雙孢菇生產智能控制技術研究現狀及發展趨勢

摘 "要：雙孢蘑菇是目前世界上栽培最廣、產量最高、消費最大的食用菌之一，近年來雙孢蘑菇已基本實現工廠化、機械化和智能化生產。雙孢蘑菇智能控制系統建立在工廠化和機械化生產基礎上，利用物聯網技術智能化控制雙孢蘑菇工廠化生產系統數據采集、傳輸、分析及雙孢蘑菇生長相關環境等，以期提高工廠化雙孢蘑菇生產質量，減少勞動力投入等。該文依托雙孢蘑菇研究背景，立足于國內外雙孢蘑菇栽培技術發展現狀，分析當前我國智能化雙孢蘑菇栽培技術發展現狀?，F就國內外雙孢蘑菇研究進展及工廠化栽培基本情況進行論述，以期探明未來雙孢蘑菇智能控制技術發展導向，為我國雙孢蘑菇未來生產提出建議。

關鍵詞：雙孢蘑菇；物聯網；智能控制；研究現狀；發展趨勢

中圖分類號：S646 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-9902（2023）02-0007-06

Abstract： Agaricus bisporus is one of the most widely cultivated edible fungi with the highest yield and the largest consumption in the world. In recent years， Agaricus bisporus has basically realized factory， mechanical and intelligent production. The intelligent control system of Agaricus bisporus is established on the basis of factory and mechanized production， and it adoptsthe Internet of Things technology to intelligently control the data collection， transmission， analysis and control of the environment related to the growth of Agaricus bisporus in the factory production system， in order to improve the production quality of Agaricus bisporus and reduce labor input. Based on the research background of Agaricus bisporus， based on the development status of cultivation technology of Agaricus bisporus at home and abroad， this paper analyzed the current development status of intelligent cultivation technology of Agaricus bisporus in China. This paper discusses the research progress of Agaricus bisporus at home and abroad and the basic situation of industrialized cultivation， in order to find out the development direction of intelligent control technology of Agaricus bisporus in the future and put forward suggestions for the future production direction of Agaricus bisporus in China.

Keywords： Agaricus bisporus; Internet of Things; intelligent control; research status; development trend

雙孢蘑菇（Agaricus bisporus）簡稱雙孢菇，屬于草菌屬，其特征為味鮮、蛋白高、富含氨基酸和低脂肪，是世界栽培范圍最廣泛的食用菌之一，其對治療關節炎、血液疾病和肝炎等病癥具有一定效果，并且有報道表明，雙孢菇菌絲體中提取出的糖蛋白有抑制艾滋病毒的作用[1-3]。雙孢菇生產過程對秸稈、畜禽糞便等農業廢棄物需求量也極大。雙孢菇的人工栽培起源于法國路易十四時期，主要產區包括美國、中國、法國、荷蘭和德國等。20世紀20年代從日本引入中國，隨后在上海和福州等地進行小面積栽培，直至改革開放后其產業迅速發展擴大，1983年后雙孢菇栽培技術在我國長江以南地區迅速發展，主產區包括河南、山東和福建等[4-5]。2020年我國雙孢菇產區主要為河南、江蘇、福建和廣西，累計產量占全國產量的70%，其中江蘇地區產量占比最大，達到26%。

近年來，雙孢菇產業發展迅猛，傳統的自然栽培、室外堆料發酵等栽培方式成本高、產量低、栽培與供應期短、經濟效益差，已無法滿足國內外市場需求。雙孢菇工廠化生產智能化控制技術已成為我國未來發展的緊迫任務，該技術的發展有利于促進雙孢菇產業的發展，提高雙孢菇產量與質量及雙孢菇生產的經濟效益，同時提高我國雙孢菇產業在國際中的競爭力[6]。

