張明麗++呂偉德++饒君鳳++陳國汀++邊天煜

摘要 介紹基于物聯(lián)網(wǎng)的鐵皮石斛仿野生高品質(zhì)栽培關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，即通過對鐵皮石斛田間生態(tài)指標(biāo)和多糖的測定，篩選出高品質(zhì)鐵皮石斛品種；通過種苗選擇、基質(zhì)配制及附生種植等技術(shù)對鐵皮石斛進(jìn)行仿野生種植；利用智能化物聯(lián)網(wǎng)栽培管理系統(tǒng)對鐵皮石斛的生長環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)控，達(dá)到智能化栽培管理的目的。

關(guān)鍵詞 鐵皮石斛；多糖；仿野生；物聯(lián)網(wǎng)；栽培技術(shù)

中圖分類號 S567.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號 1007-5739（2016）19-0089-03

鐵皮石斛（Dendrobium candidum Wall.ex Lind L.）為蘭科石斛屬多年生附生草本植物，是我國特有的一種植物，其野生生長條件非?？量蹋饕植加谖髂虾徒细魇『０?00～2 500 m的山谷半陰濕林中的樹干或巖石上。作為一種名貴藥材，鐵皮石斛具有滋陰補(bǔ)腎、健脾養(yǎng)胃、潤肺生津等功效，可用于治療慢性萎縮性胃炎、糖尿病、高血壓等疾病，具有抗腫瘤、抗衰老等作用[1]。鐵皮石斛的種子非常小而且沒有胚乳，因此在自然條件下用實(shí)生苗進(jìn)行栽培存在困難；而用傳統(tǒng)的分株、扦插等方式進(jìn)行繁殖也存在繁殖率極低的問題；加上人為過度采挖和破壞生境，鐵皮石斛野生資源已面臨日益枯竭的危險(xiǎn)。因此，高品質(zhì)的鐵皮石斛供不應(yīng)求。

鑒于人們對高品質(zhì)鐵皮石斛的迫切需求，相關(guān)學(xué)者研究出一種仿野生種植鐵皮石斛的栽培模式。該模式以人工干預(yù)少、自然化、集約化生產(chǎn)為目的，利用林間環(huán)境資源優(yōu)勢，以自然生長的樹木為載體進(jìn)行生產(chǎn)[2]。筆者以木榧為附主植物，對高含量石斛多糖成分的鐵皮石斛品種，進(jìn)行仿野生栽培，形成全程規(guī)范化的種植關(guān)鍵技術(shù)，為今后的藥用石斛資源的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 高品質(zhì)鐵皮石斛品種篩選

鐵皮石斛資源受到野生資源的種類、親緣關(guān)系、分類地位、蘊(yùn)藏量及生態(tài)地理環(huán)境等影響。由于鐵皮石斛自花基本不育，因此雖然一直致力于將人工雜交技術(shù)運(yùn)用在其繁殖上，但是收獲甚微，自然結(jié)實(shí)依然主要借助昆蟲這一媒介進(jìn)行傳播授粉，導(dǎo)致結(jié)實(shí)率很低的現(xiàn)狀無法突破，也使鐵皮石斛資源瀕臨滅絕。另外，昆蟲傳播授粉還存在一個(gè)弊端，即無法控制父本而導(dǎo)致目前栽培的鐵皮石斛品系比較復(fù)雜，存在品種內(nèi)一致性差、世代之間遺傳穩(wěn)定性差等問題。因此，鐵皮石斛種質(zhì)資源的引種篩選意義重大。

1.1 田間生態(tài)指標(biāo)觀測

通過對鐵皮石斛的種質(zhì)資源調(diào)查和市場分析，初步選定用于種植的鐵皮石斛品種。種植場地要求周圍無污染源，配備遮陽網(wǎng)、噴霧系統(tǒng)及通風(fēng)設(shè)備。分別記錄不同品種的各項(xiàng)生長指標(biāo)，包括葉色、形態(tài)、葉長、葉寬、莖桿長度和莖桿粗度等。通過對各個(gè)品種的葉面積、葉長寬比、莖長、莖粗指標(biāo)的對比，初步篩選出生長性狀優(yōu)良的品種。

1.2 有機(jī)物質(zhì)含量的測定

鐵皮石斛的品質(zhì)取決于有效成分的種類及含量，主要是多糖類、氨基酸及微量元素。不同鐵皮石斛種類差異十分顯著。把經(jīng)過田間生態(tài)指標(biāo)篩選出的優(yōu)良品種進(jìn)行有機(jī)物質(zhì)含量的測定，以進(jìn)行進(jìn)一步的篩選。

