基于物联网的铁皮石斛仿野生高品质栽培关键技术

张明丽++吕伟德++饶君凤++陈国汀++边天煜

摘要 介绍基于物联网的铁皮石斛仿野生高品质栽培关键技术的研究现状，即通过对铁皮石斛田间生态指标和多糖的测定，筛选出高品质铁皮石斛品种；通过种苗选择、基质配制及附生种植等技术对铁皮石斛进行仿野生种植；利用智能化物联网栽培管理系统对铁皮石斛的生长环境进行监测和调控，达到智能化栽培管理的目的。

关键词 铁皮石斛；多糖；仿野生；物联网；栽培技术

中图分类号 S567.23 文献标识码 B 文章编号 1007-5739（2016）19-0089-03

铁皮石斛（Dendrobium candidum Wall.ex Lind L.）为兰科石斛属多年生附生草本植物，是我国特有的一种植物，其野生生长条件非常苛刻，主要分布于西南和江南各省海拔600～2 500 m的山谷半阴湿林中的树干或岩石上。作为一种名贵药材，铁皮石斛具有滋阴补肾、健脾养胃、润肺生津等功效，可用于治疗慢性萎缩性胃炎、糖尿病、高血压等疾病，具有抗肿瘤、抗衰老等作用[1]。铁皮石斛的种子非常小而且没有胚乳，因此在自然条件下用实生苗进行栽培存在困难；而用传统的分株、扦插等方式进行繁殖也存在繁殖率极低的问题；加上人为过度采挖和破坏生境，铁皮石斛野生资源已面临日益枯竭的危险。因此，高品质的铁皮石斛供不应求。

鉴于人们对高品质铁皮石斛的迫切需求，相关学者研究出一种仿野生种植铁皮石斛的栽培模式。该模式以人工干预少、自然化、集约化生产为目的，利用林间环境资源优势，以自然生长的树木为载体进行生产[2]。笔者以木榧为附主植物，对高含量石斛多糖成分的铁皮石斛品种，进行仿野生栽培，形成全程规范化的种植关键技术，为今后的药用石斛资源的推广应用提供理论依据和技术支持。

1 高品质铁皮石斛品种筛选

铁皮石斛资源受到野生资源的种类、亲缘关系、分类地位、蕴藏量及生态地理环境等影响。由于铁皮石斛自花基本不育，因此虽然一直致力于将人工杂交技术运用在其繁殖上，但是收获甚微，自然结实依然主要借助昆虫这一媒介进行传播授粉，导致结实率很低的现状无法突破，也使铁皮石斛资源濒临灭绝。另外，昆虫传播授粉还存在一个弊端，即无法控制父本而导致目前栽培的铁皮石斛品系比较复杂，存在品种内一致性差、世代之间遗传稳定性差等问题。因此，铁皮石斛种质资源的引种筛选意义重大。

1.1 田间生态指标观测

通过对铁皮石斛的种质资源调查和市场分析，初步选定用于种植的铁皮石斛品种。种植场地要求周围无污染源，配备遮阳网、喷雾系统及通风设备。分别记录不同品种的各项生长指标，包括叶色、形态、叶长、叶宽、茎杆长度和茎杆粗度等。通过对各个品种的叶面积、叶长宽比、茎长、茎粗指标的对比，初步筛选出生长性状优良的品种。

1.2 有机物质含量的测定

铁皮石斛的品质取决于有效成分的种类及含量，主要是多糖类、氨基酸及微量元素。不同铁皮石斛种类差异十分显著。把经过田间生态指标筛选出的优良品种进行有机物质含量的测定，以进行进一步的筛选。

1.2.1 多糖。判断铁皮石斛质量的好坏，一般常用多糖含量的高低来衡量。这是因为多糖类成分是铁皮石斛中具有抗肿瘤作用和免疫增强作用的活性成分。铁皮石斛生理活性的强弱与其多糖含量密切相关。多糖含量越高，质越重，嚼之越有黏性，质量更优[3]。

采用GB/T5009.8-2008国家标准规定的方法，用酸水解法测定铁皮石斛中多糖含量。称取20 g粉碎后的试样，置250 mL容量瓶中，加入200 mL水，在45 ℃水浴中加热1 h，冷却沉淀。吸取200 mL上清液加入5 mL乙酸锌溶液及5 mL亚铁氰化钾溶液，静置30 min，用干燥滤纸过滤，取滤液加入盐酸，水浴加热冷却后，加入2滴甲基红指示液，用氢氧化钠溶液中和至中性。然后用碱性酒石酸铜溶液滴定测试。