1 雙孢菇工廠化生產及智能控制技術發展現狀

雙孢菇智能化及工廠化栽培技術智能模擬雙孢菇生長發育所需生態環境，通過智能控制、機械作業和企業管理進行雙孢菇栽培，其具有省工減排、優質高產和周年供應的優點，是國際上普遍采用的栽培方式。隨著國家對食用菌產業的支持，我國雙孢菇生產模式向工廠化栽培轉型。

雙孢菇人工栽培有400多年的發展歷史，當前較為先進的生產技術主要包括4個階段：預濕混料后隧道發酵（一次發酵）、隧道巴氏消毒堆制發酵（二次發酵）、播種后隧道發菌（三次發酵）和菇房覆土出菇[7-9]。雙孢菇工廠化栽培能夠保證雙孢菇的高產、穩產及優產，實現雙孢菇周年化生產[10]，更規范化、標準化地完成上述4個階段，是當前國際主流生產方式。但工廠化生產設備和技術水平方面，國內外發展不均、差距顯著。

1.1 國外發展現狀

雙孢菇人工栽培最早起源于法國，1934年美國將雙孢菇培養料制堆劃分一、二次發酵2個階段，大大提升了培養料的制堆效率和質量。荷蘭是世界上最早開始雙孢菇栽培工廠化的國家，同時其技術也是最先進的，當前多數國家的雙孢菇生產設備和技術都來自于荷蘭[11]。20世紀40年代荷蘭改進了雙孢菇栽培模式，通過控制溫、濕度來進行雙孢菇工廠化生產；70年代荷蘭通過發明“頭端輔料機”再一次推動了雙孢菇機械化栽培技術；80年代通過改用泥炭土作為覆土，推進了制料的專業化生產；90年代通過采用三次發酵技術（Phase Ⅲ），將雙孢菇栽培周期縮短至6～7周，大幅度提升了雙孢菇的總產量。經過多年研究應用荷蘭逐步實現了雙孢菇智能化及工廠化生產[12-13]。并且隨著食用菌產業的快速發展，逐漸出現食用菌相關專業組織并進行管理和研究。這樣的行業組織衍生不僅有利于拉動其經濟發展，同時還能反哺雙孢菇產業進一步發展，形成良性循環，非常值得借鑒。

國外雙孢菇工廠化生產主要集中于荷蘭、愛爾蘭和法國等歐美國家，工廠化栽培技術發展迅速、專業化程度高。集機械、智能控制和菌種發酵為一體的雙孢菇三次發酵隧道，是智能化及工廠化雙孢菇栽培技術的重要設備，在三次發酵隧道底部配備智能化控制系統即可實現自動化管理，創造發酵料所需適宜條件，從而進行優質高產的雙孢菇生產[14]。

單區制是國外雙孢菇工廠化栽培普遍采用的模式，即制種、堆料、接種、覆土、出菇到采收等環節全部實現工廠化、機械化和智能化[15-18]。該模式中不同環節的工作均由專業公司完成，通過購買專業公司生產的菌種、培養料及覆土層材料進行栽培，栽培者只需負責出菇管理[19]。每個環節對應相應的公司，專司其職，可以更專業地完成該環節相應的工作，從而穩定提高雙孢菇產量和品質，這種模式和成熟的產業鏈發展，值得國內借鑒[20-21]。

1.2 國內發展現狀

我國雙孢菇工廠化栽培起步晚于國外，傳統雙孢菇栽培技術由于生產成本高、人力資源浪費和環保不過關等缺點使其發展緩慢，雖然工廠化栽培生產規模不斷擴大，然而由于我國雙孢菇相關設備和技術研究相對淺薄，因此發展空間還很大。起初我國工廠化所用機械設備依賴于國外進口，存在設備訂購時間長、采購成本高、維修保養費用昂貴及缺乏專業技術人員等問題[22]，尤其中小型企業，無力承擔這樣高昂的價格和隨之產生的投資風險，導致雙孢菇配套栽培設施不全面，難以實現全部智能化，大大限制了我國雙孢菇產業的發展和工廠化進程。20世紀80年代，我國寧夏、天津等地先后引進了雙孢菇工廠化設備，是我國探索雙孢菇工廠化栽培的標志，但是由于缺乏專業技術和管理經驗等原因，均先后停產[23]。20世紀90年代，我國在借鑒國外生產設備和技術的基礎上，實現了以二次發酵技術為主的工廠化栽培技術。

