家庭植物工廠技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、存在問題及對(duì)策

顧小小+闕寧磊+朱春燕

【摘要】家庭植物工廠是技術(shù)密集的集約型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高新技術(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)，它滿足了人們對(duì)綠色蔬菜的需求和對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)體驗(yàn)的向往。本文介紹了家庭植物工廠的優(yōu)勢(shì)，并分析相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)階段開發(fā)應(yīng)用中存在的問題提出相應(yīng)對(duì)策，對(duì)其未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

概述

概念

從狹義上講，植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)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)作物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行自動(dòng)控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)模式[1]。家庭植物工廠是把大型植物工廠的各種技術(shù)集成在較小的空間里，利用精準(zhǔn)的控制來栽培家庭所需的植物，是一種技術(shù)高度密集，資源高效利用的生產(chǎn)方式[2]。

優(yōu)勢(shì)

家庭植物工廠的研發(fā)具有一定現(xiàn)實(shí)意義，主要有以下優(yōu)勢(shì)：

安全無公害 家庭植物工廠種植的植物全程在全封閉的無菌環(huán)境下生長(zhǎng)，不受自然病蟲細(xì)菌的侵害與環(huán)境污染，不需要施用農(nóng)藥，植物的整個(gè)生長(zhǎng)過程的環(huán)境都處于可控狀態(tài)，種植出來的植物潔凈衛(wèi)生無污染，滿足了人們對(duì)安全綠色無公害蔬菜的需求。

生產(chǎn)效率高 使用家庭植物工廠進(jìn)行種植，可以縮短作物生育期，增加茬數(shù)；單株產(chǎn)量在最適宜的人工環(huán)境下比常規(guī)栽培有所增加，從而大幅度提高產(chǎn)出率。

增添生活樂趣 滿足城區(qū)居民親近自然，體驗(yàn)綠色的渴望；滿足老年人的栽種喜好；孩子可以通過種植活動(dòng)了解植物的生長(zhǎng)知識(shí)、培養(yǎng)動(dòng)手能力；為家庭供應(yīng)食材的同時(shí)，可作為綠色裝飾來美化家居[3]。

對(duì)環(huán)境要求低 家庭植物工廠的種植過程可排除外界環(huán)境的不利影響，適用范圍和區(qū)域較廣。

生態(tài)作用 家庭植物工廠的種植采用資源循環(huán)利用技術(shù)，既提高了資源利用率，又實(shí)現(xiàn)了零污染零排放[4]，系統(tǒng)會(huì)定時(shí)控制栽培區(qū)內(nèi)空氣與家居環(huán)境空氣進(jìn)行氣體交換[5]，顯著改善家庭微生態(tài)環(huán)境。家庭植物工廠讓果蔬實(shí)現(xiàn)了就近生產(chǎn)，就近消費(fèi)，減少中間環(huán)節(jié)，既能保持果蔬的新鮮度，又可減少物流成本和碳排放量[5]。

滿足特殊要求 植物生長(zhǎng)周期穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)周年均衡生產(chǎn)，能定茬如期準(zhǔn)確地供應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品；作物生長(zhǎng)在一個(gè)可控、精確、穩(wěn)定的環(huán)境，能夠像工廠一樣生產(chǎn)出外形及質(zhì)量均符合標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)產(chǎn)品；可以人為培育出最具營養(yǎng)價(jià)值、口味極佳的反季節(jié)果蔬[6]。

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

在一些發(fā)達(dá)國家，家庭植物工廠進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，相關(guān)市場(chǎng)形成了制造和供應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈，普通消費(fèi)者可以便捷地從零售渠道獲得種子、營養(yǎng)液、栽培用具和各種耗材[7]。其中，日本在家庭植物工廠的研究和市場(chǎng)投入方面位居世界前列。日本國民有吃生菜的習(xí)慣，而核電事故后，居民對(duì)蔬菜安全越發(fā)擔(dān)心，一些有實(shí)力的企業(yè)紛紛研發(fā)家庭植物工廠，每年都有新技術(shù)推出[8]。

