不同植物的病理与虫害规律，制定一个配套的防治方案，研究植物王栽培所特有的技术流程与工艺，为生产制定操作流程表，研究植物在优化环境下所特有的生理生化或形态发育的变化规律。

3.1.4. 研究各种不同栽培方式对生物量形成的影响

如水平放任栽培，深液流容器水培，砾质培，水气培等对植物生长发育潜力表达的规律。研究不同的设施条件对植物生长的影响，特别是简易设施或无设施下植物王栽培的一些实用技术措施与方案。研究不同水质下，如何进行营养液的科学配方，研究商业化栽培模式对植物生长生理的影响。

3.1.5. 研究植物器官早衰相关的生理因子与环境因子

如根系的老化，叶片寿命的延长，挂果的集中与树上保鲜技术等。特别是营养器官如根叶老化现象的如何防治，它是植物王栽培最重要的生理基础。

3.1.6. 研究植物王栽培最适季节及茬口品种的安排

制定一套全年植物王栽培的种类品种选择,便于它的商业化产业化发展.让市民也能轻松地地阳台屋顶等场所栽培各种各样的蔬菜树植物王.研究季节气候变化对于植物生长与结果的影响,以此来指导人们进行科学合理的茬口按排与品种选择.

3.2. 设施及环控技术

3.2.1. 研究适于植物王栽培的各种大棚设施

通过对照及试验，筛选出投资成本低且又有较好栽培效果的实用型大棚。研究植物王栽培相关因子调控的设备设施，如加温降温补光等的最佳模式，研究简易环境下各种环控手段对植物生长的影响，从而找到一种最佳的环控成本最低的方法。

围绕植物王生长模式，构建最有利于环境优化的环控手段。以下是实现优化环控的设施设备所要进行优化环控的因子,空气温度、空气湿度、光照强度与时间、二氧化碳浓度、营养液的温度、营养液的EC值、营养液的溶氧、营养液的液位等。

3.2.2. 研究各个因子对植物王生长影响的最佳参数及上下限

研究一天中环境参数变化的最佳阈值，研究植物生长模式中各因子参数变化对植物生长的影响，从而为植物创造最优化的环控系统。

3.2.3. 研究开发一套适于植物王栽培的控制系统与植物生长模式专家系统

最佳生长模式的建立是实现巨型化栽培的关键，可以传统植物生长模式为参照，经试验总结出各种不同植物的最佳模式。

开发用于智能化栽培的各种设备设施，如深液流栽培中营养液循环系统的建设方案，基质栽培中基质的选择及植床的建设，研究最佳的供液方式，有基质培的滴灌式，还有深液流栽培的动态液位供液法，及水气培的喷射雾化供液法。研究具有致冷与加温功能的液温控制器，研究植物王栽培过程中外环境温湿度综合调控的最佳微喷雾化系统。

3.2.4. 研究根域环境创造的容器或栽培池体积及营养液循环方式，增氧方式，EC调控方法。

以关键环控系统为核心，实现其他辅助因子与系统的最优化，在植物王的深液流培或基质培中，根域环境充足的供氧是关健，所以在系统开发研究上就是以围绕营养液中溶解氧，或根域环境富氧化技术为技术研究目标。

开发一套用于植物王生长相关因子自动化调控的计算机控制系统，一切因子如温光气热及溶氧EC等全由这套系统进行智能化的控制。

实现环控的相关设备及调控方法。在栽培中环控分两部分，

3.2.4.1. 根域环境的调控。

根域即根系生长的区域，首先选择栽培适宜大小的栽培容器或营养液池，它的大小影响到根量，影响到营养液的缓冲性，也影响到营养液各种因子的稳定性，一般植物王选择能容纳一个立方水体的大小为宜，当然是越大越好，考虑实用通常以一立方为标准。如池栽以建造成地下式为好，因为地下式液温更稳定，容器栽选择桶或水塔也行，便于移动。可独立栽培，也可建园成片栽培，如成片栽培，各栽培池或容器间可用管道连通，这样可使系统稳定性更好，控制成本更低。根域环境最重要的是营养液环境，它包括营养液温度，EC，溶氧。

液温的控制以水加温线来实现加温，以小型致冷器为降温。如温度低于适温值时，会自动进行加温，当液温升到适宜值时会停止关闭。当夏季或高温季节，液温上升超过适温限时，自动开启致冷器进行降温，一直工作到降低到适宜为止。

营养液EC值的调控，是由EC值传感器及母液桶清水桶与电磁阀门组成，当EC值传感器采集的EC参数低于设定值时，计算机就指令母液桶的电磁阀开启进行供母液，以提高到适宜值为止，由于水分的蒸发与营养的吸收，导致营养液过浓EC值上升时，计算机就指令开启清水电磁阀,进行加水稀释.

