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中國學者一直在嘗試對設施園藝技術進行綜合研究和歸納,但對設施園藝技術全貌的把握上還比較模糊,對體系的揭示還不夠完整、深入和科學,專門針對技術分類的研究還處于空白。科學實踐證明,給對象以正確的分類,把握不同類對象的特殊矛盾和特殊運動規律,是科學研究取得成功的關鍵,完備的分類是建立完備學科體系的前提和技術進步的基礎性工作,在宏觀、微觀上都具有理論和現實意義。
(一)技術分類的范疇總體上,設施園藝工程技術主要由生物、環境和工程技術3大部分組成。在傳統農業長期存在的條件下,設施園藝始終是一種先進生產力的代表,其涉及的要素不僅針對生產工具,還要針對生產者、生產對象和生產環境(自然與社會)。設施園藝工程技術是在設施種植生產中實際應用的技術,或者說是應用科學知識或技術發展的研究成果于農業生產,以達到擺脫自然環境和傳統生產條件束縛的工程化手段和方法。在確定技術范疇時,要將一個在不同層次上具有完整功能(實現商品化)的設施園藝工程作為技術依附的主體和對象,以直接或間接地通過設施裝備發揮效用作為表現形式,以經濟、社會、環境效益全面化作為技術的時代特征,將符合上述要求的技術、工藝、材料、產品進行分類研究。
(二)技術分類的方法由于每一項設施園藝工程技術都是以數門基礎學科為理論基礎、以多個應用技術和生產技術為條件,如濕簾降溫系統涉及數學、物理學、材料科學、工程科學等多個基礎學科和應用基礎學科,因此按技術屬性和技術形態來分類不僅會形成過多的技術交叉、也難以反映技術的目的,而應將設施園藝工程本身作為主體,將實現設施園藝的完整功能作為技術分類的基本依據。1.橫向技術鏈條。由于設施園藝的完整功能有賴于產業鏈的有效運轉和產品使用價值的最終體現,因此將技術鏈作為產業鏈的基礎和重要內在依據,使技術內容涵蓋設施園藝產業鏈的全過程,以此為特征在不同層次上橫向展開。設施園藝產業鏈主要包括“育種、生產、貿易”3個主要環節。分類時在“育種”鏈條上以工程化、商品化的籽種技術為主,在“貿易”鏈條上以產地物流、產地加工和質量控制等與設施園藝生產緊密銜接的工程技術為主。2.縱向分類層次。為清晰地揭示設施園藝工程技術系統的結構與功能,采用線分類法進行縱向層次劃分,即將設施園藝工程技術按所選定的若干個屬性或特征逐次地分成相應的類目,并排成一個有層次的、逐漸展開的分類體系。在層級數量上,采用大類、中類、小類、子類4層次,分別反映設施園藝工程技術鏈條、技術環節、技術功能、具體技術手段等屬性?!箢悾夹g鏈條層次):是反映技術鏈條特點的基礎層次,主要是維持產業鏈有效運轉的工程技術,包括與產業鏈直接對應的專項技術體系和為維持整個產業鏈正常運轉所需的公共管理技術體系,具體包括籽種工程技術、設施生產技術、產地物流技術和綜合管理技術4個大類。內容較穩定,受其他技術變化影響小。——中類(技術環節層次):是各技術鏈條中體現其基本特征的技術集合,揭示技術服務的主體與主要行為特征,如種苗工程技術包括籽種、育苗2個環節,產地物流技術包括內部輸送、分級、洗凈、包裝、貯藏保鮮、追溯6個環節等。該類內容會受到技術進步的影響,發生變化的可能性較大。——小類(技術功能層次):是實現各技術環節特定功能的層次,揭示了各環節下技術功能特點和實現功能的基本流程和構成,如種苗工程技術(大類)中的籽種技術(中類)包括育種技術、種子檢測、種子加工等。