近年來隨著農業現代化進程發展，食用菌產業也迅速發展，工廠化進程成為了雙孢菇產業發展的必經之路，相應的工廠化配套設施也有了大幅度提升[24]，對雙孢菇三次發酵的設備和技術研發力度也在不斷加強。近年來通過科研院校與雙孢菇栽培公司的合作，基于我國環境氣候、生產條件和栽培基質結合國外先進技術，越來越多的雙孢菇工廠化生產所需裝備設施及控制系統被研發出來，其相關研發成果應用于國內多家采用二次發酵料技術的單位。結果表明，應用該成果雙孢菇平均產量從20～25 kg/m2提高了6～10 kg/m2，標志著該技術達到了國際先進水平。但國外一些發達國家現目前已普遍采用三次發酵技術，使得雙孢菇平均產量提高了10～15 kg/m2 [25]。然而國內工廠化生產設備長期被國外壟斷，規模較大的工廠化生產企業依舊使用國外引進的全套生產設備，進口設備依舊在我國雙孢菇工廠化生產設備中占較大比例[26]，國內雙孢菇生產成本也隨之提高。雖然在科研人員的不斷努力下，目前相關雙孢菇工廠化設備已基本掌握自主知識產權，并且根據實際投產效果顯示我國生產的相關設備更加符合本土所需，但是由于其存在自動化水平較低等缺陷，產能和效益距國際先進水平尚有差距[27-28]。要實現真正的技術和產能領先，國內研發力度還需進一步加強，不斷改進和創新工廠化設備，提高國產設備在國內和國際市場上的競爭力。

我國作為雙孢菇生產大國，其總產量占世界食用菌總產量約70%[29-31]。數據顯示，2014年到2019年我國雙孢菇產量整體呈下滑趨勢，2019年我國雙孢菇的產量達231萬 t，同比下降7%；2020年產量達219萬 t，同比下降5%。然而，在工廠化生產產量方面，2019年我國雙孢菇工廠化產量為24.63萬 t，同比上漲68%；其中雙孢菇工廠化有效產能為610 t/d，同比上漲39%。

江蘇省作為我國雙孢菇主產區之一，2011—2015年間雙孢菇工廠化栽培產量及生產效益較低[27]；2014年，江蘇裕灌現代農業科技有限公司作為一家中美合資企業，引進了先進的智能化全套生產設備及美國行業知名專家團隊，并采用當前世界領先的三次發酵種植技術，建立了先進的雙孢菇周年循環生產現代農場；2018年江蘇宏露農業科技公司引進了雙孢菇生產環境控制系統及設備，以期實現雙孢菇的工廠化、智能化生產，預計建成江蘇南部最大、江蘇省第三的雙孢菇生產基地；2021年江蘇紫山食品科技有限公司開展了集育種、種植和深加工為一體的雙孢菇工廠化項目建設工程，志在打造我國龍頭食用菌罐頭生產基地。除江蘇，山東雙孢菇發展產業也名列前茅，20世紀90年代山東通過與意大利公司合作實現了自主制備雙孢菇培養料并掌握了進行周年工廠化栽培技術；之后通過引進荷蘭相關設備實現雙孢菇工廠化和智能化迅速發展，并在此基礎上進行雙孢菇工廠化研究和優化，自主研發出“周年化高效節能出菇棚”；結合了荷蘭、意大利等地區食用菌生產先進技術和國內雙孢菇工廠化生產的栽培模式，一經使用，快速在莘縣周邊地區推廣開來；并通過引進荷蘭先進的隧道發酵技術，將菌種混播到優質培養料中，從而降低農民種植雙孢菇的風險[32]；姚強等[33]通過雙孢菇引種在山東進行種植并通過農藝性狀篩選獲得了2種適宜山東本土的具有優良農藝性狀的菌種，其具有更耐存儲且栽培產量更高的優勢。安徽省雙孢菇工廠化生產水平較為落后，截至2017年阜陽市僅有一家食用菌工廠化生產單位，該單位雙孢菇生產設備從山東購置，并基于國外生產經驗和技術結合當地實際條件進行生產應用，發現當地雙孢菇生產具有很大的發展潛力，但存在著工廠化生產專業技術人才缺乏、生產設備和技術相對落后及鮮菇冷藏銷售難等問題[34]。當前，我國各地區雙孢菇工廠化生產水平不一、發展不均衡和產量效益差異顯著。

