植物工廠及其LED照明發(fā)展新動態(tài)

【摘要】植物工廠是設(shè)施園藝發(fā)展的高級階段，是顛覆性農(nóng)作和土地利用方式，對解決21世紀(jì)農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境問題具有重要應(yīng)用價值。LED光源是植物工廠的優(yōu)選光源，具有傳統(tǒng)光源無法比擬的光電和農(nóng)學(xué)應(yīng)用優(yōu)勢，正在快速進(jìn)入商業(yè)化研發(fā)與應(yīng)用層面，產(chǎn)業(yè)前景誘人。文章總結(jié)了植物工廠及其LED照明的發(fā)展新動態(tài)，指出了未來研發(fā)與應(yīng)用重點。

根據(jù)日本千葉大學(xué)原校長古在豐樹教授所著《人工光型植物工廠》和中國學(xué)者楊其長研究員所著的《植物工廠概論》給出的植物工廠定義，植物工廠是一種通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制，實現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是由計算機(jī)對作物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度、營養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行自動控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式。植物工廠充分運用了現(xiàn)代裝備工程、生物技術(shù)、設(shè)施園藝技術(shù)、植物生理原理、植物栽培工程與環(huán)控信息技術(shù)等手段，屬于技術(shù)高度密集型產(chǎn)業(yè)，多年來一直被國際公認(rèn)為是設(shè)施園藝的高級發(fā)展階段，是衡量一個國家農(nóng)業(yè)高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。植物工廠的本質(zhì)特征為生產(chǎn)要素的自動化控制，但植物工廠的自動化水平是有層次的，設(shè)施智能化水平也是有劃分的。因此，植物工廠定義應(yīng)著力闡述其設(shè)施內(nèi)的自動化控制本質(zhì)特征。先前定義著眼于植物工廠高級階段和理想形式，而忽略了植物工廠發(fā)展過程賦存的多種形態(tài)，難以囊括當(dāng)前所有植物工廠的過渡模式，建議進(jìn)行修正。在此建議，植物工廠應(yīng)是指與植物生長發(fā)育直接相關(guān)部分或全部生產(chǎn)要素（環(huán)境因子、水肥供給等）全程可自動化調(diào)控，并具有一定的植物生產(chǎn)流程的空間自動管理功能，實現(xiàn)規(guī)?；咝a(chǎn)，較少或不受外界環(huán)境干擾的種植設(shè)施?；谶@一定義，日光溫室、多層建筑形式的設(shè)施模式均可看作植物工廠，只要它具備定義的本質(zhì)特征[1]。

植物工廠是設(shè)施園藝發(fā)展的

必然趨勢

在全球?qū)用婧椭袊鴩闂l件下，植物工廠的發(fā)展存在其客觀原因和現(xiàn)實必然。在國際層面上，設(shè)施園藝發(fā)達(dá)國家荷蘭、日本、美國、以色列等競相研發(fā)太陽光植物工廠和人工光植物工廠，這是基于全球氣候變化危害、設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展必然趨勢、農(nóng)業(yè)資源環(huán)境承受力、食物安全、社會發(fā)展水平、技術(shù)裝備水平等各種相關(guān)背景綜合作用的耦合驅(qū)動結(jié)果。對中國而言，又存在自己的國情和社會條件。總之，植物工廠是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

第一，全球氣候變化背景。①氣候變化導(dǎo)致極端天氣事件時有發(fā)生，氣候災(zāi)害更加頻繁，使露地農(nóng)田系統(tǒng)生產(chǎn)性能的穩(wěn)定性降低；②氣候變化下溫度、CO2濃度等氣象因素的變化直接影響作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)，人工調(diào)控必要性和迫切性增加，設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)策略需要調(diào)整；③臭氧層破壞導(dǎo)致露地光輻射UV組分增強(qiáng)，影響露地及設(shè)施植物的生長發(fā)育。

第二，國際設(shè)施園藝發(fā)展背景。①設(shè)施農(nóng)業(yè)是環(huán)境控制農(nóng)業(yè)，環(huán)控是基本手段，生產(chǎn)要素的環(huán)控水平首先取決于設(shè)施類型的隔熱保溫、透光性能，塑料大棚、日光溫室、玻璃溫室、連棟溫室和植物工廠的環(huán)控水平逐級提高，是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢；②國際設(shè)施園藝強(qiáng)國均在發(fā)展以水肥一體化管控、環(huán)境因子自動化管控為技術(shù)特征的現(xiàn)代設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)。