营养液中溶氧的控制有多种方法实现,当溶氧传感器检测到溶氧量低于设定临界值时,计算机就发出增氧指令,增氧的方法有开启供液水泵向栽培池中喷射营养雾,或同时进行爆气增氧,供液后导致水位的升高,当水位升至水位传感器标定值时停止,这种供液法让营养液以雾化方式供给植物的根系,氧气得到最大的吸收.营养液的供应采用动态液位供液法,也就是利用水位传感器进行上下标定水位阈值的循环控制,当缺氧时进行供液,一直供到水位上标值,然后进行排液,让根系暴露于空气中,这个过程根系能从空气中吸收大量的氧气.如此进液排液来实现营养供应与氧气的调控.

3.2.4.2. 树冠生长环境的调控

树冠生长环境是光合作用的最主要环境,包括光照、空气温度,湿度及二氧化碳浓度.光照的控制主要通过补光系统实现,当遇冬季日照变短,或连续阴雨天气时,计算机检测到光照不足时即发出指令开启植物生长灯进行补光.补光灯一般选择效率较高的红光光谱为主.当空气温度过高影响植物王生长时,计算机即发出降温指令,降温方法一般以微喷降温采用较多,因简单而投入少,有条件的地方也可结合风扇与湿帘除温.当检测到空气温度过低,低于设定下限值时,计算机即发出加温指令开启空气加热线或热风炉进行加温,直至适宜值时关闭.植物王栽培不同的阶段对空气湿度的要求也不同,当空气湿度不足,计算机会自动开启微喷系统进行空气加湿.二氧化碳也是植物王生长发育的重要因子,它的浓度越高,光合作用效率就越高,生长就越快,特别是在冬季密闭的大棚内栽培,常会导致二氧化碳缺乏,影响生长.它的控制,是通过二氧化碳传感器感应,当浓度低于设定值时,自动开启二氧化碳发生器,或液态气钢瓶的减压阀进行补气.

4. 项目预期目标（主要技术经济指标、应用或产业化前景）

植物王智能栽培项目是当前观光农业的首选项目也是公共场所绿化与学校科教的主要项目,通过该项目的研究,总结出一套适于大众化栽培的新技术新方法,提供一套投入最省,最经济的投资方案,让大多生产者或市民能接受,为它进入市民的阳台、屋顶、庭园成为可能。通过项目研究与实施，掌握了各种植物进行遗传潜能最大化发挥的各项技术措施与配套设施。

为观光农业园区的规划建设及经营方式提供借鉴性的参考，可以在城郊附近建立植物王观光园，展示出各种植物伟大的生理潜能，让市民及中小学生与游客受到一次自然科学的深刻教育，最重要的是启发青少年如何努力学习挖掘自身的潜能宝藏，成为对社会有用的现代化人才。

对于业主，可以通过开发植物王观光园，专营观光门票收入或结合餐饮，造就一个优美舒适的生态餐厅。也可于市区的公共场所进行植物王栽培，美化城市风景，创造景观之亮点，如果与商业结合可以于宾馆饭店门口栽培一株植物王，一般以番茄王或黄瓜王为好，可以招拦顾客，增加人流量，因为当前植物王具有新奇特之特点，能抓做市民的猎奇心理，大大增加客流量。对于别墅及居民的庭园，栽培一株植物王，象征生命的伟大，事业之发达，家族之兴旺，让环境之美达到极至。通过开发研究，推出一套组装方便，价位合理、使用简单灵巧的植物王系统，极易实施产业化发展，具有广阔的发展前景与市场空间。

通过项目实施，实现植物生长超常规生长的几十倍甚至上百倍的生物量，其中番茄王达8000-13000果，网纹甜瓜50-100个果，彩椒株高达3-5米，小黄瓜3000-5000根。通过植物王栽培的研究开发，可在更多的植物上进行运用，这对于植物研究领域开启了一条新的科学之门。

5. 项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解

5.1. 项目实施方案

分为单株独栽与建园成片群栽两种方式

单株独栽可建固定的营养液池，也可用各种容器代替，具体方案图示如下：

以下是番茄王群栽系统方案，把各植株的栽培池用连通管道联接，并且共用一个控制计算机。

5.2. 技术路线

分为基质滴灌栽培，与容器深液流水气栽培

（1）基质滴灌培就是为植物生长创造最佳的基质环境，包括基质的湿度、基质温度、基质EC值、基质的透气性等，基质培具有氧气充足，管理方便之特点，但植物根系的生长及对养分的吸收远比不上深液流的快。另外根系生长延伸于基质中会受到基质摩擦阻力的影响，不利于根的扩张生长，比不上水培的发达。但通过各种栽培因子的最优化控制也能栽培出超常规的植物王，但同一品种来说，它的生物量不及深液流水培的大。这种栽培方式，主要是技术要求不如深液流的严格，在生产与商业化过程中易操作易掌握的优点。