2 雙孢菇生產智能控制技術發展趨勢

雙孢菇工廠化生產中的智能控制技術是建立在工廠化生產的標準化及機械化基礎上的，利用先進電子儀器將雙孢菇生產環境及工藝參數轉化成數據和圖像進行匯總和監測，并對差異數據進行校正，在達到控制雙孢菇生產的目的同時提高雙孢菇生產效率[35-36]。雙孢菇生長智能控制需要完整的、專業的控制系統來實現，系統通過物聯網可獲取雙孢菇生長過程中各類環境參數，并利用物聯網對采集數據進行整理、記錄和分析，最后通過設備完成雙孢菇生長適宜環境參數的調控[37]。

2.1 物聯網

雙孢菇工廠化生產需要嚴格控制生長所需要的溫、濕度和光照及氣體環境等，不能僅控制一個單因素，而是需要統籌控制環境因素才能滿足雙孢菇生長發育需求并生產出品質俱佳的雙孢菇[38]。物聯網通過傳感器等方式獲得各種信息并結合互聯網等網絡技術進行信息傳遞，之后再通過智能計算機對信息進行分析，從而實現智能化的應用[39]。隨著物聯網技術的不斷發展，為雙孢菇智能化控制提供了技術條件，目前我國已有多個公司在食用菌智能化控制系統中使用物聯網技術，并實現了食用菌生長環境的自動傳感檢測、數據收集、處理及自動下達指令控制生長環境調節系統等[40]。目前我國雙孢菇智能化生產過程中物聯網應用技術相比國外而言還有很大差距，因此研究并推廣物聯網在雙孢菇智能化生產中的應用將成為我國未來雙孢菇智能化生產發展的重要方向。

基于物聯網的雙孢菇生產智能化監測系統主要有環境信息采集系統、生產現場視頻檢測系統、網絡數據傳輸系統、中央控制系統、環境控制系統及農業專家系統等，該系統根據雙孢菇不同生長階段所需環境數據，通過傳輸系統將數據傳送給中央控制系統進行信息處理分析并通過農業專家進行校正后實現雙孢菇菇房的自動調節[41]。相對于傳統的人工觀察和控制而言，使用物聯網進行檢測和控制更加精準，控制的生長環境也更適于雙孢菇的生長，不僅可以顯著提高雙孢菇生產品質還可以節省人工和生產成本，解決傳統生產中的不足等。目前物聯網技術在食用菌智能化生產中已加以利用，連云港國盛生物科技有限公司利用基于物聯網的智能化監測系統將菇房溫度、濕度和CO2濃度分別控制在22～24 ℃、60%～70%和2 000～3 000 ppm，該生長環境適宜菇房杏鮑菇穩定高品質生產，驗證了物聯網系統在食用菌智能化生產過程中使用的可靠性和準確性[40]。

信息化作為物聯網的本質，主要包括科學技術、經營管理和農產品流通等，通過信息化、智能化與傳統農業相結合，農業經濟效益將顯著提高[42]。利用計算機進行巨大的數據運算并通過物聯網進行統籌管理，同時針對雙孢菇不同生長階段所需環境建立最適宜的配套控制系統即可優化雙孢菇智能化生長控制環節，達到雙孢菇生長最適環境。因此信息化技術發展為雙孢菇生長智能化控制發展方向之一。

