基于物聯網技術的甜櫻桃裂果及其品質研究

駱慧楓，廖益民，壽國忠，黃康康，裴嘉博，郗篤雋，張 琛，阮若昕，劉 輝

(1 浙江省杭州市農業科學研究院園藝研究所，杭州，311300；2 浙江省建德市農業技術推廣中心，浙江建德，311699；3 浙江農林大學工程學院，杭州，311300)

甜櫻桃(PrunusaviumLindl.)是薔薇科(Rosaceae)李屬(Prunus. L)植物，是繼中國櫻桃(PrunuspseudocerasusLindl.)之后成熟最早的鮮果。與中國櫻桃相比，甜櫻桃果個較大，色澤艷麗，香味濃郁，營養豐富，綠色健康，是深受消費者喜愛的溫帶水果之一[1]。目前，我國甜櫻桃栽培品種主要來自歐美國家，在大連、泰安、煙臺等地區栽培表現較好，成為促進當地農業發展、農民增收的特色產業[2]。近年來，由于甜櫻桃較高的經濟效益和休閑價值，刺激了南方果農的生產積極性，南方地區如江蘇、浙江、上海、貴州等地種植戶以及科研單位逐步進行甜櫻桃的引種與試栽[3-5]。目前，我國甜櫻桃栽培面積已超過20萬hm2，且尚未滿足消費者需求[4]。

我國南方地區冬季低溫不足，夏季高溫、降水充沛，導致甜櫻桃需冷量不足，畸形果增多，裂果率增加，嚴重制約了甜櫻桃產業在南方地區的可持續發展[5-6]。其中，裂果是影響果實外觀、品質和引發病害的重要問題(見圖1)。甜櫻桃裂果除了與品種、砧木有關[7-8]，還與環境因子和晝夜節律密切相關[9-10]。研究認為，降水是引起甜櫻桃裂果的關鍵因素之一[11]，果實著色期與成熟期遇到陰雨天氣，土壤或空氣含水量達到80%以上會造成大量裂果[12]。也有研究指出，果農的不合理灌溉使土壤水分含量變化大，導致甜櫻桃裂果率增加[13]。此外，高溫與日灼也會引起甜櫻桃向陽面先著色的部位產生裂紋[14](見圖1B)。南方地區雨季較長，環境變化差異大，甜櫻桃裂果嚴重。目前，防治甜櫻桃裂果的主要措施是避雨栽培，然而在避雨栽培下或者在干旱環境中甜櫻桃裂果仍然大量發生。因此，裂果是長三角區域在甜櫻桃栽培上需要攻克的重要難題之一。

圖1 甜櫻桃裂果情況

智慧農業是將現代物聯網技術應用到設施農業之中，實現從傳統粗放的種植管理模式向現代的智能化、科學化方式的躍變[15]。農業物聯網的應用，能夠實時采集、監測種植園中的種植環境和生產管理信息，有助于對農業生產進行全面分析，及時發現定位問題并采取相應措施[16]。本文通過新一代物聯網監測系統，獲取甜櫻桃果實發育期間環境因子變化規律，并通過調節土壤水分，研究不同土壤含水量對甜櫻桃裂果及其品質的影響，以期為提高甜櫻桃科學管理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試驗地概況

本試驗主要在2020年的3—6月進行，地點位于浙江省杭州市西湖區甜櫻桃研究基地(120°08′E，30°16′N)，供試品種為6年生“薩米脫”(“Summit”)和“布魯克斯”(“Brooks”)，采用避雨、起壟栽培方式；定植壟寬2 m、高45 cm，株距3 m，單行種植；避雨棚為單拱圓形鋼管大棚，棚跨度7 m、頂高3.2 m，肩高1.8 m，頂部避雨膜寬6 m。

1.2 新一代NB-IoT多功能一體化氣象環境監測系統搭建

甜櫻桃物聯網監測系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要由數據采集系統、無線傳輸系統、供電選擇控制器系統3個部分組成。數據采集系統包括空氣溫度、空氣濕度、光照強度、大氣壓強、土壤溫度及土壤濕度在內的多要素環境參數，實現對各個環境數據的實時采集。通過無線傳輸系統實時收集各個環境參數，將數據保存在云數據中，并在大屏或手機上顯示。供電系統有太陽能電源、AC220V、LI電池3種供電方式選擇。數據通過Socket儲存到MySQL數據庫，將數據顯示在手機端或者PC端。同時，由Apache服務器和PHP等開發工具，與數據庫實時交互[17]，實現設施內甜櫻桃種植管理數據及圖像的顯示，通過曲線或表格形式導出。新一代NB-IoT多功能一體化氣象環境監測系統總體結構圖如圖2所示。