第三，農(nóng)業(yè)資源環(huán)境背景。①農(nóng)田環(huán)境污染嚴(yán)重（農(nóng)藥、重金屬、抗生素等），食品安全問題日益突出；②農(nóng)業(yè)資源（土地、水肥、電能等）短缺，質(zhì)量下降。農(nóng)業(yè)資源數(shù)量和質(zhì)量，農(nóng)業(yè)環(huán)境的承載力已無法支撐傳統(tǒng)粗放式設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展，必需實施集約化、工廠化、規(guī)?；a(chǎn)方式，提高資源利用效率，減少環(huán)境廢棄物排放；③農(nóng)業(yè)稀缺植物資源枯竭，需要植物工廠規(guī)?；a(chǎn)，保護(hù)種質(zhì)資源。

第四，食物安全保障背景。①快捷高效、高附加值農(nóng)業(yè)生物周年生產(chǎn)農(nóng)業(yè)協(xié)同迫切需要；②無污染、安全、高保健價值植物產(chǎn)品需求增加。由于生長在干凈無塵的環(huán)境中，不使用殺蟲劑，植物工廠種植出來的蔬菜營養(yǎng)健全，口感不比露天蔬菜差，不需要清洗就能直接品嘗。

第五，社會發(fā)展水平背景。①全球人口在21世紀(jì)持續(xù)增長，對糧食和農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量需求逐年增漲；②城市化進(jìn)程加快，農(nóng)業(yè)勞動力短缺，必然需要提高設(shè)施農(nóng)業(yè)自動化管控水平；（3）城市人口劇增，城市農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢明顯，植物工廠就地產(chǎn)銷優(yōu)勢明顯，減少碳足跡和碳排放。

第六，技術(shù)裝備水平背景。科技發(fā)展驅(qū)動耦合的產(chǎn)物。植物工廠是建立在人們對植物生理學(xué)規(guī)律全面認(rèn)知，以及對蔬菜水培技術(shù)、LED照明技術(shù)、智能控制等技術(shù)、太陽能光伏發(fā)電發(fā)展耦合的產(chǎn)物。

植物工廠的優(yōu)勢與LED光源

應(yīng)用優(yōu)勢

植物工廠應(yīng)用優(yōu)勢

植物工廠不僅極大地擴(kuò)大和延長了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的空間和時間，提高了土、肥、水、光、熱等農(nóng)業(yè)資源的利用率和集約化程度，使單位土地面積的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益成倍增長，還能克服傳統(tǒng)土壤栽培中常見的連作障礙、土傳病害的發(fā)生、土壤肥力下降及因化學(xué)肥料流失而造成的環(huán)境問題的發(fā)生。植物工廠作為一種生產(chǎn)要素高度可控、產(chǎn)能倍增的顛覆性農(nóng)作方式，單位面積食物（蔬菜等）生產(chǎn)效益可達(dá)露地生產(chǎn)的40～108倍，被認(rèn)為是解決食物安全難題的有效途徑之一，受到世界各國的高度重視。中國設(shè)施農(nóng)業(yè)一直是以北方日光溫室和南方塑料大棚為主體的園藝設(shè)施，陷入了低投入-低產(chǎn)出-低效益的惡性循環(huán)中，單產(chǎn)不高，資源環(huán)境代價偏大，迫切需要利用工程手段進(jìn)行變革，實施“環(huán)境替代資源”發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。只有在生產(chǎn)要素高精度條件下，才可改善農(nóng)業(yè)生物的產(chǎn)量、品質(zhì)、生長周期，提高生產(chǎn)效益。中國農(nóng)業(yè)發(fā)展正面臨著人口、資源、環(huán)境的巨大壓力和社會需求持續(xù)增長的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。以工業(yè)化生產(chǎn)理念構(gòu)建工廠化農(nóng)業(yè)正是擺脫耕地、水、氣候等資源和環(huán)境的制約，實現(xiàn)產(chǎn)出高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代可持續(xù)農(nóng)業(yè)的必由之路。國際上，設(shè)施園藝強(qiáng)國爭相發(fā)展植物工廠產(chǎn)業(yè)，以應(yīng)對各種農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。