小類技術綜合性強、受技術變化的影響很大?!宇悾夹g手段層次):是實現微觀技術功能的具體技術手段,包括各種具體的技術措施或方法,進一步揭示出技術功能的實現過程,如種子加工技術(小類)包括清選、分級、干燥、消毒、包衣、包裝等技術等。子類技術種類豐富、手段多樣,受技術變化直接影響,動態性、成長性很強。3.技術分類定位。要盡量使不同層次上的技術點都具有獨立和鮮明的個(特別是較基礎分支),在橫向形成并列關系,原則上以主要屬性和最顯著的功能為依據,而對那些可以發揮多種功能的技術,則按照其主要屬性進行分類定位。如濕簾在溫室或畜舍中兼具降溫和加濕的功能,但生產實踐和功能實現過程上須以通風為前提,因此將降溫作為其主要屬性進行分類;其他如遮陽保溫幕、定比施肥器等也同樣。
二、設施園藝工程技術的全貌
根據上述分類方法,以具有工程技術特點、特別是裝備技術特征為主的技術詳細介紹如下:
(一)種苗工程技術主要包括籽種技術和育苗技術兩個部分。1.籽種技術:包括“育種技術”,如選擇育種、雜交育種、生物育種(基因工程育種、細胞工程育種)、誘變育種技術等;“種子檢驗”,如純度、凈度、發芽率和水分等檢測技術等“;種子加工技術”,如清選、分級、干燥、消毒、包衣、包裝技術等。2.育苗技術:包括“種子處理技術”(如消毒、變溫處理、浸種等技術)、“播種技術”(包括管式、平板式、針擺式、滾筒式等播種技術)、“嫁接技術”(如手動嫁接、半自動嫁接、自動嫁接等技術)、“移苗技術”(如手動移苗、自動化移苗等技術)。
(二)設施生產技術主要包括設計技術、建造技術、環境調節技術、栽培技術、資源利用技術5部分。1.設計技術:包括“工藝設計”(如場區工藝設計、建筑單體工藝設計等技術)、“建筑設計”(如平面功能設計、材料與構造設計等技術)“、結構設計”(如荷載設計、構件強度和穩定性設計、基礎設計等技術)、“給排水設計”(如給水、排水、廢水處理設計等技術)、電氣設計(如常規或可再生供電、配電、自動控制設計等技術)“、采暖設計”(如熱水采暖設計、蒸汽采暖設計、空調、熱電聯產、熱泵等技術)。2.建造技術:包括“骨架材料與工藝”(如新型結構、新型材料、鍍鋅或烤漆等防腐技術、通用連接構件及天溝等標準件)、“圍護材料與工藝”(如專用薄膜、直射或散射專用玻璃、硬質板、鑲嵌材料、密封材料等)、“施工機具”(如專用升降車、各類專用施工工具等)。3.環境調節技術:包括“增溫技術”(如根基增溫、苗床增溫、土壤增溫、地面增溫等)、“降溫技術”(如熱壓通風、風機-濕簾、噴霧、遮陽等技術)、“調光技術”(如補光、光周期控制、遮陽等技術)“、調濕技術”(如加濕技術、除濕技術)“、調氣技術”(如自然通風、強制通風、二氧化碳增施、空氣循環等)、“保溫技術”(如內覆蓋、外覆蓋、密封、隔熱等技術)、“供水技術”(如凈化、消毒、儲水、輸水、噴灌/微灌/滴灌/滲灌/移動灌/潮汐灌等灌溉技術、保水等技術)。4.栽培技術:包括“耕整地技術”(如耕整機、鏵式犁、整地機、旋耕機、微耕機等)“、新型栽培技術(如無土栽培、土壤栽培、營養液栽培等技術)、“施肥技術”(如肥料增施、肥料輸送、定比施肥等技術)、“植物保護”(如物理防治、化學防治、生物防治等技術)、“栽培設施”(如苗床、栽培槽/池、栽培架、空中吊籃、吊掛線等栽培)、“栽培管理技術”(如植株調節、自然授粉、人工輔助授粉、生長調節(化學調節、物理調節)、收獲(采摘車、采摘機器人等技術)。5.資源利用技術:包括“可再生能源利用”(風能、太陽能、生物質能等能源利用技術)、“廢棄物利用”(如無害化處理、廢棄物綜合利用技術)、空間利用(如非耕地利用、多層空間栽培等技術)。