圖2 物聯網環境監測系統

1.3 試驗設計

將供試材料分4組，每組各有3株“薩米脫”和3株“布魯克斯”。在甜櫻桃膨大期至成熟期間，分別將土壤含水量控制在80%、60%和40%，波動控制在5%以內；第4組為對照組，依經驗進行灌溉，土壤水分變幅較大。

1.4 指標測定及方法

記錄甜櫻桃盛花期、謝花期、硬核期、膨大期、轉色期和成熟期；在試驗期間，全天24 h實時采集甜櫻桃設施內的各個環境數據，15 min采集1次；不同類型天氣環境數據分別取2020年4月29日(晴天)、2020年5月6日(降水)；記錄試驗期間降雨時間，同時記錄2019年3—6月期間降雨時間；果實膨大轉色后，統計不同時期甜櫻桃裂果率；測定不同時期果實的單果質量、橫徑、縱徑和可溶性固形物含量，每個處理10個，重復3次，單果質量用天平測量，可溶性固形物含量采用手持折光儀進行測定。采用SPAD-502plus葉綠素測定儀測定葉片SPAD值，以此表征葉片葉綠素相對水平。葉面積用YMJ-B手持葉面積測量儀測量。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2019進行數據處理，SPSS 16.0軟件進行差異顯著性分析(p<0.05)，在Originpro 2015上進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 物候期

2020年3—5月觀察甜櫻桃生長發育情況，并記錄物候期(見表1)。結果表明，在杭州地區避雨栽培下，2個甜櫻桃品種在3月下旬進入初花期，4月上中旬謝花，4月下旬進入果實膨大期，5月中下旬果實成熟?！八_米脫”成熟期晚于“布魯克斯”，2個品種從謝花期發育至成熟需要約40 d時間。

表1 甜櫻桃物候期 月-日

2.2 果實發育期間氣候特點

南方地區春季雨水較多，甜櫻桃在果實發育期間遇到降雨天氣，土壤含水量和空氣濕度劇增，會引起甜櫻桃表皮膨脹，產生裂紋，導致裂果、病果產生。調查表明，2019年甜櫻桃裂果比2020年嚴重，統計2年間甜櫻桃果實發育期間的天氣(見圖3)，結果顯示，2020年甜櫻桃果實發育期間(4月13日至5月22日)降雨天數為11 d，轉色期前后(5月5—7日)出現3 d連續降雨。2019年同期降雨天數為18 d，且多次出現連續陰雨天氣。

圖3 甜櫻桃果實發育期天氣情況

2.3 果實發育期間甜櫻桃生長環境特點

2.3.1 光照強度特點 甜櫻桃果實膨大期間，日平均光照為15 000 lx時與溫濕度達到平衡。在管理中，晴朗天氣在9—10時開始遮陽，16時左右遮陽結束。試驗期間，栽培設施內平均光照強度為15 840 lx，光強度由上午5時30分左右開始增加，于18時30分左右降為0 lx。試驗期間，最大光照強度為48 320 lx(圖4A)。晴天(4月29日)光照強度較強，遮陽后光照顯著下降；降水天氣(5月6日)光照強度較弱，變化較緩和(圖4B)。

2.3.2 空氣溫度特點 數據表明，4月13日至5月22日期間平均氣溫為22.1 ℃，最高氣溫為38.5 ℃，最低氣溫為6 ℃。其中21 d最高溫度超過30 ℃，影響果實生長發育(見圖4C)。氣溫日變化曲線呈“單峰”型，日最低溫度在清晨5時左右，隨后溫度升高，于13—14時達到最高點。分析不同天氣類型日變化規律，發現晴天日溫差明顯高于降水天氣(圖4D)。

2.3.3 空氣濕度特點 試驗期間，甜櫻桃試驗基地中相對空氣濕度最高可達95.2%，最低為18.3%，日間空氣濕度變化幅度大(圖4E)。分析日間空氣濕度變化規律，空氣濕度從上午6時30分左右開始下降，隨后3個小時內空氣濕度迅速降低，于13時左右達到最低，17時至21時迅速增加，21時后保持在較高的水平。其中晴朗天氣相對空氣濕度每日有9～10 h保持在80%以上，降水天氣以及陰天相對濕度24小時保持在50%以上，且變化趨勢平緩(圖4F)。

2.3.4 土壤溫度特點 甜櫻桃謝花進入硬核期至果實成熟期間，土壤溫度隨著外界溫度的增加緩慢升高。其中土壤最高溫度為25 ℃，最低為11.3 ℃，平均溫度為19 ℃(圖4G)。土壤溫度日變化規律也呈平緩的“單峰”型，日最低溫度在清晨7時左右，隨后緩慢升高，于18時左右達到最高，均晚于日空氣溫度。與晴天相比，降水天氣土壤溫度變化趨勢更為緩和(圖4H)。