植物工廠LED光源應(yīng)用優(yōu)勢

人工光照明系統(tǒng)是人工光植物工廠核心技術(shù)裝備，為植物生產(chǎn)提供光合能量和光照信號。熒光燈是傳統(tǒng)光源，LED是新型光源。2種光源的植物生理響應(yīng)機(jī)制已經(jīng)被廣泛揭示，2種光源應(yīng)用的生物學(xué)基礎(chǔ)已非常明確。但是，LED作為新型固態(tài)半導(dǎo)體光源具有熒光燈無法比擬的光電優(yōu)勢[2]，包括：①可按植物生長發(fā)育需求調(diào)制光譜，按需補(bǔ)光，生物光效高；②冷光源，可貼近植物照射，提高空間利用率；③可控性好，可精準(zhǔn)調(diào)控光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期等，適宜工廠化生產(chǎn)；④節(jié)能、環(huán)保、長壽命、體積小、質(zhì)量輕；⑤LED光源裝置多樣（燈板、燈帶、燈管和燈泡），適用于設(shè)施園藝各領(lǐng)域。目前，已有面板燈、條燈、燈管、燈帶等植物工廠用燈被開發(fā)出來并推廣應(yīng)用。同時，太陽光植物工廠多款LED補(bǔ)光燈也被開發(fā)出來，包括行間冠層補(bǔ)光燈、花期燈、條燈等。人工光照明技術(shù)裝備主要包括光源燈具、懸掛系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電源等。

LED在植物工廠中的應(yīng)用發(fā)展

LED植物工廠發(fā)展新動態(tài)

中國植物工廠研發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展已有10余年，取得了輝煌的成果，產(chǎn)業(yè)化雛形初步形成。尤其是在2013年國家863項目“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究”的支持下，植物工廠技術(shù)裝備發(fā)展提速。縱觀植物工廠技術(shù)裝備和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，有以下幾個方面的新動態(tài)。

（1）立體多層無土栽培技術(shù)裝備新動態(tài)。立體多層無土栽培技術(shù)裝備是人工光植物工廠必要的本質(zhì)裝備，也是太陽光植物工廠需要迫切發(fā)展的技術(shù)裝備。當(dāng)前，以營養(yǎng)液膜技術(shù)（NFT，Nutrient Film Technique）和深液流技術(shù)（DFT，Deep Flow Technique）為基礎(chǔ)的多種立體多層無土栽培技術(shù)裝備已經(jīng)開發(fā)出來，適合葉菜類植物生產(chǎn)。當(dāng)前，基質(zhì)栽培草莓、氣霧培栽培葉菜技術(shù)裝備異軍突起，技術(shù)發(fā)展較快。

（2）智能控制技術(shù)日新月異。智能環(huán)境控制技術(shù)裝備水平的高低決定著植物工廠的運行效率。智能環(huán)境控制以植物環(huán)境控制原理為基礎(chǔ)，特別需要以環(huán)境因子耦合控制下的植物生理響應(yīng)效應(yīng)作為依據(jù)，已有很大發(fā)展。植物環(huán)控生理機(jī)制正逐步被揭示，耦合控制策略逐漸成熟，出現(xiàn)一批相關(guān)企業(yè)和產(chǎn)品。

（3）產(chǎn)業(yè)發(fā)展異常迅猛。就中國而言，從事植物工廠及相關(guān)技術(shù)裝備研發(fā)的企業(yè)不少于200家。依舊是以珠三角地區(qū)、長三角地區(qū)和環(huán)渤海地區(qū)的大中城市為爆發(fā)地，但呈現(xiàn)出輻射全國，逐步分散的發(fā)展趨勢。目前，新疆、陜西、四川等地均有植物工廠產(chǎn)業(yè)萌發(fā)，發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。涌現(xiàn)出了深圳市智慧未來農(nóng)業(yè)科技有限公司、河南精農(nóng)科技股份有限公司、富昌電子（上海）有限公司和寧波綠脈農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司等知名植物工廠從業(yè)單位。

（4）產(chǎn)業(yè)細(xì)分市場逐步完成。當(dāng)前，植物工廠企業(yè)發(fā)展模式分為技術(shù)裝備型，植物產(chǎn)品銷售型兩種，前者復(fù)制工程，推廣植物工廠系統(tǒng)裝備；后者，應(yīng)用植物工廠生產(chǎn)植物產(chǎn)品，尤其是高附加值植物產(chǎn)品。從銷售產(chǎn)品的種類來看，蔬菜產(chǎn)品、家庭園藝產(chǎn)品是主流。