(三)產地物流技術主要包括內部輸送、分級分選、洗凈、包裝、儲藏保鮮、商品追溯6個部分。1.內部輸送:包括“帶式輸送”(如固定式帶、滾軸、單軌、移動、組合式等)、“苗床輸送”(如平面、立體等)、“室內運輸”(如專用手推車、苗盤、成品運輸循環等)“、機動運輸”(如鏟車、吊車、運輸機器人等)。2.分級分選:包括“分級技術”(如機械、介電選、機器視覺、核磁共振分級技術)、“分選技術”(如重力分選、靜電分選技術等)。3.洗凈技術:包括“清洗技術”(如氣泡式、水流式、噴淋式、滾筒式、毛刷式等)、“殺菌技術”(如超聲波、次氯酸液、臭氧、負離子、紫外線、輻照等)。4.包裝技術:包括“包裝材料”(如容器、標簽、包裝帶等)“、包裝機械”(如填充、計量、包裹、封口、扎帶、噴碼等)5.儲藏保鮮:包括“預冷技術”(如風冷、水冷、真空預冷等技術)、“儲藏技術”(包括自然儲藏、機械冷藏、氣調儲藏、減壓貯藏等)、“保鮮技術”(如化學保鮮劑、氣調、保鮮膜/袋、涂膜保鮮、微生物、生物酶、基因工程、輻射、電磁等生物和物理保鮮技術等)。6.商品追溯:主要包括條碼技術、射頻識別、數據庫技術、商品標牌等,這部分技術具有較強的通用性,不僅針對設施園藝生產。
(四)綜合管理技術主要包括信息化管理、標準化、安全生產、現場檢測、設施維護等5部分技術。1.信息化管理:包括“軟件技術”(如環境調控軟件、綜合調控軟件(含水肥等)、運營管理軟件(財務、辦公)等)、“硬件技術”(如氣象與環境傳感器、作物傳感器、遠程傳輸設備、ID識別設備等)、通訊技術(如有線通訊、無線通訊等)。2.管理標準化:包括“操作規程”(如作業流程、操作規程、安全規程等)、“產品標準”(如采收、包裝、儲存等)、“管理定額”(如勞動、生產、成本等定額等)。3.安全生產:包括“工程防疫”(如出入消毒、風幕除塵、雜草抑制等)、“安全應急”(如報警、化雪、防雨、防風等技術)。4.現場檢測:包括“環境檢測”,如溫度、空氣、土壤、光照、濕度等檢測技術;“水體檢測”,如pH值、EC值等檢測技術;“氣體檢測”,如CO2(二氧化碳)、其他有害氣體CO(一氧化碳)、SO2(二氧化硫)、O3(臭氧)等檢測技術;“土壤檢測”,如水分、肥力、酸堿度、有機質、重金屬等檢測技術“;農殘快檢”(生物測定、化學檢測、生化檢測、免疫分析等)。5.設施維護:包括“覆蓋清洗”(如玻璃屋面、塑料板材、棚膜清洗等)、“維修更換”(如玻璃更換、薄膜更換等)。
三、認清技術全貌的作用意義
園藝植物生物技術的課程特點
1擁有自編教材
目前,園藝學院教學團隊使用的教材為我校鞏振輝教授主編的全國普通高等教育“十一五”規劃教材園藝植物生物技術。該教材在選題、內容編排、章節設置等方面均有獨到之處,全書共分14個章節,內容新穎,起點較高,能充分體現本學科的新技術與新方法。每章后有小結、復習思考題及推薦讀物,書后還附有參考文獻,便于學生自學及課后復習。該教材內容上體現了技術的成熟性與前瞻性的統一,選材上體現了基礎理論與實踐操作的統一,是一部寬口徑、厚基礎、重實踐的教科書。該門課程的教案、課件是在該教材的基礎上制定和制作的,其教學內容符合大學本科園藝專業生物技術教學基本目標,結構層次分明,便于循序漸進的學習。
