把握植物工廠技術產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新焦點

張瑜

周增產(chǎn)，教授級高級工程師，北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司副總經(jīng)理兼總工程師，北京市植物工廠工程技術研究中心主任，首都設施農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新服務聯(lián)盟副理事長，從事設施農(nóng)業(yè)工程技術研究。2005年獲國務院頒發(fā)的享受政府特殊津?qū)＜曳Q號，2014年獲首都勞動獎章稱號，2015年獲北京市勞動模范稱號。獲得農(nóng)業(yè)部中華農(nóng)業(yè)科技一等獎1項、全國農(nóng)牧漁業(yè)豐收二等獎1項，機械工業(yè)科技二等獎1項、科技三等獎2項，北京市科技三等獎3項、推廣一等獎3項，遼寧省科技二等獎1項。在農(nóng)業(yè)工程學報等刊物累計發(fā)表論文60多篇，參加編寫本科教材等書籍3部，參加編寫國家標準2項，地方、行業(yè)標準3項，獲得實用新型專利50多項，發(fā)明專利7項。

著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，“菜籃子”問題以及未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向成為人們關心的話題，而植物工廠正是時代的新興產(chǎn)物。近年來，中國植物工廠1高新技術產(chǎn)業(yè)也在快速推進，以大型植物工廠和微型植物工廠（家庭植物工廠）為主要研發(fā)方向，但是成本高、研究作物種類少和智能化程度低成為阻礙植物工廠投入實際生產(chǎn)的主要原因。只有科技創(chuàng)新才是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心。因此，研究新材料、開發(fā)新能源、提高智能化程度成為解決植物工廠大規(guī)模投入生產(chǎn)的關鍵。

順應時勢，依托北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司建設成立的“北京市植物工廠工程技術研究中心”（以下簡稱“研究中心”），經(jīng)北京市科學技術委員會批準，于2012年8月正式掛牌。該研究中心主要是以提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平、加快都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展為目的，以節(jié)能、減排、環(huán)保為原則，綜合運用節(jié)能、工程、生物技術、自動化等高新農(nóng)業(yè)技術，開展植物工廠工程技術方面的研究開發(fā)、成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化推廣的工作，對于提高農(nóng)業(yè)資源利用率、發(fā)展低碳經(jīng)濟、提升我國設施農(nóng)業(yè)整體技術水平和產(chǎn)業(yè)化進程，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

研究中心以北京通州農(nóng)業(yè)示范園區(qū)為基地，組建了一支凝聚農(nóng)機裝備智能化技術開發(fā)和應用創(chuàng)新的人才隊伍，北京市植物工廠工程技術研究中心主任周增產(chǎn)帶領這支團隊完成了一項又一項課題，研發(fā)了一項又一項的專利，創(chuàng)造了無數(shù)的“之最”，為中國植物工廠技術產(chǎn)業(yè)做出了巨大貢獻。

自主研發(fā) 碩果累累

自研究中心成立以來，周增產(chǎn)帶領其團隊針對當前我國設施生產(chǎn)的智能化程度、生產(chǎn)效率、能源利用、產(chǎn)品質(zhì)量等水平低下的情況，重點在節(jié)約型溫室保溫蓄能材料與結(jié)構(gòu)、可再生能源利用、環(huán)境控制、安全生產(chǎn)裝備等方面進行了研究，并取得了突破性成績。據(jù)介紹，截止目前，研究中心共形成新產(chǎn)品9項；獲得植物工廠相關專利30項，其中，發(fā)明專利5項；共編寫專著1本，發(fā)表文章32篇；參與制定國家標準和行業(yè)標準3項；獲得省部級和行業(yè)協(xié)會獎15項；承擔國家科技部及北京市項目12項。