1.2.1 多糖。判斷鐵皮石斛質(zhì)量的好壞，一般常用多糖含量的高低來衡量。這是因?yàn)槎嗵穷惓煞质氰F皮石斛中具有抗腫瘤作用和免疫增強(qiáng)作用的活性成分。鐵皮石斛生理活性的強(qiáng)弱與其多糖含量密切相關(guān)。多糖含量越高，質(zhì)越重，嚼之越有黏性，質(zhì)量更優(yōu)[3]。

采用GB/T5009.8-2008國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法，用酸水解法測定鐵皮石斛中多糖含量。稱取20 g粉碎后的試樣，置250 mL容量瓶中，加入200 mL水，在45 ℃水浴中加熱1 h，冷卻沉淀。吸取200 mL上清液加入5 mL乙酸鋅溶液及5 mL亞鐵氰化鉀溶液，靜置30 min，用干燥濾紙過濾，取濾液加入鹽酸，水浴加熱冷卻后，加入2滴甲基紅指示液，用氫氧化鈉溶液中和至中性。然后用堿性酒石酸銅溶液滴定測試。

1.2.2 氨基酸。氨基酸是人類必需的重要營養(yǎng)成分，鐵皮石斛含有16 種氨基酸，分別為谷氨酸、天門冬氨酸、甘氨酸、纈氨酸、亮氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、丙氨酸、胱氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、賴氨酸、組氨酸、精氨酸、脯氨酸、酪氨酸等，其中谷氨酸、天門冬氨酸、甘氨酸、纈氨酸和亮氨酸等主要氨基酸的含量非常接近，總和占總氨基酸含量的53%。人體必需的氨基酸中除了色氨酸其他均含有，某些氨基酸還具有生物活性和療效。鐵皮石斛性味甘淡微咸的特點(diǎn)，正是由氨基酸的組成特性導(dǎo)致的。采用GB/T5009.124-2003國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法，用氨基酸自動(dòng)分析儀測定鐵皮石斛中氨基酸的含量。

1.2.3 微量元素的測定。鐵皮石斛含有銅、鋅、鐵、錳、鈣、鎂、鉀等7種主要微量元素。分別采用GB/T5009.90-2003、GB/T5009.91-2003、GB/T5009.92-2003、GB/T5009.13-2003和GB/T5009.14-2003國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法，分析測定鐵皮石斛中各種微量元素的含量。采用原子吸收分光譜儀，其中鉀采用火焰光度計(jì)測定。

2 仿野生鐵皮石斛的種植技術(shù)

2.1 種苗選擇

把經(jīng)過田間指標(biāo)和有機(jī)物質(zhì)檢測篩選出的高品質(zhì)鐵皮石斛品種，進(jìn)行組織培養(yǎng)。用于栽培種植的即是組培馴化苗。馴化苗移栽的成活率是組培苗移到大田栽培的過程成功與否最為關(guān)鍵的指標(biāo)。一般移栽出瓶的標(biāo)準(zhǔn)是苗根系長到2 cm左右，移栽前先將瓶口敞開進(jìn)行煉苗，按照循序漸進(jìn)的原則慢慢加大敞開程度，置于室溫下讓其適應(yīng)自然的溫濕度條件，一般煉苗時(shí)間為4～6 d。待苗適應(yīng)自然條件后，用鑷子取出帶有培養(yǎng)基的幼苗，為了防止瓊脂發(fā)霉引起爛根，要將幼苗置于清水中進(jìn)行清洗。同時(shí)，為了方便栽培管理，提高成活率，洗苗時(shí)順帶對苗進(jìn)行分級，一般分級標(biāo)準(zhǔn)參照幼苗的大小和健壯程度。清洗干凈的幼苗在莖葉保濕的情況下，為了便于根系的脫水，最好先陰晾3～4 d。因?yàn)榍逑锤蓛舻挠酌绺坑捎诤枯^高而表現(xiàn)很脆弱，容易受傷感染病菌。陰晾后將苗移栽到疏松基質(zhì)中，放置在陰涼通風(fēng)處進(jìn)行保濕培養(yǎng)。

鐵皮石斛具有較強(qiáng)的群體生長效應(yīng)，為了防止植株生長嚴(yán)重惡化[3]，切忌將株叢拆分成單株栽植，最好采用叢植的種植方式。栽植時(shí)，要求選取規(guī)格為每叢3株以上，主莖長5 cm以上，4～6節(jié)，4～6片葉子，根系發(fā)達(dá)，植株莖段健壯的苗木。在種植的初期，為了保證成活率，要求溫室的室溫控制在15 ℃以上。種植后7 d左右，如果觀察植株發(fā)現(xiàn)葉片和莖的顏色都發(fā)生了變化，則表明種苗基本成活。