中國對(duì)家庭植物工廠的研究晚于發(fā)達(dá)國家。近年來，政府極為重視農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，大力推動(dòng)了植物工廠建設(shè)，并已取得一定的規(guī)模和成果。2010年上海世博會(huì)展示的“低碳·智能·家庭植物工廠”，開啟了我國家庭植物工廠商品化的道路。2016年6月，習(xí)近平總書記在參觀國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展展出的“智能LED植物工廠”時(shí)，對(duì)植物工廠產(chǎn)業(yè)的科技成果表示肯定，也對(duì)其未來的發(fā)展提出了期望。

技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

人工光源技術(shù)

光照是植物生長(zhǎng)的能量源泉，家庭植物工廠根據(jù)作物的種類及發(fā)育階段，通過一定的設(shè)施創(chuàng)造良好光照環(huán)境，以提高作物的光合效率。LED具有發(fā)熱少、單色可組合、節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，可大幅度縮小栽培層間距，使空間緊湊，是家庭植物工廠人工光源的理想選擇。

研究結(jié)果表明，植物吸收的光線波段主要是紅光和藍(lán)光，將紅、藍(lán)光按一定配比制成光源，就能滿足植物生長(zhǎng)需求。紅外和遠(yuǎn)紅外等成分主要以熱量的形式出現(xiàn)，而且耗能嚴(yán)重[9]。在家庭生活中，人們比較喜歡接近日光的色彩。目前，家庭植物工廠一般選用組合顏色偏白的光源（如紅、綠、藍(lán)三色LED進(jìn)行組合）來滿足人們的視覺偏好。

營養(yǎng)液栽培技術(shù)

植物生長(zhǎng)離不開的并不是土地，而是土壤中的養(yǎng)料[10]。家庭植物工廠中植物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分是通過調(diào)配好的營養(yǎng)液進(jìn)行補(bǔ)給，植物生長(zhǎng)環(huán)境更潔凈，食品安全更可控，避免了重茬，節(jié)約了土地。營養(yǎng)液栽培使生產(chǎn)管理更趨于自動(dòng)化、技術(shù)流程更簡(jiǎn)化、可操作性更強(qiáng)、生產(chǎn)效率更高。植物的外觀和味道也可以通過控制營養(yǎng)液的種類和數(shù)量等方式改變。

家庭植物工廠的營養(yǎng)液循環(huán)采用多層集中定時(shí)供液、各層獨(dú)立控制流量的方式，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)需要定時(shí)控制營養(yǎng)液的循環(huán)。循環(huán)過程中，通過空氣混入裝置，增加營養(yǎng)液的氧氣含量；通過紫外消毒裝置，對(duì)回流的營養(yǎng)液進(jìn)行消毒；通過供液閥門和回流插芯，有效控制各層營養(yǎng)液的供液速度和液面高度。

人工環(huán)境監(jiān)控技術(shù)

家庭植物工廠完全擺脫了大田生產(chǎn)條件下自然和氣候條件的制約，應(yīng)用智能環(huán)境模擬技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，為植物的生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造出最佳的人工環(huán)境。

傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)各項(xiàng)參數(shù)，完成數(shù)據(jù)采集后傳輸?shù)街锌叵到y(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)存和顯示；中控系統(tǒng)根據(jù)植物在整個(gè)生育期的營養(yǎng)與環(huán)境需求，通過軟件的分析和判斷，向相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送指令，完成對(duì)系統(tǒng)的控制。

溫度 家庭植物工廠內(nèi)的氣溫、營養(yǎng)液或基質(zhì)的溫度對(duì)作物的光合作用、呼吸作用、光合產(chǎn)物的輸送、根系的生長(zhǎng)、水分養(yǎng)分的吸收均有著顯著的影響。將溫度控制在作物生長(zhǎng)所需水平才能使作物有正常的生理活動(dòng)及生化反應(yīng)。當(dāng)栽培區(qū)溫度不適宜時(shí)，可以通過啟動(dòng)制冷器或加熱器使溫度保持設(shè)定值。

