智能化植物工廠的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

任如冰 聶茹霞 陳小文 劉魯江 張?zhí)熘?/p>

摘要：近些年，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的不斷探索，智能化植物工廠產(chǎn)業(yè)取得快速發(fā)展，在材料、裝置和技術(shù)方面都取得了快速進(jìn)步。在介紹植物工廠的發(fā)展歷史、主要類型、特點及優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，著重分析了植物工廠的國家分布、技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，并指出存在問題及發(fā)展對策，最后對未來植物工廠的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：植物工廠;主要類型;發(fā)展現(xiàn)狀;展望

1植物工廠概述

1.1定義

是指通過計算機(jī)對設(shè)施內(nèi)作物生產(chǎn)過程中的溫度、濕度、光照、水肥等生產(chǎn)要素進(jìn)行自動控制，使植物不受或很少受自然條件的影響，而實現(xiàn)作物周年生產(chǎn)的高效生產(chǎn)方式。

1.2主要類型及特點

按照光源來源分為人工光型植物工廠、太陽光型植物工廠、太陽光與人工光并用型植物工廠。

1.2.1人工光型植物工廠。是指完全使用人工光源進(jìn)行植物生產(chǎn)的設(shè)施。具有建筑結(jié)構(gòu)為全封閉式;只利用人工光源，光源特性好;采用營養(yǎng)液水耕栽培方式;實現(xiàn)無污染生產(chǎn);對環(huán)境參數(shù)可進(jìn)行精密控制;設(shè)施、裝備成本高，能源消耗大等特點。

1.2.2太陽光型植物工廠。是指利用太陽光（不補光）進(jìn)行植物生產(chǎn)的溫室設(shè)施。具有建筑結(jié)構(gòu)為半封閉式;光源為自然光;配備多種環(huán)境因子的監(jiān)測和調(diào)控設(shè)備;采用營養(yǎng)液水耕栽培與基質(zhì)栽培;主要生產(chǎn)葉菜類和茄果類蔬菜等特點。

1.2.3太陽光與人工光并用型植物工廠。是指利用太陽光與人工光并用型進(jìn)行植物生產(chǎn)的溫室設(shè)施。具有建筑結(jié)構(gòu)為半封閉式;光源為自然光與人工光源;用電較少;受氣候影響較小，作物生產(chǎn)較穩(wěn)定;實用性強(qiáng)，有利于推廣應(yīng)用等特點。

1.3植物工廠發(fā)展歷史

植物工廠的發(fā)展大概分為3個階段：第1個階段為20世紀(jì)40年代至60年代末的試驗階段，以丹麥約克里斯頓植物工廠（1957年，1000m²）、奧地利盧斯那植物工廠（1963年，216m²）等為代表。具有規(guī)模小、采用人工氣候室進(jìn)行控制、運行成本較高等特點。第2個階段為20世紀(jì)70年代至80年代中期的示范應(yīng)用階段，以美國波里達(dá)卡植物工廠（1980年，3000m²）;日本日立公司中央研究所植物工廠（1985年，660m²）等為代表。具有應(yīng)用范圍廣、技術(shù)開發(fā)力度大、示范效果明顯等特點。第3個階段為20世紀(jì)80年代中期至今的快速發(fā)展階段，以瑞典愛伯森植物工廠（20世紀(jì)80年代中期，6100m²）;日本神內(nèi)一21植物工廠（2001年，3000m²）等為代表。具有技術(shù)發(fā)展快、規(guī)模擴(kuò)大、多行業(yè)融合、高科技成果得到充分應(yīng)用等特點。

1.4植物工廠的優(yōu)勢

近年來，隨著世界環(huán)境、資源等問題日漸突出，植物工廠的發(fā)展優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，表現(xiàn)為：作物生產(chǎn)周期性強(qiáng)，可達(dá)到周年生產(chǎn);不施農(nóng)藥，產(chǎn)品安全無污染;多層立體栽培，資源（土地、水肥、空間等）利用率高;作物生長周期短，單位面積產(chǎn)量高;機(jī)械化、自動化程度高，勞動強(qiáng)度低;不受或很少受地理、自然環(huán)境的影響，甚至可在極端氣候區(qū)、外層空間等地區(qū)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等。

2植物工廠發(fā)展現(xiàn)狀

2.1國家分布

目前，植物工廠的發(fā)展以日本、荷蘭、中國最具代表性。其中，日本在人工光型植物工廠方面研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化較決，居領(lǐng)先水平;目前在運營的250余座人工光型植物工廠中，僅有20%處于虧損階段，其余80%保持持平及盈利階段;涉及植物種類有生菜、藥草、種苗等。荷蘭在太陽光及其與人工光并用型植物工廠技術(shù)領(lǐng)域是真正的世界領(lǐng)先，最高產(chǎn)量高達(dá)90kg/m²。中國是植物工廠研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化最活躍的國家，通過引進(jìn)消化、自主研發(fā)創(chuàng)新、應(yīng)用推廣3個階段，各類型植物工廠正在快速、均衡發(fā)展。