2.2 基質(zhì)配制

鐵皮石斛喜微酸性或中性的基質(zhì)，因此在栽培基質(zhì)選擇上，可以考慮松鱗、粗河沙、泥炭土和碎石子等材質(zhì)，按照不同種類和比例混合均勻即可。例如選用松鱗、泥炭、碎石子等材質(zhì)，按照6∶2∶2的比例進(jìn)行配制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基質(zhì)存在容易干、水分流失較多的缺點(diǎn)，而且保溫效果較差，待天氣轉(zhuǎn)涼后將對根系的生長產(chǎn)生不利影響。因此，對基質(zhì)材質(zhì)進(jìn)行替換，將碎石子替換為粗河沙。雖然粗河沙的保溫效果較好，幼苗可以順利過冬，但是粗河沙的基質(zhì)排水不暢，隨著天氣轉(zhuǎn)暖又會(huì)造成部分鐵皮石斛的根系腐爛、莖干干枯。再次對基質(zhì)進(jìn)行改良，材料選擇鋸末和泥炭，按照6∶4的比例進(jìn)行配制，厚度控制在10～12 cm，經(jīng)試驗(yàn)認(rèn)為該基質(zhì)的配比方式為鐵皮石斛幼苗最佳生長配方。隨著栽培年限增長，基質(zhì)也在不斷被消化，要滿足植株正常生長所需基質(zhì)厚度，就必須每年對基料進(jìn)行添加，添加次數(shù)以每年1～2次為宜[4]。

2.3 附生種植

選取木榧為附主植物。采用麻繩將鐵皮石斛及基質(zhì)捆綁到樹上的方式進(jìn)行林下仿野生種植[5]。在仿野生種植前，將鐵皮石斛馴化苗浸泡在0.2%多菌靈中消毒10 min備用。在附生樹中選擇光線充足的枝干部位，按20 cm的株距種植。首先處理鐵皮石斛的根系，用完全濕潤的水苔將其包裹住，然后再裹上鋸末和泥炭，要求鋸末和泥炭是已經(jīng)發(fā)酵過的。處理完畢后，先用麻繩進(jìn)行捆綁，再用鐵絲將其固定到樹上，注意根系伸展[6]。附身樹都需安裝噴霧系統(tǒng)。

3 智能物聯(lián)網(wǎng)栽培管理系統(tǒng)

利用智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)對鐵皮石斛的生長過程進(jìn)行全程監(jiān)測和反饋操作，篩選出鐵皮石斛生長的最適環(huán)境因子組合，進(jìn)行新型栽培技術(shù)的優(yōu)化。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)布設(shè)于田間的目標(biāo)區(qū)域。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)包含4個(gè)子系統(tǒng)，分別為傳感信息采集和傳輸系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、信息管理與分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)（圖1）。

3.1.1 傳感器信息采集和傳輸系統(tǒng)。一是傳感器。包括溫度、濕度、光照、CO2濃度、土壤EC值、土壤pH值、土壤溫度、土壤水分等傳感器，用戶可根據(jù)需要增減。二是現(xiàn)場無線變送器。將傳感器信號經(jīng)調(diào)理后通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，每個(gè)現(xiàn)場變送器可接多路傳感器。三是無線路由器。無線信號中繼。四是現(xiàn)場監(jiān)控主機(jī)。即通信網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)與GPRS/3G公網(wǎng)的信息轉(zhuǎn)換。五是網(wǎng)絡(luò)融合。將采集的數(shù)據(jù)信息接入智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)服務(wù)器。六是LED屏幕。接收并顯示各路傳感器的實(shí)時(shí)信息，便于農(nóng)戶隨時(shí)觀察各種環(huán)境參數(shù)。七是智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)服務(wù)器。安裝在電信服務(wù)器機(jī)房內(nèi)，用戶通過瀏覽器或手機(jī)訪問該服務(wù)。

3.1.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高精度網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，系統(tǒng)的清晰度和穩(wěn)定性等參數(shù)均符合國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。攝像機(jī)的圖像上傳至網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，用戶可以借助電腦或手機(jī)隨時(shí)隨地觀看到溫室內(nèi)的實(shí)際影像。