圖4 甜櫻桃生長發育期間環境變化

2.4 不同土壤相對含水量對裂果率的影響

土壤含水量是影響裂果的重要因素，甜櫻桃進入果實發育期至成熟期，將土壤相對含水量穩定在不同水平，統計不同品種在轉色后裂果率的動態變化。試驗表明，“布魯克斯”裂果率遠高于“薩米脫”，在對照中，“布魯克斯”裂果率高達81%。在果實發育期間將土壤含水量維持在相對穩定的水平可以有效降低裂果率，其中將土壤相對含水量控制在40%左右作用最明顯，“薩米脫”裂果率降低了20%，“布魯克斯”裂果率降低了49%，差異達極顯著水平(見圖5)。

注：對照為依經驗進行灌溉，土壤水分變幅較大。表2和表3同。圖5 不同土壤相對含水量下甜櫻桃裂果率

2.5 不同土壤相對含水量對果實品質的影響

試驗結果看出，土壤相對含水量的增加可以增加甜櫻桃的單果質量，“薩米脫”的土壤含水量在80%時的單果質量比40%的增加了8.5%，同比“布魯克斯”則增加了25.1%。土壤相對含水量降低可以增加果實可溶性固形物含量，“薩米脫”的土壤含水量在40%時的可溶性固形物比80%時增加1.7個百分點，同比“布魯克斯”則增加了4.48個百分點(見表2)。

表2 不同土壤含水量對甜櫻桃果實品質的影響

2.6 不同土壤含水量對營養生長的影響

葉片是光合作用的主要器官。研究表明，土壤相對含水量增加可以使葉面積增加，“薩米脫”的土壤含水量在80%時的葉面積比40%的增加了7.1%，同比“布魯克斯”增加了34.7%。檢測不同土壤含水量與葉綠素水平之間的關系，結果表明，不同土壤含水量對葉綠素含量影響較小，土壤含水量在80%時，“薩米脫”葉綠素含量降低，隨著土壤含水量的增加，“布魯克斯”葉綠素水平差異不顯著(見表3)。

表3 不同土壤含水量對甜櫻桃營養生長的影響

3 討論與展望

不同品種裂果敏感性不同，在煙臺地區調查研究表明，8個品種大櫻桃裂果率由高至低分別為“紅燈”“賓庫”(‘Bing’)“薩米脫”“早大果”“美早”(‘Tieton’)“先鋒”(‘Van’)“拉賓斯”(‘Lapins’)[18]。在本試驗中，“薩米脫”和“布魯克斯”為中晚熟品種，在相同的環境條件下，“布魯克斯”裂果率遠高于“薩米脫”。因此，選育出適合南方地區栽培的，具有較強抗性的新品種是降低裂果率的根本途徑。

有研究者認為，空氣濕度是影響甜櫻桃裂果的重要環境因子，果實暴露在高濕度的環境中會導致果皮裂紋的產生[19]，日平均濕度在75%以下可以有效降低裂果率[20]。在晴朗天氣，甜櫻桃基地的空氣濕度每日呈周期性變化，下午達到最低點，夜里達到最高點并超過95%，陰雨天氣全天相對濕度都較高。通過調查研究發現，在杭州地區，避雨設施條件下，2019年甜櫻桃裂果率遠高于2020年，說明了連續陰雨天氣使果實長期暴露于高濕度環境中，裂果率顯著增加。也有研究證明，裂果主要與濕度持續的時間和濕潤面積有關，浸潤時間越長，受潮面積越大，裂果率越高[21-22]。因此，陰雨天氣降低空氣濕度有助于降低裂果率。

在避雨設施中，灌溉不合理導致土壤濕度急劇變化，水分通過根系運輸到果實，使果肉膨大，造成裂果[23，9]。在栽培生產中，種植戶在謝花后澆水不足，在果實膨大期和成熟期大量澆水，果實細胞膨壓增大，果皮細胞彈性不足導致裂果大量產生。有研究表明，在果實生長前期，土壤相對含水量應保持在60%～80%，果實著色后應保持在55%～75%[24]。本試驗表明，甜櫻桃果實生長發育期間，保持土壤含水量在相對恒定的水平能夠有效降低裂果率。

隨著科學技術的發展，精準農業和智能農業成為農業發展的主流，物聯網信息技術是實現這一目標的重要方法[25]。在草莓的種植中，通過物聯網技術的水肥一體化應用有效提升了水肥利用的科學性和有效性[26]?，F有研究表明，甜櫻桃在高溫多雨的南方地區種植，避雨栽培是首要條件[27]，但避雨栽培生產中各階段量化的指標尚不明確，果農常以個人經驗和感覺調控溫度、水肥等，存在管理不科學的問題。物聯網技術在甜櫻桃栽培中的應用，有助于構建大數據體系，探索甜櫻桃生長發育規律，為果農科學、高效生產提供有力保障。