植物工廠項目建設(shè)的價值及關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新探究

李冠男，郭奇梅，高峰，秦冬梅，張慶霞

（甘肅農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730030）

植物工廠農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、機械化和智能化發(fā)展的高級階段，是目前最先進的農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)。植物工廠就是采用高精度環(huán)境控制的智能技術(shù)，給植物創(chuàng)造最適宜生長的人工環(huán)境。高智能植物工廠不僅能夠?qū)ψ魑锷L的溫濕度、光照、二氧化碳濃度、肥料營養(yǎng)液等環(huán)境條件進行控制，作物的生產(chǎn)流程高度清晰，即播種、育苗、定植、收獲、包裝等分工明確，而且利用高度密集的現(xiàn)代裝備、生物技術(shù)、營養(yǎng)液栽培與智能信息技術(shù)等手段，實現(xiàn)高精度的智能化控制，將會顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植對自然條件的依賴，甚至未來在外星球進行植物栽培也成為可能。

1 植物工廠建設(shè)的價值

1.1 帶來了超高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率

植物工廠的作物生長周期大大縮短，能夠一年四季不間斷生產(chǎn)，比如，生菜、小白菜等20d就能收獲，比露天栽培節(jié)省了一半時間。一般作物如果以生長周期按照2個月來計算，每年最多能夠收獲6次，可有效解決全球食品供給問題?；诖?，植物工廠技術(shù)在日本得到了快速發(fā)展，日本借鑒丹麥和荷蘭的植物工廠應(yīng)用經(jīng)驗，早在20世紀80年代，日本就曾經(jīng)展覽了單株13000多個果實的西紅柿王。在奧地利的一家番茄工廠，僅30名員工，番茄日常產(chǎn)量就超過13.7t，且耗電量僅有傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的60%。植物工廠的西紅柿單株產(chǎn)量可過千斤，水稻一年能夠生產(chǎn)6季，黃瓜產(chǎn)量可提高200多倍。

1.2 推動綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展

植物工廠通過配置循環(huán)營養(yǎng)液來滿足作物生長，營養(yǎng)液集合了植物生長所必須的各種營養(yǎng)物質(zhì)、礦物元素和微量元素，能夠在無土栽培環(huán)境下實現(xiàn)快速生長。并且將作物生長完全進行數(shù)字化和智能化控制，從生長發(fā)育的每一個周期到收獲日期都是確定的。植物工廠可以生產(chǎn)大量無公害蔬菜，其產(chǎn)品無污染、無殘留，而且營養(yǎng)價值更高，更快更好而且具有經(jīng)濟效益地實現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)。比如，使用LED補光技術(shù)生產(chǎn)的生菜，Vc和Va分別提高4倍和12倍。在植物工廠模式下生產(chǎn)的作物不僅不受到外界自然條件的限制和影響，而且不受自然病蟲侵害與土壤污染。

1.3 改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式

植物工廠集合了多種高新技術(shù)，能大大節(jié)約人力，改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)靠天吃飯的生存模式，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的顛覆性創(chuàng)新，甚至能改變城鄉(xiāng)經(jīng)濟發(fā)展不平衡的現(xiàn)狀。植物工廠在荒漠、戈壁、海島、水面、城市、建筑，甚至是外太空等不同的非耕作環(huán)境下，都能實現(xiàn)種植，而且大量利用清潔能源，給人類帶來了源源不斷的食品供給。通過立體栽培方式，能大大提升空間利用率和單位面積產(chǎn)能，加高栽培模組層數(shù)，比如，在中科三安植物工廠每年可進行20多次葉菜生產(chǎn)，單位面積產(chǎn)量是露天栽培的100倍以上。目前，日本等發(fā)達國家的植物工廠已經(jīng)實現(xiàn)地下生產(chǎn)，可充分利用城鄉(xiāng)地下室空間。

1.4 具有重要社會實踐價值和科研意義

植物工廠不僅是重要的農(nóng)產(chǎn)品供給基地，也是科研、旅游和商業(yè)交流的重要場所。作為目前最先進的種植模式，目前發(fā)達國家的很多植物工廠已經(jīng)成為了都市人認識農(nóng)業(yè)、認識自然與植物的教育窗口，很多學(xué)生來到植物工廠進行生物技術(shù)興趣實踐，很多都市人來到植物工廠進行參觀休閑。植物工廠還能夠按照人工研究的農(nóng)藝參數(shù)為生長創(chuàng)造仿真最佳生長模式，為農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的研究與運用創(chuàng)造出最好的平臺。尤其是在基因工程方面效果最為顯著，可以利用植物工廠的精準控制技術(shù)最大化表達植物基因，實現(xiàn)目標基因最優(yōu)的目的。