研究中心非常重視科技成果轉(zhuǎn)化，根據(jù)市場需求不但進行了新產(chǎn)品研發(fā)及成果轉(zhuǎn)化，對早期研發(fā)成果也進行了孵化，對國外價格較為昂貴、運輸維修成本較高的產(chǎn)品進行了引進消化吸收再創(chuàng)新。在植物工廠低碳節(jié)能技術方面，研究中心研發(fā)了符合低碳、綠色、節(jié)能理念的光伏溫室（圖1）、鋁天溝溫室（圖2）、集裝箱植物工廠（圖3）、家庭植物工廠（圖4）等，實現(xiàn)了新產(chǎn)品的科技成果轉(zhuǎn)化，開發(fā)了雙層中空玻璃溫室，并進行了科研及成果轉(zhuǎn)化，與單層中空玻璃溫室相比，實現(xiàn)節(jié)能30%左右。如，光伏溫室的光伏組件鋪設與建筑一體化設計采用光伏采光頂?shù)男问?，即將薄膜太陽電池組件以采光頂形式安裝在溫室屋頂鋼架上，朝向南側(cè)，與地面傾角33°，在不改變原有建筑風格和外觀的前提下，設計了太陽能光伏陣列的結(jié)構(gòu)和布局，增強屋頂使用功能。光伏溫室利用薄膜太陽能電池的光電效應將太陽的光能轉(zhuǎn)換成電能，以滿足溫室大棚中植物對光、溫的需要。再有，鋁天溝溫室是一種節(jié)能低碳型溫室，采用了一種新型鋁天溝，水槽與集露槽結(jié)合成一體，內(nèi)部鋁材經(jīng)過擠壓形成一個中空結(jié)構(gòu)，將溫室和室外空氣隔離，與上部兩側(cè)玻璃形成V字型排水槽，具有較好的抗彎性能，此外該類型溫室的水槽和集露槽是一體化成形，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝便利，外型美觀。相比傳統(tǒng)溫室采用的鋼制天溝，既可以解決溫室內(nèi)冷凝水的收集問題，又可大大減少熱量損失；同時，鋁天溝的截面寬度尺寸比鋼天溝小，具有遮光面積小、隔熱好、防集露等優(yōu)點，可為溫室內(nèi)喜光植物提供優(yōu)質(zhì)的生長環(huán)境。以上2項技術成果目前均已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

在植物工廠自動化裝備方面，研究中心根據(jù)作物從育苗播種到收獲各重要環(huán)節(jié)存在的問題，開發(fā)了多種自動化裝備，可改善人工勞動強度大、勞動效率低下的現(xiàn)狀。在育苗播種設備方面，工程中心研發(fā)的育苗播種成套設備（圖5）具有多種功能，從基質(zhì)原料的破碎、不同基質(zhì)的混合到基質(zhì)自動填盤、精量播種、覆料淋水，不僅使播種速度大大提高，播種質(zhì)量也有所提升。研究中心委托北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站對育苗播種生產(chǎn)線的空穴率、重播率及生產(chǎn)率進行了測試，測試結(jié)果表明，該機的空穴率為3.2%，重播率為3.4%，生產(chǎn)率為26170穴/h，且價格僅為國外的一半，目前已隨溫室工程實現(xiàn)配套銷售。在移栽裝置方面，自主研發(fā)的穴盤苗自動移栽機（圖6）主要由穴盤輸送裝置、移植驅(qū)動機構(gòu)、夾持機構(gòu)、控制機構(gòu)等4部分組成。可實現(xiàn)苗木幼苗由密穴盤移栽到疏穴盤或營養(yǎng)缽中的機械化操作。委托北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站對穴盤苗移栽機的夾持爪數(shù)、移栽頻率等進行了測試，測試結(jié)果表明：該機生產(chǎn)率為1528 穴/h，可實現(xiàn)苗木幼苗由密穴盤移栽到疏穴盤或營養(yǎng)缽中的機械化操作，目前已在通州植物工廠內(nèi)進行了示范應用。在包裝方面，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的盆花套袋自動包裝裝置（圖7）可與盆花分級機（圖8）相配套，在花卉分級后進行自動包裝，該設備可完成自動抓取、套袋、入穴等一系列連續(xù)動作，實現(xiàn)盆花包裝的自動化。該盆花全自動套袋包裝設備制造成本僅為國同類相似設備成本的一半，經(jīng)濟效益顯著，現(xiàn)已示范推廣。以上3項技術均已獲得發(fā)明專利。

此外，研究中心還研發(fā)了基質(zhì)蒸汽消毒機、循環(huán)栽培床、鮮花潮汐灌溉栽培一體化輸送系統(tǒng)、草莓立體栽培裝置、營養(yǎng)液循環(huán)利用裝備、智能移動噴灌機、智能施藥機、采摘車等智能化裝備，這些設施裝備不僅提高了植物工廠內(nèi)自動化水平、解放了勞動力，同時也實現(xiàn)高投入高產(chǎn)出的目的。