2課外學習資料豐富
植物生物技術是新興學科,知識更新速度較快。該課程教學團隊根據學科特點,依托西北農林科技大學圖書館的豐富館藏資源,向學生推薦國內外植物生物技術方面的經典教材和論著。同時利用西北農林科技大學購買的多個數據庫,如SpringerLink、ElsevierScienceDi-rect、Wiley-Blackwell等,指導、鼓勵學生在課余時間接觸學科前沿知識,拓寬視野。
3具有良好的實踐教學環境和師資隊伍
該教學團隊是旱區作物逆境生物學國家重點實驗室、農業部西北植物種質資源利用重點開放實驗室、西北農林科技大學蔬菜學研究所的成員,這些基地和實驗室擁有良好的試驗設施和儀器設備,其正在開展的植物細胞學、分子生物學、基因組學研究可以為該課程的實踐教學提供良好條件。在教學的同時,還積極鼓勵學生進入實驗室,開展與該課程相關的科技創新課題,該項目由西北農林科技大學支持。在教學團隊的建設方面,注重新老教師的結合,成員均具有博士學位,團隊中的2名教授負責緒論章節的講授,從全局上為學生講授園藝植物生物技術的概況、發展歷史、應用前景等。對于具體技術內容的講授由3名第一線從事科研工作的青年講師完成。教學內容由團隊集體討論制定,既考慮到教學中的統一性、系統性,又突出生物技術的實用性、創新性,做到優勢互補。
4擁有較好的網絡教學環境
該課程教學團隊依托西北農林科技大學優良的校園網絡環境和網絡課程建設平臺,將教學內容、教學進度與要求、課程習題與參考答案、教學評價意見反饋等內容制作成相應模塊上傳至網絡課程教學平臺。選課學生可以在校內無線互聯網終端憑借學號進行瀏覽和下載,也可利用網絡上傳課程作業、提問問題和對教學效果進行評價[3]。
園藝植物生物技術課程教學中存在的主要問題
1教學內容較多,課時相對不足
園藝植物生物技術內容十分豐富,涉及的知識點較多。目前西北農林科技大學使用的園藝植物生物技術教材內容充實、體系完整,基本囊括了植物組織培養、細胞工程、染色體工程、基因工程、分子標記和基礎生物信息學的全部生物技術內容,信息量和教學任務量均很大。而根據園藝專業本科教學安排,此門課程的理論學時數只有32課時。在教學大綱規定的學時內完成廣泛和綜合的教學內容,而且還要向學生講授植物生物技術領域的新技術、新成果,對于學生的接受能力和教師的授課能力都提出了巨大的挑戰。因此,在教學過程中,如何確定該課程的核心教學內容,合理分配授課時長,體現課程的知識性、系統性、完整性和側重性,成為進行課程教學改革、提升教學質量的重要組成部分。
2授課內容抽象,教學效果參差不齊
按照園藝專業本科教學安排的要求,該門課程是承接農學專業公共基礎課程《生物化學》和《遺傳學》而設置的。課程設計上默認學生已經具備初步的生物技術理論知識,了解簡單基本的實驗技術操作。但經過幾年的教學實踐發現效果并沒有預期理想。在復習生物技術相關理論知識時,學生普遍反映相關內容過于抽象,前期的教學效果不盡理想,很多學生并不真正理解《生物化學》和《遺傳學》的相關內容,只是機械性的記憶而通過考試,沒有達到理解并以此為基礎進行初步應用的要求。這為該門課程內容的正常進行帶來了問題。如何將現代生物學知識與生物技術的具體操作相結合,切實做到科學與技術的統一,理論與實踐的統一,是進行課程建設所面對的新課題。