（5）植物工廠配套裝備制造也發(fā)展迅速。植物工廠所需要的LED光源、層架、營養(yǎng)液、控制系統(tǒng)供應(yīng)商逐年增多。比如，以深圳市添光彩植物光源科技有限公司為代表的光源供應(yīng)商，可提供植物工廠主流波長的燈珠產(chǎn)品，為LED光源創(chuàng)制提供了基礎(chǔ)。

（6）太陽光植物工廠補(bǔ)光產(chǎn)品日益豐富。按照植物光環(huán)境需求理論和基本閾值，結(jié)合LED的光照優(yōu)勢，LED補(bǔ)光燈研發(fā)如火如荼，產(chǎn)品不斷推出，性價比逐年提高。以深圳市博萊凱半導(dǎo)體照明有限公司為代表的水冷式LED補(bǔ)光燈具有市場前景。

（7）高附加值保健型植物成為新寵。普通蔬菜產(chǎn)品因價格低，投入產(chǎn)出比率大，盈利空間有限，故此植物工廠業(yè)主傾向于進(jìn)行高附加值保健型植物生產(chǎn)，甚至進(jìn)行鮮品的深加工，提高附加效益。

（8）國家及各級政府更加支持。隨著國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展，國家領(lǐng)導(dǎo)人對中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所研發(fā)的智能LED植物工廠給予了高度重視和肯定后，植物工廠作為顛覆性的農(nóng)作方式，受到各級政府、行業(yè)學(xué)會協(xié)會政策的利好誘導(dǎo)和資金支持，興業(yè)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)單位呈遞增趨勢，全國呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢。

LED植物工廠光源及其照明研發(fā)新動態(tài)

光照是LED光源植物工廠實施高效植物生產(chǎn)的主要驅(qū)動因素，在調(diào)控植物生長發(fā)育、產(chǎn)量品質(zhì)形成方面具有不可或缺的作用。采納適宜高性價比的LED照明產(chǎn)品在一定程度既決定了LED光源植物工廠的生產(chǎn)效率，也決定著產(chǎn)品商品價值，其重要性不言而喻。

（1）LED光源產(chǎn)品日益豐富。用于植物工廠的LED光源從無到有，從劣質(zhì)到精良，從不能控制到智能控制，從高成本到低價位，LED光源正在全面滿足植物工廠的需求。目前，已有多重型號、系列的LED面板燈，T5和T8規(guī)格的LED燈管和燈條，水冷式大功率LED燈板，大功率LED補(bǔ)光燈，雙向照射LED燈條，這些產(chǎn)品有多家企業(yè)可以提供，產(chǎn)品設(shè)計自由度大，可很好地滿足市場需求。但是，LED光源方面依舊缺乏標(biāo)準(zhǔn)，亟待盡快完善制定。

（2）LED節(jié)能高效應(yīng)用技術(shù)正在解決。從LED光源光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期設(shè)置與控制角度，通過合理的光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期協(xié)同耦合調(diào)控，可以在保證植物生長發(fā)育基礎(chǔ)上，提高栽培效率。目前，通過光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期的調(diào)控技術(shù)研究成為探討重點。比如，余意等[3]提出了利用生菜的弱光適應(yīng)性，利用LED弱光提高生產(chǎn)效率。國際上，有關(guān)植物工廠LED光環(huán)境調(diào)節(jié)提高蔬菜品質(zhì)的研究很多，Bian等[4]做了系統(tǒng)的綜述。

（3）LED連續(xù)光照成為熱點。連續(xù)光照是縮短植物生育周期，提高產(chǎn)量，改善品質(zhì)的重要光照方法，對特定植物種類具有應(yīng)用前景[5]。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所在國家自然科學(xué)基金面上項目“LED紅藍(lán)光連續(xù)照射對高氮水培生菜AsA代謝網(wǎng)絡(luò)影響機(jī)理及其節(jié)律效應(yīng)”和青年項目“短期連續(xù)LED光照下水培生菜硝酸鹽代謝規(guī)律及影響機(jī)理研究”的資助下開展了長期的研究工作。該研究將揭示連續(xù)光照的作用機(jī)制，植物響應(yīng)及其節(jié)律效應(yīng)策略，最終為連續(xù)光照在植物工廠中的應(yīng)用提供依據(jù)。