3.1.3 信息管理與分析系統(tǒng)。在服務(wù)器上建立智慧農(nóng)業(yè)信息管理平臺(tái)，通過該平臺(tái)可以對被測對象進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)挖掘與曲線分析、報(bào)警管理和綜合管理。用戶可以根據(jù)對各種數(shù)據(jù)的觀察和分析，進(jìn)行栽培過程的控制決策。同時(shí)，系統(tǒng)也可以智能的根據(jù)已有的算法自動(dòng)向控制系統(tǒng)發(fā)出各種動(dòng)作指令。

3.1.4 控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)主要包括控制設(shè)備和相應(yīng)的繼電器控制電路，通過繼電器可以實(shí)現(xiàn)對噴淋、滴灌等噴水系統(tǒng)等各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的自由控制?？刂葡到y(tǒng)既可以通過智能分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)控，也支持采用人工方式對設(shè)備進(jìn)行操作。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的栽培管理調(diào)控

物聯(lián)網(wǎng)傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大量實(shí)時(shí)地采集環(huán)境信息，包括溫度、濕度、光照、氣體濃度等內(nèi)容，同時(shí)還精確地獲取土壤信息，包括土壤水分、溫度、電導(dǎo)率、pH值等內(nèi)容；然后在數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)將這些信息匯集，可以為種植環(huán)境的精確調(diào)控提供可靠依據(jù)。通過將獲得的多環(huán)境因素優(yōu)化控制模型轉(zhuǎn)化為具體控制算法，在鐵皮石斛生長的各個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)檢測到的環(huán)境因子參數(shù)，對比數(shù)據(jù)庫中的最適環(huán)境參數(shù)范圍，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行設(shè)備打開關(guān)閉的自動(dòng)化，從而實(shí)現(xiàn)栽培環(huán)境調(diào)控的智能化（圖2）。

所有傳感器數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在服務(wù)器中，形成物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫。當(dāng)用戶需要查詢的時(shí)候，系統(tǒng)不僅可以通過各種報(bào)表向用戶直觀地展示空間分布狀況（場圖）和時(shí)間分布狀況（折線圖），而且還可以提供日報(bào)、月報(bào)等歷史報(bào)表，幫助用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和研究（圖3）。同時(shí)，用戶也可以根據(jù)長期大量數(shù)據(jù)的分析，更加深入地了解多種環(huán)境因素與作物生長過程，進(jìn)而對環(huán)境優(yōu)化控制模型進(jìn)行不斷改進(jìn)和完善。

鐵皮石斛屬于陰生植物，最佳生長條件為涼爽、濕潤、空氣暢通的區(qū)域。因此，鐵皮石斛在栽培養(yǎng)護(hù)時(shí)，要注意控制好水分，這點(diǎn)比較重要。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示植株周邊空氣濕度低于30%時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)噴霧系統(tǒng)增加空氣濕度；當(dāng)土壤含水量低于系統(tǒng)設(shè)定的臨界土壤含水量時(shí)，噴灌系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開，進(jìn)行灌溉。

鐵皮石斛生長比較緩慢，不需要施過多的肥料，因?yàn)槠涓?、莖、葉可以吸收空氣中的養(yǎng)分，并將養(yǎng)分積累成對自己有益的有用成分[7]。如果頻繁施入養(yǎng)分，可能會(huì)影響鐵皮石斛的生長，因?yàn)檫^多的養(yǎng)分可以造成基質(zhì)表面發(fā)綠結(jié)痂而影響基質(zhì)的透氣性。但基于鐵皮石斛自然生長速度較慢的現(xiàn)狀，必須適時(shí)適量地提供養(yǎng)分，以促進(jìn)鐵皮石斛的生長。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)在土壤pH值、EC值發(fā)生變化時(shí)，通過數(shù)據(jù)分析，自行判斷和反饋需要施肥的種類和數(shù)量來進(jìn)行施肥。

4 結(jié)語

目前，在鐵皮石斛的組織培養(yǎng)和人工栽培方面已經(jīng)有較為深入的研究，而且碩果頗豐，運(yùn)用現(xiàn)代生物技術(shù)與現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的方法，以木榧為附主植物的仿野生栽培，既還原了鐵皮石斛的野生生長環(huán)境，又節(jié)約了生產(chǎn)成本，并使其種植成活率明顯提高。仿野生鐵皮石斛栽培模式實(shí)施“智能化物聯(lián)網(wǎng)”管理，對后期管理質(zhì)量及效率的提高具有明顯的作用，形成以“互聯(lián)網(wǎng)+仿野生”為主導(dǎo)的種植理念，與目前社會(huì)上鐵皮石斛大面積大棚種植及人工栽培管理的模式相比較，具有明顯的優(yōu)越性[8-15]。

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