落戶基地 產(chǎn)業(yè)孵化

研究中心以通州植物工廠為產(chǎn)業(yè)孵化器，進行研發(fā)、示范、推廣。通州植物工廠主體采用單層結(jié)構(gòu)，整體造型像一艘航空母艦，預示著我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)先進技術揚帆起航，在產(chǎn)學研的方向上駛向成功的彼岸。

據(jù)周增產(chǎn)介紹，通州植物工廠總建筑面積為1289 m2，其內(nèi)部共分為組培播種區(qū)、育（煉）苗區(qū)、生產(chǎn)收獲區(qū)和包裝儲藏區(qū)（圖9、圖10）。目前，通州植物工廠在環(huán)境控制方面，采用集成創(chuàng)新Zigbee和以太網(wǎng)技術，實現(xiàn)作物生長監(jiān)測實時性與環(huán)境控制精確性。植物工廠利用計算機系統(tǒng)對植物工廠內(nèi)部多個環(huán)境因子進行檢測與控制，并利用基于Zigbee植物生長檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)對溫室生產(chǎn)環(huán)境和植物信息進行實時動態(tài)監(jiān)測，運用圖像處理技術和通信技術進行遠距離栽培管理。利用內(nèi)嵌以太網(wǎng)PICNIC芯片開發(fā)基于有線/無線局域網(wǎng)的溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，利用獲取的溫室內(nèi)外環(huán)境條件的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，建立能夠同時反映能耗指標和環(huán)境調(diào)控結(jié)果的能耗與環(huán)境評價模型，確立以最低能耗和適度環(huán)境控制為控制目標的溫室單環(huán)境因子/多環(huán)境因子的預測型環(huán)境調(diào)控戰(zhàn)略，實現(xiàn)適用于溫室生產(chǎn)的節(jié)能預測型溫室環(huán)境智能調(diào)控。在自動化裝備方面，植物工廠實現(xiàn)了從作物播種、移栽、灌溉、施肥、收獲等環(huán)節(jié)的自動化生產(chǎn)。研究中心的研究成果在這里得到有效地示范和推廣，大大提高了植物工廠現(xiàn)代化和自動化水平，有效地節(jié)約了時間、人力和物力。在栽培種植方面，植物工廠內(nèi)完全采用無土栽培，不僅可以防止土傳病蟲害的傳播，同時也可以節(jié)約耕地的使用。

發(fā)展新能源是改變農(nóng)村能源使用結(jié)構(gòu)，減少環(huán)境污染以及促進農(nóng)村社會和諧發(fā)展的重要手段。因此，通州植物工廠積極引入新能源新技術，為北京新農(nóng)村的發(fā)展起到帶頭示范的作用。為實現(xiàn)低碳生產(chǎn)，植物工廠內(nèi)部采用了地源熱泵系統(tǒng)和太陽能發(fā)電系統(tǒng)等新能源。其中，淺層地源熱泵技術主要應用于植物工廠內(nèi)的果菜生產(chǎn)車間、葉菜生產(chǎn)車間及走廊上；太陽能光伏發(fā)電技術主要應用于植物工廠的棚頂，較好的解決了植物工廠運行費用高的難題。

目前，植物工廠內(nèi)主要栽培葉菜和果菜，其中，葉菜主要為生菜，栽植在人工光栽培車間及葉菜太陽光生產(chǎn)車間，人工光栽培車間面積74 m2，采用全封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部環(huán)境完全人工控制，內(nèi)部布置3組4層人工光栽培架，單位面積年產(chǎn)量為145 kg/m2；太陽光型植物工廠葉菜生產(chǎn)車間面積156 m2，內(nèi)部設置有21組固定式單層栽培床和1套霧培生產(chǎn)裝置，采用水培方式進行葉菜類蔬菜生產(chǎn)。果菜栽培車間面積為156 m2，主要生產(chǎn)設施是8組槽式巖棉栽培單元，上方配有生長線及吊鉤，主要進行高品質(zhì)、高產(chǎn)量的西紅柿、彩椒等茄果類蔬菜的種植。