濕度 家庭植物工廠內(nèi)的空氣相對(duì)濕度影響作物的葉面蒸發(fā)[6]和光合作用強(qiáng)度。根據(jù)不同作物的品種以及所處生育期對(duì)空氣相對(duì)濕度的要求，可啟動(dòng)加濕或除濕設(shè)備，來保證各層栽培空間的環(huán)境濕度。

CO2濃度 CO2是作物生長(zhǎng)的重要原料，其濃度高低直接影響作物的生長(zhǎng)情況[6]。通過系統(tǒng)精密計(jì)算，可控制栽培區(qū)內(nèi)的空氣與家居環(huán)境進(jìn)行氣體交換，又能防止加熱或制冷后的空氣被排走而造成能源浪費(fèi)。

營養(yǎng)液 作物的根系大部分生長(zhǎng)在營養(yǎng)液中，吸收其中的水分、養(yǎng)分和氧氣。同時(shí)根系分泌的有機(jī)物、脫落的殘根及各種微生物等會(huì)影響營養(yǎng)液的質(zhì)量，而外界溫度會(huì)影響液溫。因此，必須對(duì)營養(yǎng)液的各影響因素進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

在家庭植物工廠中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過信息傳感、視頻監(jiān)控裝置以及網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，實(shí)時(shí)進(jìn)行信息交換、通訊、智能化監(jiān)控、調(diào)節(jié)與控制。人們即使不在家，也可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用手機(jī)、筆記本、iPad等網(wǎng)絡(luò)終端隨時(shí)隨地了解蔬菜長(zhǎng)勢(shì)和相關(guān)信息，調(diào)整控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在線管理、遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)操作。

品質(zhì)調(diào)控技術(shù)

蔬菜是人體攝入硝酸鹽的主要來源，但過量硝酸鹽進(jìn)入人體后，會(huì)轉(zhuǎn)化形成亞硝酸鹽，導(dǎo)致高血紅蛋白癥的發(fā)生。在家庭植物工廠的生產(chǎn)過程中，可控制水氮供應(yīng)來降低蔬菜的硝酸鹽含量，直到允許值以內(nèi)，保障食用安全[11]。

VC是維持人類生長(zhǎng)、繁殖和保證人體健康所必須的營養(yǎng)物質(zhì)。家庭植物工廠生產(chǎn)過程中，采用光與營養(yǎng)調(diào)控等措施，提高葉菜中VC含量從而提高其營養(yǎng)品質(zhì)。除VC外的其他抗氧化物質(zhì)為次生代謝物質(zhì)，如類黃酮、花青素、酚酸等。通過氮素營養(yǎng)與光環(huán)境的協(xié)同調(diào)控，可使次生代謝物質(zhì)等指標(biāo)顯著提升，提高營養(yǎng)保健價(jià)值。

存在問題及應(yīng)對(duì)措施

成本高

家庭植物工廠產(chǎn)出的蔬菜比普通農(nóng)場(chǎng)種植的蔬菜成本要高50%～200%，原因：一是投入成本高，家庭植物工廠對(duì)環(huán)境調(diào)控提出了較高的要求，這些設(shè)施成本都較昂貴；二是生產(chǎn)批量少，單機(jī)生產(chǎn)成本高；三是運(yùn)行和維護(hù)成本高。

通過產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，才有望大幅度降低成本。此外，加大研發(fā)力度，研制成本低廉、性能良好、安裝便捷的智能調(diào)控新設(shè)備、新材料來降低建造成本。開發(fā)節(jié)能技術(shù)，有效利用太陽能、風(fēng)能、生物能、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉纯山档瓦\(yùn)行成本[9]，并促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

能耗大

能源消耗大是限制家庭植物工廠發(fā)展的重要因素之一，人工光植物工廠的能耗主要包括人工光源、空調(diào)及營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)等。為降低能耗，需不斷改進(jìn)箱體隔熱材料和填充工藝；采用人工光源節(jié)能技術(shù)；研究通過熱泵調(diào)溫、光溫耦合節(jié)能調(diào)溫等技術(shù)減少空調(diào)能耗；優(yōu)化營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)組件的設(shè)計(jì)和空氣交換系統(tǒng)的布置，減少電力消耗，降低運(yùn)行維護(hù)成本。