3實驗教學目的性不強,模式陳舊
按照園藝專業本科教學安排的要求,該門課程還設置了16學時的實驗操作課程,主要內容包括植物DNA的提取(4學時),質粒DNA的提取與酶切檢測(4學時),PCR技術擴增目的片段與酶切檢測(4課時),PCR片段與質粒DNA的連接及大腸桿菌遺傳轉化(4課時)。從課程設計的目的而言,上述4組實驗是一個系統的植物基因克隆的基本操作過程。但是在實際教學過程中發現部分學生易于產生模仿心理,只是機械的重復教師講授的實驗操作,并未主動思考其中涉及的原理以及操作的目的。同時,由于上述4組實驗的時間安排較為分散,均是在理論課程相關知識的講授結束時開設,許多學生覺得實驗內容只是對理論授課的補充,很難將幾個實驗之間建立起聯系,知識網絡不夠清晰。
園藝植物生物技術課程教學改革的思考
針對目前園藝植物生物技術課程中凸顯的問題,依據多年的教學經驗,我通過合理整合優化課程內容,重視教學方法和教學手段的革新,探索和實踐創新教育模式下園藝植物生物技術課程教學改革的新思路、新方法和新舉措。通過教學改革,逐步達到發揮學生學習積極性,培養學生獨立思考能力和創新精神,提高教學質量的目的(表1)。
1優化、整合教學內容
對此門課程理論教學內容的改革,以拓寬專業視野,培養學習興趣,提升學生獨立思考能力為立足點,把握“新、專、系統”的原則。在實際教學中,考慮到教學課時與教學內容的主要矛盾,通過對教材的深入研究,同時結合近年來植物生物學發展的熱點和重要研究領域,確定了植物組織培養和基因工程2個重點教學方向。通過研究教學內容發現,植物組織培養相關知識與基因工程的各自內容均較系統,可以分別作為2個整體進行講授[4]。因此,在課程設置時,建議學院另設一門園藝植物組織培養(20學時),用以全面系統地講授植物組織培養的具體原理和操作技術。與此同時,將園藝植物生物技術的講授重點調整到基因工程方向。2門課程同時開設,互為補充而又不失系統性,經過教學實踐,學生反映較好。
2優化課堂講授,提高教學有效性
園藝植物生物技術課程教學以實驗方法、手段、技術為主要內容,這些內容過于抽象,通過授課形式講授給學生效果較差,有部分學生反映課程內容只能機械的記憶,很難理解。經過大量閱讀國外原版教材發現,如果在講解具體技術時,將其設計原理的發現過程向學生一并講授,帶領學生回到技術創制的時代,將創制人的實驗思路進行剖析,可以收到較好的效果。如在PCR技術的講解過程中,首先向學生講解發明人Mullis所在的時代背景,讓學生了解PCR技術發明前的科學技術發展情況,帶領學生一起分析Mullis的思維方式,啟發學生獨立創造自己的“PCR”反應[5]。稱這種教學方法為生物技術領域的“情景再現”。在實際教學中,學生們反映課程內容較有趣味性,可以激發學生對于生物技術學習的興趣和獨立思考能力,不再像以往那樣跟著教師進行機械的記憶,易于形成初步的科研思想。該方法也要注意授課內容的控制,做到突出重點的同時幫助學生理解教學內容,完成教學任務。