展望未來 發(fā)展推廣

中國植物工廠與歐、美、日等設施農(nóng)業(yè)發(fā)達國家相比，起步較晚，建設發(fā)展速度較快。我國自20世紀以來，已在中國農(nóng)業(yè)科學院、浙江麗水農(nóng)業(yè)科學研究院、中國科技大學、西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學院、新疆生產(chǎn)建設兵團，以及山東壽光、北京通州、長春農(nóng)博會、江蘇無錫、江蘇湯山翠谷、江蘇南京江寧臺創(chuàng)園、福建平潭、山東高清、陜西楊凌、江西宿州等地進行了植物工廠建設，其內(nèi)部以水培、霧培、基質(zhì)培為主，且霧培技術為我國自主創(chuàng)新技術，比國外的營養(yǎng)液水培技術更先進，營養(yǎng)液水培技術只能對植物進行水、肥同補，霧培技術對植物進行水、肥、氣同補，植物生長更快。而且，在節(jié)能方面，無論是營養(yǎng)液水培、霧培技術中養(yǎng)分的利用率，還是水資源的利用率均已經(jīng)達到較高水平。

周增產(chǎn)表示，雖然我國植物工廠技術發(fā)展很快，且霧培技術優(yōu)于國外營養(yǎng)液水培技術，但相比其他植物工廠技術發(fā)達的國家，我國在植物工廠硬件及軟件技術方面還有一定的差距。硬件方面，由于作物生長過程的復雜性，植物工廠內(nèi)自動化裝備與設施農(nóng)藝的結(jié)合方面還需要進一步提升；軟件方面，不同作物的生長所需要的光照、溫度、濕度和營養(yǎng)液等都不相同，同種作物在不同時期不同環(huán)境下的生長需求也不相同，但目前在實際生產(chǎn)過程中，由于缺乏大量的試驗數(shù)據(jù)支持，在作物栽培方面，目前國內(nèi)大部分植物工廠主要基于人工經(jīng)驗進行內(nèi)部調(diào)控，其合理性及準確性有待進一步提高。

對于植物工廠技術產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展，周增產(chǎn)信心十足，并提出了愿景。植物工廠應立足于自主開發(fā)和集成創(chuàng)新，未來將以“低碳節(jié)能技術、自動化裝備技術”為重點，開展植物工廠系列化產(chǎn)品開發(fā)、植物工廠生產(chǎn)自動化裝備技術、以及植物工廠低碳節(jié)能設施的研究。

在植物工廠自動化裝備的研究與應用方面，應積極開展植物工廠內(nèi)物流系統(tǒng)裝備的研究，將植物工廠內(nèi)果蔬產(chǎn)品的育苗、移栽、栽培管理、采收、運輸?shù)淖詣踊悄芑谝惑w，全面提高植物工廠的空間利用率，提高果蔬產(chǎn)量，實現(xiàn)植物工廠內(nèi)果蔬栽培管理的無人化、無污染、高清潔、全智能；進行省力化光源可調(diào)式立體栽培裝置的研制，開發(fā)新型多層可移動式立體栽培床，通過機械設備實現(xiàn)栽培床的運送，實現(xiàn)省力化生產(chǎn)；盡可能減少苗床間的過道，提高設施內(nèi)面積的利用率和作業(yè)效率。

在植物工廠低碳節(jié)能設施的研究與應用方面，重點開展溫室生產(chǎn)信息管理平臺的研究、與熱泵系統(tǒng)聯(lián)用的低溫相變儲能裝置、電熱相變儲能裝置的研究，實現(xiàn)植物工廠化生產(chǎn)設施的低碳化、節(jié)能化。

結(jié)束語

植物工廠作為技術高度密集、資源高效利用的省力型生產(chǎn)方式，已經(jīng)在中國大部分地區(qū)得到了快速的發(fā)展，人們可以告別“面朝黃土背朝天”的耕作方式，以“過程自動化、形式立體化、資源節(jié)能化、生產(chǎn)工廠化、管理標準化”的模式，真正實現(xiàn)高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)的目標。通過不斷地科技創(chuàng)新，在未來將會有更多品種的植物在植物工廠中生產(chǎn)，會有更多的新能源、新材料、新技術在植物工廠中應用，會有更多的人才在植物工廠中工作……

科研創(chuàng)新是一條沒有終點的道路，還需要聯(lián)合一切可以聯(lián)合的力量協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展，讓植物工廠在新經(jīng)濟常態(tài)下，可以更適應現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，成為真正意義上的都市型生態(tài)農(nóng)業(yè)。