（4）LED照明節(jié)律研發(fā)成為焦點。晝夜節(jié)律是植物生長發(fā)育所具有的生理特征，但是在植物工廠恒定光照下植物的節(jié)律會如何變化已成為研究焦點。在充分揭示植物工廠LED紅藍(lán)光條件下植物節(jié)律特征及演變規(guī)律，將為LED光源高效應(yīng)用提供科學(xué)基礎(chǔ)。

（5）LED光源時空控制技術(shù)完成。LED作為冷光源，可接近植物冠層進(jìn)行有效照射，提高光能利用效率[6]。然而，植物從苗期到營養(yǎng)生長階段，甚至生殖生長階段其植株高度有明顯差異。因此，為了提高植物整個生育期的光能利用效率，有必要將LED的光源進(jìn)行垂直高度的調(diào)控，使得LED光源距離冠層位置相對恒定，達(dá)到節(jié)能高效的目的。

（6）LED光配方日益豐富。目前，植物工廠所能栽培的植物種類十分有限，必需不斷擴(kuò)展植物工廠可生產(chǎn)的植物種類，增加葉菜、根菜、莖菜、藥用植物、花卉等種類和品種。驗證新植物種類、品種可在植物工廠里規(guī)?；a(chǎn)的基礎(chǔ)是光配方的建立，只有建立高效的光配方，才能實現(xiàn)光環(huán)境智能管控，才能生產(chǎn)出高商品性的植物產(chǎn)品。

（7）植物工廠蔬菜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)光照技術(shù)完善。優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)是植物工廠生產(chǎn)的目標(biāo)，光環(huán)境調(diào)控是實現(xiàn)植物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的主要途徑之一。通過光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期調(diào)控可以改變植物的養(yǎng)分吸收、初級代謝和次級代謝過程，調(diào)控植物體內(nèi)糖、維生素、類黃酮、酚酸等物質(zhì)的合成、代謝和累積，最終影響植物可食部分的保健功能。目前，除光合有效輻射外，紫外輻射在調(diào)控品質(zhì)方面作用獨特，合理的紫外輻射劑量將是研究的重點。

結(jié)語

植物工廠發(fā)展前景廣闊，未來5～10年將達(dá)到普及應(yīng)用水平。植物工廠發(fā)展的推動力主要來源于以下幾個方面。

首先，國家和企業(yè)加大了對植物工廠研究與開發(fā)的投入與力度，業(yè)界信心倍增。國家層面對植物工廠發(fā)展十分認(rèn)可，具體體現(xiàn)在以下軍3個事件上。①2013年國家“十二五”863計劃項目“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究”在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所立項啟動，表明了國家層面對植物工廠研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化前景的認(rèn)可，具有里程碑式的意義。②2016年6月3日，由中國農(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“設(shè)施植物環(huán)境工程團(tuán)隊”自主研發(fā)的“智能LED植物工廠”成果亮相國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展，受到了國家領(lǐng)導(dǎo)人的高度關(guān)注，這對植物工廠產(chǎn)業(yè)化具有積極的推進(jìn)作用。③2016年6月17日中國照明學(xué)會農(nóng)業(yè)照明專業(yè)委員會成立，成為以LED植物工廠照明為主導(dǎo)的植物工廠推進(jìn)的全國性組織平臺。以上3件大事均突出表現(xiàn)了國家層面對植物工廠及其相關(guān)技術(shù)裝備研發(fā)的認(rèn)可和持續(xù)支撐，奠定了植物工廠及其相關(guān)技術(shù)研發(fā)的可持續(xù)性。國家層面的認(rèn)可與支持，從關(guān)鍵共性技術(shù)、產(chǎn)學(xué)研平臺、公共認(rèn)知等方面，推動了植物工廠及LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

其次，植物工廠發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)儲備已經(jīng)成熟，產(chǎn)業(yè)雛形已經(jīng)形成，將很快進(jìn)入產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展期。目前，已有200家以上的企業(yè)涉獵到植物工廠產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，推出了整體或部分組件產(chǎn)品。因此，在眾多利好條件的推動下，在社會發(fā)展迫切需求的促進(jìn)下，在跨界創(chuàng)新的不斷創(chuàng)造中，中國的植物工廠研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展必將大放異彩，躋身世界植物工廠產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國之列。

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