植物工廠技術(shù)：種植不靠天地？

楊其長(zhǎng)

數(shù)九寒天，如果嫌天氣冷，或者嫌菜價(jià)貴，又或者擔(dān)憂蔬菜安全和品質(zhì)問(wèn)題，不妨在自家陽(yáng)臺(tái)或者客廳里放置一臺(tái)冰箱大小的“家庭植物工廠”，種植自己喜歡的葉類蔬菜，實(shí)現(xiàn)自給自足。這，不是科學(xué)幻想，而是不久就能享受到的高新技術(shù)服務(wù)，讀者朋友們趕緊來(lái)先睹為快吧！

何為植物工廠？

植物工廠是一種通過(guò)設(shè)施內(nèi)高精度的環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是由計(jì)算機(jī)對(duì)植物生育過(guò)程的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制，不受或很少受自然條件制約的全新生產(chǎn)方式。植物工廠的生產(chǎn)脫離了天（太陽(yáng)），由人工光源代替；也脫離了地（土壤），由營(yíng)養(yǎng)液代替，實(shí)現(xiàn)了可控環(huán)境下的高效生產(chǎn)。

由于智能植物工廠充分運(yùn)用了現(xiàn)代工業(yè)、生物工程和信息技術(shù)等手段，技術(shù)高度密集，一直被國(guó)際上公認(rèn)為是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的最高級(jí)階段，也成為衡量一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。此前，僅有日本、美國(guó)、荷蘭等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家掌握這項(xiàng)技術(shù)。

植物工廠的多重優(yōu)勢(shì)

智能植物工廠不占用農(nóng)用耕地，產(chǎn)品安全無(wú)污染，操作省力，機(jī)械化程度高，單位面積產(chǎn)量可達(dá)露地的幾十倍甚至上百倍，因此被認(rèn)為是21世紀(jì)解決人口、資源、環(huán)境問(wèn)題的重要途徑，也是未來(lái)航天工程以及對(duì)月球和其他星球的探索過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)食物自給的重要手段。

該技術(shù)的突破，將有助于解決人類發(fā)展面臨的諸多困惑，甚至可以實(shí)現(xiàn)在荒漠、戈壁、海島、水面等非可耕地，以及城市的摩天大樓里進(jìn)行作物生產(chǎn)。通過(guò)利用取之不盡的太陽(yáng)能，加上一定的水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，就可源源不斷地為人類生產(chǎn)所需要的食品。近年來(lái)，一些耕地資源緊缺的發(fā)達(dá)國(guó)家正在加大資金與技術(shù)的投入，加緊智能植物工廠的研發(fā)和推廣。

為植物工廠找“光源”

植物工廠是技術(shù)高度集成的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，也是未來(lái)快速發(fā)展的重大農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)形式，已擁有該項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家及相關(guān)企業(yè)，是不會(huì)輕易讓其他潛在的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手掌握其核心技術(shù)。因此，我國(guó)智能植物工廠的發(fā)展，必須依靠自主研發(fā)，掌握核心技術(shù)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

早在15年前，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所的科研人員就把植物工廠作為科研選題的重要方向之一，通過(guò)開(kāi)展密閉式人工光植物生產(chǎn)系統(tǒng)以及水耕栽培營(yíng)養(yǎng)液在線檢測(cè)和控制系統(tǒng)的研究，為智能植物工廠的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

2005年，我國(guó)的科研人員通過(guò)查閱資料，發(fā)現(xiàn)LED是一種非常好的節(jié)能光源，紅藍(lán)光LED組合，可為植物光合作用提供理想的光譜，是未來(lái)農(nóng)業(yè)與生物領(lǐng)域重要的人工光源?？蒲腥藛T馬上把這一信息與植物工廠聯(lián)系起來(lái)，并設(shè)想，如果將LED用于植物工廠，代替當(dāng)時(shí)的熒光燈，將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。在大家的共同努力下，他們建設(shè)了一座20平方米的小型LED植物工廠試驗(yàn)系統(tǒng)。

由于當(dāng)時(shí)民用LED與植物所需要的光譜成分差距很大，這些科研人員先后與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等國(guó)內(nèi)的多個(gè)相關(guān)科研單位聯(lián)系，花費(fèi)了數(shù)倍于民用LED的價(jià)格，終于共同開(kāi)發(fā)出4套LED植物光源板系統(tǒng)，保證了試驗(yàn)的順利進(jìn)行。在之后的2年多時(shí)間里，科研人員利用LED光源，先后進(jìn)行了植物育苗、葉用蔬菜栽培、藥用植物栽培以及植物組培等試驗(yàn)研究，取得了一大批原始數(shù)據(jù)，獲得了大量的植物光配方參數(shù)，促進(jìn)了LED植物工廠的發(fā)展。

植物工廠環(huán)境可控

環(huán)境控制是植物工廠的重要子系統(tǒng)之一，包括對(duì)植物工廠的溫度、相對(duì)濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度和光照周期等根上部環(huán)境因子，以及根際環(huán)境因子（EC、pH、DO和液溫）的綜合控制。環(huán)境控制系統(tǒng)由傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等三部分組成。其中傳感器是獲取環(huán)境信息的重要工具，植物工廠傳感器類型一般根據(jù)所需采集的環(huán)境因子來(lái)選定。