2.2 雙孢菇生產智能控制配套設備發展現狀

目前我國雙孢菇生產智能控制配套設備大多使用的是荷蘭進口的Fancom自動控制系統，該系統可精確調控雙孢菇生長過程中的環境參數并及時反饋，管理人員可通過反饋信息及時進行控制[43]。國外引進相關智能化設備在性能、生產和工藝等方面雖能夠滿足食用菌廠家的生產需求，然而其存在嚴重的售后問題影響產業發展[44]。近年來雙孢菇產業的發展為研發相關配套設備奠定了基礎，我國雙孢菇生產智能控制配套設備生產水平發展迅速。例如我國針對雙孢菇培養料智能化發酵隧道研究，研發出集強制通風系統、智能調控環境參數、宜有益菌生長為一體的適宜我國國情的成套雙孢菇培養料智能化發酵隧道[26]。雙孢菇智能化生產是雙孢菇產業發展導向，智能控制配套設備研發為智能化生產發展基礎，因此應加大智能化設備研發投入力度，完善雙孢菇產業化發展需求。

2.3 雙孢菇產業的延伸對智能化提出了新要求

隨著雙孢菇生產智能控制技術日益成熟，雙孢菇產業的延伸對智能化提出了新要求。食用菌生長過程伴隨著廢棄物產生及處理等問題，例如處理在生產中產生的農作物秸稈及食用菌菌渣等農業廢棄物[45]，在雙孢菇工廠化生產智能化控制過程中應考慮廢棄物有效處理等問題，因此環保節能也為雙孢菇生長智能化控制重要發展環節之一。除了廢棄物有效處理外能耗控制也是環保節能的手段之一，目前我國食用菌生產業往往單方面注重產量及質量問題而能耗方面多有忽略，因此在不影響產量及品質的前提下，有效降低能耗也是環保節能的一種途徑[46]。環保節能作為雙孢菇工廠化生產智能化發展方向之一，目的在于不降低雙孢菇產量及生產利潤的前提下，有效處理雙孢菇生產廢棄物、降低智能化系統的能耗，同時建立響應國家政策的環保、綠色雙孢菇生長工廠化、智能化產業鏈。

3 雙孢菇生產智能控制技術發展存在問題

我國雙孢菇工廠化及智能化技術控制栽培進展遠不如金針菇和杏鮑菇順利，仍存在不少問題。

3.1 生產條件有待標準化

生產條件包括產地環境、廠區布局、基礎設施、機械設備、附屬設施和投入品質量要求。生產條件是否達標會直接影響生產過程是否順利、產量是否穩定和產品品質是否達標等問題。在我國工廠化生產中，廠區布局不合理、基礎設施不完善、機械設備不穩定和控制系統不夠精確的問題仍然存在。部分生產單位設施設備簡單，發酵隧道建造粗糙[23]，設備難以長期穩定運轉，尤其是使用了國內早期制備的設備和控制系統，其性能差、損耗速度快和故障率高，大大提高了生產單位產能不達標，甚至失敗停產的風險。雙孢菇智能化系統對生產條件依賴性較高，廠區布局、基礎設施等設備和控制系統不完備將導致雙孢菇工廠化生產及智能化控制發展緩慢。

3.2 生產原料有待規范化

生產原料包括菌種、發酵料和覆土料，國內生產單位在生產原料的控制方面存在諸多問題。菌種的選擇和繁育是栽培雙孢菇的首要環節，但目前我國缺乏系統、高效的菌種質量評價和控制體系[47]，菌種選擇不當引起的減產幅度約在20%～40%；發酵料的配置以麥秸和雞糞為主，其中麥秸是雙孢菇生產中碳源和纖維素的主要來源，雞糞是主要的氮源，在實際生產過程中要防止麥秸過碎過短、霉變腐敗、含有雜質及雞糞含氮、含水量不穩定等問題，麥秸和雞糞的質量會直接影響到雙孢菇的產量，需進行標準控制和嚴格把關；覆土料的原料多為草炭土，國內缺乏專業的覆土生產企業，所使用草炭土的含水量、持水性和腐熟年代不達標會直接影響雙孢菇的產量和品質[48]。