2.2技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1栽培形式與栽培技術(shù)。目前，平面多層立體栽培、多面體立體栽培、幕墻式立體栽培、圓柱形立體栽培等栽培形式與之配套的營養(yǎng)液水培、基質(zhì)培、潮溪培、霧培等栽培技術(shù)，因為其作物生產(chǎn)效率高，水肥、空間、土地等利用率高等優(yōu)勢在各國植物工廠被廣泛應(yīng)用。

2.2.2人工光照明技術(shù)。LED光源因為其節(jié)能、環(huán)保、壽命長;光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期可控性強(qiáng);冷光源，可貼近植物照射，空間利用率高;可按植物生長發(fā)育需求調(diào)制光譜等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。目前在人工光型植物工廠中被開發(fā)應(yīng)用的有面板燈、條燈、燈管、燈帶等。同時，行間冠層補光燈、花期燈、條燈等多款LED補光燈在太陽光型植物工廠中也被開發(fā)應(yīng)用。

2.2.3智能環(huán)境控制及自動化管控技術(shù)。智能環(huán)境控制及自動化管控技術(shù)是通過控制設(shè)施內(nèi)溫度、光照、C02濃度、營養(yǎng)液供給等多種生產(chǎn)要素，而達(dá)到節(jié)能高效，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的。智能環(huán)境控制及自動化管控技術(shù)難度較大，需要和其他環(huán)境要素統(tǒng)籌控制，是今后研究開發(fā)的重點。

2.3產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，我國植物工廠產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。但是，植物工廠規(guī)模偏小;生產(chǎn)植物單一;智能環(huán)境控制技術(shù)裝備水平參差不齊;且示范、展示性植物工廠居多，達(dá)到商業(yè)化運行的植物工廠較少，亟待大力推進(jìn)。

3存在問題與發(fā)展對策

3.1存在問題

植物工廠是未來設(shè)施園藝發(fā)展的趨勢，發(fā)展前景廣闊。但不可否認(rèn)，當(dāng)前植物工廠的發(fā)展面臨諸多問題。①投入成本高，主要包括人工光源、營養(yǎng)液設(shè)備和智能環(huán)境調(diào)控、監(jiān)控系統(tǒng)等投入，而這些設(shè)備等成本比較高;②運行成本較高，能耗較大，其中電能消耗巨大;③栽培作物種類較少，主要以葉菜為主;④植物工廠智能化程度低，高成本，低產(chǎn)出;⑤自動化程度低，育苗、移栽、定植、收獲等人工成本高;⑥商業(yè)化模式日漸成熟，但贏利點需要探索。

3.2發(fā)展對策

針對植物工廠產(chǎn)業(yè)面臨的問題，需要從技術(shù)、運營等多方面開展研究。針對當(dāng)前存在的問題，應(yīng)對措施如下：（1）加強(qiáng)植物工廠自動化、智能化技術(shù)的研究，提升集約化、精細(xì)化的管理水平。自動化、智能化水平的提升，有助于實現(xiàn)植物工廠集約化、精細(xì)化管理，可大幅度縮減勞動成本，節(jié)約勞動力。（2）開發(fā)集約高效的植物工廠技術(shù)裝備，實現(xiàn)周年優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。開發(fā)高效的栽培設(shè)施裝備、節(jié)能的照明技術(shù)裝備、智能的環(huán)控裝備等，提升植物工廠智能化水平，有利于實現(xiàn)周年高效生產(chǎn)。（3）開展藥用植物、保健植物、珍稀特蔬菜等高附加值植物工廠化栽培技術(shù)研究，增加植物工廠栽培作物種類，拓寬盈利渠道，提高盈利起點。（4）開展家用型、商用型等植物工廠研究，豐富植物工廠類型，實現(xiàn)多種功能持續(xù)盈利。

4發(fā)展前景與展望

政府和企業(yè)更加重視。政府層面：植物工廠資源高效利用關(guān)鍵技術(shù)被列為農(nóng)業(yè)部“十三五”農(nóng)業(yè)科技發(fā)展規(guī)劃中;植物工廠項目被列入中科院“十三五”重點培育方向;植物工廠項目也列入了福建省重點支持項目。企業(yè)方面：不僅是科研界，電子、醫(yī)療、能源、材料、房地產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)界和企業(yè)也大量投資研究開發(fā)植物工廠技術(shù)。植物工廠研發(fā)類型多樣，應(yīng)用范圍廣闊，符合多元的市場需求。植物工廠發(fā)展的技術(shù)儲備已經(jīng)成熟，產(chǎn)業(yè)雛形已經(jīng)形成，將很快進(jìn)入商業(yè)化快速發(fā)展期。

（收稿：2019—11—08）