1.2.2 氨基酸。氨基酸是人类必需的重要营养成分，铁皮石斛含有16 种氨基酸，分别为谷氨酸、天门冬氨酸、甘氨酸、缬氨酸、亮氨酸、苏氨酸、丝氨酸、丙氨酸、胱氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、组氨酸、精氨酸、脯氨酸、酪氨酸等，其中谷氨酸、天门冬氨酸、甘氨酸、缬氨酸和亮氨酸等主要氨基酸的含量非常接近，总和占总氨基酸含量的53%。人体必需的氨基酸中除了色氨酸其他均含有，某些氨基酸还具有生物活性和疗效。铁皮石斛性味甘淡微咸的特点，正是由氨基酸的组成特性导致的。采用GB/T5009.124-2003国家标准规定的方法，用氨基酸自动分析仪测定铁皮石斛中氨基酸的含量。

1.2.3 微量元素的测定。铁皮石斛含有铜、锌、铁、锰、钙、镁、钾等7种主要微量元素。分别采用GB/T5009.90-2003、GB/T5009.91-2003、GB/T5009.92-2003、GB/T5009.13-2003和GB/T5009.14-2003国家标准规定的方法，分析测定铁皮石斛中各种微量元素的含量。采用原子吸收分光谱仪，其中钾采用火焰光度计测定。

2 仿野生铁皮石斛的种植技术

2.1 种苗选择

把经过田间指标和有机物质检测筛选出的高品质铁皮石斛品种，进行组织培养。用于栽培种植的即是组培驯化苗。驯化苗移栽的成活率是组培苗移到大田栽培的过程成功与否最为关键的指标。一般移栽出瓶的标准是苗根系长到2 cm左右，移栽前先将瓶口敞开进行炼苗，按照循序渐进的原则慢慢加大敞开程度，置于室温下让其适应自然的温湿度条件，一般炼苗时间为4～6 d。待苗适应自然条件后，用镊子取出带有培养基的幼苗，为了防止琼脂发霉引起烂根，要将幼苗置于清水中进行清洗。同时，为了方便栽培管理，提高成活率，洗苗时顺带对苗进行分级，一般分级标准参照幼苗的大小和健壮程度。清洗干净的幼苗在茎叶保湿的情况下，为了便于根系的脱水，最好先阴晾3～4 d。因为清洗干净的幼苗根部由于含水量较高而表现很脆弱，容易受伤感染病菌。阴晾后将苗移栽到疏松基质中，放置在阴凉通风处进行保湿培养。

铁皮石斛具有较强的群体生长效应，为了防止植株生长严重恶化[3]，切忌将株丛拆分成单株栽植，最好采用丛植的种植方式。栽植时，要求选取规格为每丛3株以上，主茎长5 cm以上，4～6节，4～6片叶子，根系发达，植株茎段健壮的苗木。在种植的初期，为了保证成活率，要求温室的室温控制在15 ℃以上。种植后7 d左右，如果观察植株发现叶片和茎的颜色都发生了变化，则表明种苗基本成活。

2.2 基质配制

铁皮石斛喜微酸性或中性的基质，因此在栽培基质选择上，可以考虑松鳞、粗河沙、泥炭土和碎石子等材质，按照不同种类和比例混合均匀即可。例如选用松鳞、泥炭、碎石子等材质，按照6∶2∶2的比例进行配制，结果发现基质存在容易干、水分流失较多的缺点，而且保温效果较差，待天气转凉后将对根系的生长产生不利影响。因此，对基质材质进行替换，将碎石子替换为粗河沙。虽然粗河沙的保温效果较好，幼苗可以顺利过冬，但是粗河沙的基质排水不畅，随着天气转暖又会造成部分铁皮石斛的根系腐烂、茎干干枯。再次对基质进行改良，材料选择锯末和泥炭，按照6∶4的比例进行配制，厚度控制在10～12 cm，经试验认为该基质的配比方式为铁皮石斛幼苗最佳生长配方。随着栽培年限增长，基质也在不断被消化，要满足植株正常生长所需基质厚度，就必须每年对基料进行添加，添加次数以每年1～2次为宜[4]。

2.3 附生种植

选取木榧为附主植物。采用麻绳将铁皮石斛及基质捆绑到树上的方式进行林下仿野生种植[5]。在仿野生种植前，将铁皮石斛驯化苗浸泡在0.2%多菌灵中消毒10 min备用。在附生树中选择光线充足的枝干部位，按20 cm的株距种植。首先处理铁皮石斛的根系，用完全湿润的水苔将其包裹住，然后再裹上锯末和泥炭，要求锯末和泥炭是已经发酵过的。处理完毕后，先用麻绳进行捆绑，再用铁丝将其固定到树上，注意根系伸展[6]。附身树都需安装喷雾系统。