庭院果樹園藝設計主要有兩種:路旁設計和綜合種植。所謂的路邊設計就是把果樹種植在道路的兩邊,對于路旁果樹品種的選擇比較適宜的是高大或者藤蔓類的果樹,這樣選擇的目的是不僅可以乘涼還具有較高的觀賞作用,但是值得注意的是在靠近門窗的地方避免種植這類果樹,主要是考慮讓充足的光進入室內。所謂的綜合種植提倡的是綜合利用,對于庭院的設計也可以按照不同的風格進行不同的種植。由于庭院果樹具有一定的特殊性,一般在改善其實用性上使用的方法主要是采用人工和生物相結合的方法,不僅如此還可以大大提高庭院土地的利用率。在設計庭院的時候,無論院子是什么樣的風格,要想獲得全新的戶外體驗就必須要強化季節性的裝扮。對于室內的布置要遵循室外的布置技巧,目前最流行的庭院設計理念就是室外空間和室內空間和諧地結合在一起進行設計。
2庭院果樹園藝栽培技術
2.1種植
種植前需要做充足的準備。對庭院果樹進行定植的時候要一次性進行改土操作。坑需要具有較大的寬度和深度,一般意義上長、寬、高的范圍分別是:1~1.5米,1~1.5米,0.8~1米。在果樹種植之前要進行有機肥的施加,每棵樹的施肥量在30~40公斤之間。選擇樹苗的時候要對它的高度、莖粗、年齡進行充分考慮。這樣可以提高果樹的成活率,并保證結果的時間。在種植樹苗的時候,上枝葉要展開向下,先期填土要求是濕土,然后再繼續填埋。要是樹苗過大,種植的第一年要綁好支架,防止果樹歪斜。
2.2治理
所謂的植后治理,主要就是管理肥料和水分。其一就是基肥的施加,可以提供樹木生長所需要的營養以及大幅度提高產量。每年的秋天即9~10月份施加有機肥,樹齡的大小決定施肥的多少。小樹一般施用20~40公斤的肥料,成年樹施加80~100公斤的肥料,施肥的時候要挖成條狀或者環狀的施肥溝。接著就是追肥,不僅可以給樹苗的成長提供充足的肥料,還可以促進其花芽的分化。對于追肥的方式,筆者認為可以采取量少多施的辦法,分不同的階段進行施肥,在2~3月進行開花期追肥,5~6月份追加的肥料有多種選擇:腐熟有機肥、果樹專用復合肥、草木灰等。施肥過后還要注意澆水。在庭院加水比較方便,但是注意水的堿性不能太高,不宜用肥皂水、洗鍋水等。同時還要注意在雨季的時候排水。
2.3修剪
一年四季對于庭院里的果樹都需要修剪。但是,在不同的時間段進行修剪的量以及技巧是不一樣的。出于果實產量和果實形狀的考慮,對果樹進行整形的時候,要讓其保持適度的密度,良好的光照和通風條件。我們一般選擇在冬季進行修整,同時修整的過程中也要按照果樹的實際情況,如環境、樹齡、生長情況等進行綜合的考慮,在休整過程中讓樹木失去的能量力爭最小,并有一個相對較小的損傷。在樹枝較大的地方,注意分枝,把粗壯頭枝留下,讓樹冠進一步舒展,這樣在外觀上具有較高的審美價值。對于樹上的細小枝干,要有選擇的進行修剪,使其生長減緩,避免和粗枝干葉爭奪養分。
2.4管理
管理是提高產品質量的重要措施。在花期要進行人工授粉,使用各種方法?;ū9?。坐果率較高的時候,要進行一定的疏花疏果,每個花序留1~2個。在疏花期之后的15天便可以進行疏果。要是果實較大的果類,如蘋果、梨建議留一個果實,對于小型的果類如櫻桃、葡萄進行整串的疏果。對果實進行套袋處理,不僅可以防治菌類的侵入,還是生產無公害綠色水果的主要方式,在果實成熟前20天即可把套袋去除,目的是增加光照、增加果實的成色,在傍晚時分進行噴水操作,可以讓果實的光合作用不斷提高,讓果實的糖分增加,同時也有利于果實成色的增加。
3結語