3.3 技術管理有待專業化

技術管理包括設備維護、設備規范操作、生產計劃制訂、各生產環節技術監管（如發菌、栽培、催蕾和出菇）和各階段理化數據檢測分析等[49]。國內工廠化生產設備水平較差，與技術工藝水平要求存在差距，智能控制系統的配套運行也尚不如國外成熟。這就需要既有技術水平又有管理經驗的人員及時進行人工協調管理，應對突發故障問題。但國內一直缺乏對專業技術人員的培養，生產單位多數操作人員文化水平有限、技術水平不達標，直接制約了國內雙孢菇工廠化栽培的進程和效益。

4 雙孢菇未來發展導向

隨著近年來我國大力倡導農業機械化并且電子信息技術、人工智能技術發展迅速，有利于智慧農業發展，智慧農業包括智慧種植業、養殖業、漁業和農機。目前世界各國智慧農業和智慧種植技術發展迅速，其中智慧種植技術通過應用高水平農業機械設備、自動化管理設備及電子信息等技術對種植業的各項環境數據進行分析，將農業生產可視化并進行精準種植。智慧農業和智慧種植技術的發展促進了傳統農業發展并有利于推進產學研一體化促進農業產業研究發展[49]。

我國農業資源豐富，但秸稈浪費和畜禽糞便排放量較大，既造成了資源浪費又影響生態環境，雙孢菇栽培技術的推廣應用有利于資源可持續發展符合我國政策，因此雙孢菇產業發展效益長遠可觀。并且雙孢菇具有較高營養價值和藥用價值，為雙孢菇相關產品提供了市場，使雙孢菇智能化及工廠化發展具有重要意義。

智能化及工廠化雙孢菇栽培技術屬于智慧種植業范疇。智能化控制主要應用在三次發酵隧道及菌菇生產車間的溫度、濕度和氣體等參數的控制上。三次發酵隧道智能化控制體現在一次發酵過程中的混料、一轉、二轉、三轉參數智能化控制系統和二、三次發酵過程中的溫度、濕度、通氣、消毒、播種和走菌控制系統的使用；生產管理主要體現在管理監控系統的應用，對雙孢菇工廠化進行監控設施布控及信息管理，有利于遠程調控和追蹤管理。因此我國雙孢菇工廠化及智能化的發展應加快工廠化及智能化管理設備的研發進程，同時進行生產培訓并提高工廠化及智能化管理水平，以實現智能化及工廠化雙孢菇栽培技術的廣泛推廣。

5 結論

在傳統雙孢菇栽培模式萎縮趨勢下，具有省工減排、優質高產和周年供應的智能化及工廠化雙孢菇栽培技術規模逐漸擴大，因此制定雙孢菇工廠化生產技術規程，并明確智能化控制的應用，可以為制定具有參考價值的雙孢菇工廠化生產標準，指導生產單位建立完善的生產條件打下堅實的生產基礎。對推動我國雙孢菇工廠化生產進程，提高我國雙孢菇產量和效益具有重要意義。

國外智能化及工廠化雙孢菇栽培技術發展水平較高，我國雖已日益重視雙孢菇產業及工廠化栽培技術發展，但起步比較晚，發展屬于中下水平。國內外雙孢菇種植環境及原輔料存在較大差異，例如國外使用的覆土材料多為泥炭土等，而我國作為環保大國提倡保護泥炭土等不可再生資源。國內外氣候差異較大，我國不同地區氣候也存在較大差異。因地制宜進行相應的培養料發酵技術和生產設備研究開發顯得尤為重要，而工廠化栽培的菌種選擇在其中也有著重要影響。因此，制定適合不同地域的工廠化生產技術規程能更好地推進我國雙孢菇產業的發展。

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