3 智能物联网栽培管理系统

利用智慧农业物联网生产系统对铁皮石斛的生长过程进行全程监测和反馈操作，筛选出铁皮石斛生长的最适环境因子组合，进行新型栽培技术的优化。智慧农业系统将物联网布设于田间的目标区域。

3.1 物联网系统的结构构成

物联网应用系统包含4个子系统，分别为传感信息采集和传输系统、视频监控系统、信息管理与分析系统、控制系统（图1）。

3.1.1 传感器信息采集和传输系统。一是传感器。包括温度、湿度、光照、CO2浓度、土壤EC值、土壤pH值、土壤温度、土壤水分等传感器，用户可根据需要增减。二是现场无线变送器。将传感器信号经调理后通过无线网络发送出去，每个现场变送器可接多路传感器。三是无线路由器。无线信号中继。四是现场监控主机。即通信网关，实现现场无线网络与GPRS/3G公网的信息转换。五是网络融合。将采集的数据信息接入智慧农业平台服务器。六是LED屏幕。接收并显示各路传感器的实时信息，便于农户随时观察各种环境参数。七是智慧农业平台服务器。安装在电信服务器机房内，用户通过浏览器或手机访问该服务。

3.1.2 视频监控系统。该系统采用高精度网络摄像机，系统的清晰度和稳定性等参数均符合国内相关标准。摄像机的图像上传至网络视频服务器，用户可以借助电脑或手机随时随地观看到温室内的实际影像。

3.1.3 信息管理与分析系统。在服务器上建立智慧农业信息管理平台，通过该平台可以对被测对象进行实时数据监控、历史数据存储、数据挖掘与曲线分析、报警管理和综合管理。用户可以根据对各种数据的观察和分析，进行栽培过程的控制决策。同时，系统也可以智能的根据已有的算法自动向控制系统发出各种动作指令。

3.1.4 控制系统。该系统的组成结构主要包括控制设备和相应的继电器控制电路，通过继电器可以实现对喷淋、滴灌等喷水系统等各种农业生产设备的自由控制。控制系统既可以通过智能分析系统实现自动调控，也支持采用人工方式对设备进行操作。

3.2 物联网系统的栽培管理调控

物联网传感器的网络节点大量实时地采集环境信息，包括温度、湿度、光照、气体浓度等内容，同时还精确地获取土壤信息，包括土壤水分、温度、电导率、pH值等内容；然后在数据汇聚节点将这些信息汇集，可以为种植环境的精确调控提供可靠依据。通过将获得的多环境因素优化控制模型转化为具体控制算法，在铁皮石斛生长的各个环节，根据检测到的环境因子参数，对比数据库中的最适环境参数范围，实现执行设备打开关闭的自动化，从而实现栽培环境调控的智能化（图2）。

所有传感器数据全部存储在服务器中，形成物联网数据库。当用户需要查询的时候，系统不仅可以通过各种报表向用户直观地展示空间分布状况（场图）和时间分布状况（折线图），而且还可以提供日报、月报等历史报表，帮助用户进行数据分析和研究（图3）。同时，用户也可以根据长期大量数据的分析，更加深入地了解多种环境因素与作物生长过程，进而对环境优化控制模型进行不断改进和完善。

铁皮石斛属于阴生植物，最佳生长条件为凉爽、湿润、空气畅通的区域。因此，铁皮石斛在栽培养护时，要注意控制好水分，这点比较重要。当物联网的实时监测数据显示植株周边空气湿度低于30%时，系统会自动启动喷雾系统增加空气湿度；当土壤含水量低于系统设定的临界土壤含水量时，喷灌系统会自动打开，进行灌溉。

铁皮石斛生长比较缓慢，不需要施过多的肥料，因为其根、茎、叶可以吸收空气中的养分，并将养分积累成对自己有益的有用成分[7]。如果频繁施入养分，可能会影响铁皮石斛的生长，因为过多的养分可以造成基质表面发绿结痂而影响基质的透气性。但基于铁皮石斛自然生长速度较慢的现状，必须适时适量地提供养分，以促进铁皮石斛的生长。物联网系统会在土壤pH值、EC值发生变化时，通过数据分析，自行判断和反馈需要施肥的种类和数量来进行施肥。

4 结语

目前，在铁皮石斛的组织培养和人工栽培方面已经有较为深入的研究，而且硕果颇丰，运用现代生物技术与现代互联网技术相结合的方法，以木榧为附主植物的仿野生栽培，既还原了铁皮石斛的野生生长环境，又节约了生产成本，并使其种植成活率明显提高。仿野生铁皮石斛栽培模式实施“智能化物联网”管理，对后期管理质量及效率的提高具有明显的作用，形成以“互联网+仿野生”为主导的种植理念，与目前社会上铁皮石斛大面积大棚种植及人工栽培管理的模式相比较，具有明显的优越性[8-15]。

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