品種少

不同作物生長(zhǎng)所需要的光照、溫度、濕度和營養(yǎng)液等條件都不相同，同種作物在不同時(shí)期的生長(zhǎng)需求也不相同。但是到目前為止，僅有部分作物具有相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)指標(biāo)，還有很多未開發(fā)作物在實(shí)際生產(chǎn)中缺乏生產(chǎn)指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持[2]。需加強(qiáng)對(duì)不同作物水、肥、氣、溫、光等影響要素的深入研究，不斷探索耦合機(jī)制，豐富作物生產(chǎn)管理指標(biāo)，以確保家庭植物工廠可以模擬出各植物的各生育階段所需的生長(zhǎng)環(huán)境并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控。

配套不完善

國外有專門的種子公司，不斷培育各種蔬菜的矮生和迷你品種，以適合小空間栽種。而我國城市居民購買適合家庭種植的蔬菜種子的渠道較少，且品種有限，質(zhì)量也難有保障，這就需要相關(guān)部門和企業(yè)進(jìn)行引導(dǎo)和市場(chǎng)培育。

家庭植物工廠是面對(duì)不具備栽培專業(yè)知識(shí)的普通用戶，各種專業(yè)性較強(qiáng)的操作和設(shè)置往往會(huì)讓用戶無所適從。所以，配套相關(guān)培訓(xùn)、專家服務(wù)以及技術(shù)支持是非常必要的，這樣才能保障家庭植物工廠的正常運(yùn)行。

運(yùn)作模式未成熟

家庭植物工廠的整體研究開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化、后期維護(hù)、配套服務(wù)等內(nèi)容還處于摸索階段，要增強(qiáng)與園藝、照明、電氣等相關(guān)領(lǐng)域的密切協(xié)作，以保證其產(chǎn)品的先進(jìn)性和實(shí)用性；要借鑒發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短；要循序漸進(jìn)增強(qiáng)宣傳培訓(xùn)，推動(dòng)家庭植物工廠的普及和發(fā)展；更應(yīng)盡快制定標(biāo)準(zhǔn)，完善技術(shù)規(guī)程，引導(dǎo)行業(yè)有序發(fā)展。

發(fā)展趨勢(shì)

①家庭植物工廠要融入日常家居生活，在外觀設(shè)計(jì)上應(yīng)注重方便實(shí)用、精巧美觀、便于擺放、易于移動(dòng)；內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要合理分區(qū)以提高利用率并保證安全衛(wèi)生。②應(yīng)向多元化作物的生產(chǎn)環(huán)境控制研究發(fā)展，不斷增加適宜種植的作物品種和類別；不斷拓展功能，在種菜的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵、養(yǎng)水生動(dòng)物等功能，使家庭植物工廠真正成為未來家庭栽培的有機(jī)生態(tài)箱。③考慮面向不同的受眾，拓寬在日常生活中的應(yīng)用范圍，如家居、小區(qū)、寫字樓、商場(chǎng)、餐廳、學(xué)校等，開發(fā)有針對(duì)性、實(shí)用性、藝術(shù)性、趣味性的適合不同場(chǎng)合的微型植物工廠，并實(shí)現(xiàn)按照不同需求進(jìn)行個(gè)性化定制。④早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，降低能耗、降低家庭植物工廠建造、運(yùn)行和維護(hù)成本，才能適用于更多的消費(fèi)者。⑤開發(fā)和完善專家系統(tǒng)，控制軟件需附帶專門的數(shù)據(jù)庫，操作系統(tǒng)必須簡(jiǎn)易便捷；可在線與專家及其他用戶進(jìn)行交流，分享種植體驗(yàn)和收獲，用戶可授權(quán)專家遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：顧小?。?986-），女，江蘇啟東人，工程師，研究方向：農(nóng)業(yè)工程。