（2）深液流水气培就是原来深液流的改进与发展，在原来深液流大容器栽培的基础上，改善供液方式，以喷射的雾状液注入栽培池，可大大提高溶入营养液的氧气量。另外，栽培池中的营养液循环也利用水位传感器进行动态液位管理法，让根系有暴露至空气中吸氧的时间段。这是防止缺氧的最科学方法。大容器的深液流为植物根系生长提供了充足的矿质营养，为植物根系的扩张提供了延伸的大空间，使植物根系吸收营养与水分的速度几倍或几十倍地提高，从而促进了植物的快速生长，基因的充分表达，也延迟了根系及其他植物器官的衰老。

5.3. 组织方式

以国防科大及中国农科院、丽水农科所联合攻关的组织方式,组织一个强而有力的攻关团队，科研团队因学科不同分为，计算机控制系统硬件开发部（由国防科大计算机中心完成），控制软件及植物专家系统由国防科大的软件开发部完成，组织中国农科院及我所的农业专家进行植物生长模式的研究。由我中心的设施组完成基地建设及系统安装工作，由生物组完成植物王栽培过程中营养液配制及栽培过程各技术环节的管理，由电子商务新闻组完成产业化宣传与市场开发工作。其他所有人员全力配合以完成植物王智能化栽培项目。

5.4. 课题分解

生物技术组由中国农科院及我所的农业专家组成，完成植物王栽培过程中品种的选择、树型的修整、营养液的配制、病虫害的防治、相关栽培技术的实施，最佳植物生长模式的建立

计算机系统控制组由国防科技大学及我所设备设施组的技术人员与专家组成，主要完成环控计算机系统的开发，包括传感器及控制的硬件与软件系统，以及控制执行部分的完装与维护。

农业设施组，由基建工程组及设施设备组人员组成，完成基地建设及系统与设备的安装。

6. 计划进度安排

以番茄王为例计划项目进度，其他品种因特性不同而异

1月份：播种育苗，及基地建设、设备设施的安装调试

2月份：移栽定植，待播种苗长至5-6张真叶时即可移栽至深液流系统中进行水培

3-5月份：营养生长期的管理，该时期的管理包括整形修剪、摘花去蕾，摘心促长，拉枝调整树势，扭梢控枝、叶面追肥、激素调控等

5月份开始------：生殖生长期的管理，采取保花保果措施，实现整齐挂果，合理挂果，分批采果等技术措施。

7. 现有工作基础和条件

丽水农科所智能化快繁中心在农业环控技术及生物技术上已有了多年的研究基础与生产经验，在植物王研究上，如番茄王已进行了为期二年的栽培研究，但在控制上采用的是大型的控制计算机来实现环控，投入成本大，影响产业化的发展。

在这基础上再进行微控制系统的研究已有良好的基础。在番茄王的生物技术方面也积累了大量的数据与栽培经验。这个项目的开发主要是在以前研究基础上开发出一套实用而经济的植物王栽培系统，利于实现植物王栽培的产业化商业化发展。在计算机控制技术上已与国防科技大学计算机中心建立紧密的合作关系，在农业专家系统（植物生长模式）建立方面与中国农科院建立长期紧密的合作关系，本所在技术贮备上有计算机人才又有生物技术人才，共有科研人员100多人，高级农艺师20多人，高级工程师3人，具有强大的研发能力与技术平台。在设施条件上，有连栋温室20000平方米，简易大棚数百个，在硬件与软件设施上已具备该项目的条件，特别是在计算机控制的研发上，我们已开发成功了各种种样用于农业生产的传感器，控制系统，这为植物王栽培的环控开发打下了扎实的基础，如我们开发成功的植物非试管快繁计算机，水生诱变计算机，温室大棚控制计算机，智能灌溉计算机等皆已在生产上大面积的推广运用。

在植物王微控制系统的开发上所涉及的各种传感器及控制部分都有现成可利用借鉴的技术，在栽培上，经过前几年的小面积试验，已对植物王的栽培技术有了全面而系统的认识，为该项目的深入研发打下扎实基础。

8. 经费预算

投资金经费包括三部分：

8.1. 设施的投入

240平方米的简易大棚:5500元

栽培池,回液池,5000元

母液池,酸液池,碱液池,农药池,叶面追肥池:750元

营养液循环管道及电磁阀水泵:3000元

二氧化碳发生器或液态钢瓶:600元

微喷降温系统(管道与喷头):1000元

人工补光系统(植物生长灯):1500元

植物攀援支撑钢架:800元

营养液的致冷加热器:1000元

空气加热线:1000元

合计：20150元

8.2. 控制系统的投入

包括主机一台:8500元

分控器三个:16500元

传感器三套;1500元

合计：26500元

8.3. 栽培的投入

种子种苗费:300元

配制营养液的各种化学试剂:1500元

农药及叶面肥:300元

PH计:800元

农工工资:3000元

合计：5900元

总投资约52550元左右

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