由于植物工廠是在完全環(huán)境控制的條件下進(jìn)行生產(chǎn)，所產(chǎn)出的葉菜產(chǎn)品不僅具有外觀整潔、一致性好、無(wú)污染和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)，而且由于生產(chǎn)環(huán)境密閉、潔凈，微生物污染和病蟲(chóng)害很少發(fā)生，無(wú)需使用農(nóng)藥，因此也不用擔(dān)心農(nóng)藥污染。另外，由于全部采用營(yíng)養(yǎng)液栽培方式，嚴(yán)格控制肥料質(zhì)量及水質(zhì)管理，也不會(huì)出現(xiàn)土壤栽培時(shí)發(fā)生的重金屬污染。因此，可以肯定的是，植物工廠生產(chǎn)的蔬菜是無(wú)公害的、可鮮食的、安全程度很高的農(nóng)產(chǎn)品。

智能植物工廠如何生產(chǎn)？

2009年，我國(guó)第一例智能型植物工廠成功建成，下面我們就以它為例，來(lái)看看植物工廠究竟是怎么進(jìn)行生產(chǎn)的？

該植物工廠建筑面積為200平方米，由植物育苗工廠和蔬菜工廠兩部分組成，以節(jié)能植物生長(zhǎng)燈和LED為人工光源，采用“制冷-加熱”雙向調(diào)溫控濕、光照-CO2耦聯(lián)光合調(diào)控、空氣均勻循環(huán)與流通、營(yíng)養(yǎng)液在線檢測(cè)與控制（EC、pH、DO和液溫等）、圖像信息傳輸、環(huán)境數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)控制等13個(gè)相互關(guān)聯(lián)的控制子系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)對(duì)植物工廠的溫度、濕度、光照、氣流、CO2濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)智能化管理。

其中，植物育苗工廠由雙列五層育苗架組成，種苗均勻健壯，品質(zhì)好，單位面積育苗效率可達(dá)常規(guī)育苗的40倍以上，育苗周期可縮短40%以上。蔬菜工廠采用五層栽培床立體種植，栽培方式選用DFT（深液流）水耕栽培模式，所栽培的葉用萵苣從定植到采收僅用20天左右，比常規(guī)大田栽培周期縮短40%，單位面積產(chǎn)量為露地栽培的25倍以上，產(chǎn)品清潔無(wú)污染，商品價(jià)值高。

智能植物工廠的應(yīng)用范例

目前，智能植物工廠已經(jīng)形成普及型植物工廠、島礁植物工廠、家庭低碳智能植物工廠等系列產(chǎn)品。

普及型植物工廠主要作為量產(chǎn)型的植物工廠模式，以追求較高的蔬菜等作物產(chǎn)量，并付出相對(duì)較少的運(yùn)行成本為目標(biāo)。其特點(diǎn)是規(guī)模較大，主要適用于農(nóng)業(yè)園區(qū)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)等。

島礁植物工廠主要作為特殊環(huán)境下的植物工廠模式，在島礁等沒(méi)有土壤、淡水缺乏的環(huán)境下進(jìn)行植物生產(chǎn)，其特點(diǎn)是移動(dòng)性強(qiáng)，主要適用于島礁、哨所等場(chǎng)地。尤其是島礁蔬菜工廠，已成功解決了我國(guó)南海島礁部隊(duì)吃新鮮菜的難題，為國(guó)防事業(yè)做出了突出貢獻(xiàn)。

家庭低碳智能植物工廠是家庭應(yīng)用的箱體式植物工廠，占地空間小，方便搬運(yùn)，外形美觀，智能管控水平高，適用于家庭客廳、廚房或陽(yáng)臺(tái)等室內(nèi)空間，也可用于商場(chǎng)、超市等。主要為家庭提供安全、高品質(zhì)的蔬菜作物。

我國(guó)首例智能植物工廠

2009年，是中國(guó)植物工廠發(fā)展值得紀(jì)念的一年。8月31日，在離第七屆中國(guó)國(guó)際農(nóng)產(chǎn)品交易會(huì)與第八屆中國(guó)長(zhǎng)春國(guó)際農(nóng)業(yè)食品博覽（交易）會(huì)開(kāi)幕僅剩一周時(shí)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物工廠的研發(fā)團(tuán)隊(duì)與北京中環(huán)易達(dá)設(shè)施園藝科技有限公司建設(shè)的國(guó)內(nèi)第一例智能型植物工廠終于宣告成功。該智能型植物工廠在長(zhǎng)春農(nóng)博會(huì)一經(jīng)亮相，就受到170多萬(wàn)觀眾的高度關(guān)注；同時(shí)，也標(biāo)志著我國(guó)在智能植物工廠領(lǐng)域已經(jīng)取得重大技術(shù)突破，成為世界上少數(shù)掌握數(shù)字植物工廠高新技術(shù)的國(guó)家。

未來(lái)，植物工廠技術(shù)還將在節(jié)能環(huán)境管理、資源高效利用以及智能化管控等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域不斷突破，形成一批具有國(guó)際領(lǐng)先水平的重大科技成果，在我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展中起到更大的作用。