2 植物工廠栽培的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 品種選擇

引進優(yōu)秀園藝作物進行植物工廠培養(yǎng)，品種要適應(yīng)植物工廠生產(chǎn)栽培條件，高質(zhì)高產(chǎn)，市場需求大。比如，日本安濃交系列西紅柿品種，年產(chǎn)量可達55 t/1000 m2。番茄在無土栽培中，地上部煙草花葉病毒和黃化卷葉病毒等較為頻繁出現(xiàn)。因此，在育種中要充分考慮地上部的抗病性。在低段高密度周年栽培中，根據(jù)季節(jié)變化選擇品種，在長季節(jié)栽培中選擇耐病性較強的品種，對于番茄來說，要選擇植株節(jié)間長、冠層透光率高的品種，同時，品種還應(yīng)具有單性結(jié)實的特性。

2.2 育苗技術(shù)

育苗決定了栽培的成敗，采用標準化管理方式，在全封閉育苗室以立體栽培的方式進行育苗，控制內(nèi)部光環(huán)境、溫濕度、氣流、CO2濃度等環(huán)境條件，全天候穩(wěn)定運行。選擇較低強度光照，節(jié)約用電成本，比如，適宜光強度在100～400μmoL/（m2·s）。采用水環(huán)式供應(yīng)系統(tǒng)減少水肥使用量，實現(xiàn)精準管理和控制。

2.3 栽培技術(shù)

采用營養(yǎng)液無土栽培技術(shù)，進一步提高水肥利用率，在栽培種實時對植株的生長狀態(tài)，比如，莖粗、葉面積、葉片數(shù)進行定期監(jiān)測。栽培中對EC值、篩選營養(yǎng)液配方、光照條件、溫度及空氣濕度等相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化，然后利用營養(yǎng)液自動灌溉系統(tǒng)灌溉，以少量高頻為原則。注意作物的吸收量根據(jù)光照和溫度的變化而變化，在栽培中也可以利用植株水分脅迫技術(shù)提高果實品質(zhì)。

2.4 光照管理

光照管理決定了作物能否高效生產(chǎn)，也決定了植物工廠成本，因此，要對光環(huán)境進行精準調(diào)控。充分利用太陽能，雖然前期投入較大，但后期成本會逐漸降低。太陽光中有5%的光能夠被作物利用，因此，要在紅光和藍光的基礎(chǔ)上添加一些特殊光質(zhì)成分。生產(chǎn)中注意不要一味提高光照強度，因為強度過高會產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象，既浪費能源，也影響作物生長。光照利用方式上，以太陽能利用和人工光利用結(jié)合的方式，將太陽光和LED光結(jié)合。為降低能耗，采用太陽能發(fā)電技術(shù)，結(jié)合風(fēng)能發(fā)電等清潔能源技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)能目的。同時，利用光導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)光能的充分利用，不斷優(yōu)化光配方，提高工廠化生產(chǎn)水平。

2.5 環(huán)境控制技術(shù)

植物工廠對栽培空間的潔凈度要求較高，采用智能化裝置對營養(yǎng)液進行精確配置、滅菌、輸送、回收，除定量、自動供應(yīng)和補液外，還要實時監(jiān)控營養(yǎng)液濃度、成分、酸堿度變化，確保作物處于最佳生長環(huán)境。地上部環(huán)境控制方面采用太陽能集熱技術(shù)、熱泵調(diào)溫節(jié)能技術(shù)、噴霧降溫技術(shù)、CO2施用技術(shù)。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，全面分析作物生長狀況，針對每種作物在不同發(fā)育階段的光需量進行調(diào)節(jié)。此外，目前，機器人采收技術(shù)在本基地的應(yīng)用條件還不夠成熟，但逐漸在考慮引入，通過機器人采收不僅可以減少勞動力投入，還能將機器人和智能控制系統(tǒng)結(jié)合起來，提升智能監(jiān)測水平和管理的精確性。

3 基于次生代謝的植物工廠技術(shù)創(chuàng)新

我國目前建設(shè)了多個大型、中型、小型、微型植物工廠，生產(chǎn)了大量苗木、蔬菜、水果、花卉、食用菌、糧食作物、中藥等，但在技術(shù)創(chuàng)新上仍然有待提高。本研究針對日常栽培經(jīng)驗提出了一條創(chuàng)新建議，即在培育過程中，充分利用植物的次生代謝功能，提高作物抗逆性，讓植物在艱苦的環(huán)境中培育出優(yōu)良品質(zhì)。雖然利用次生代謝功能培育的作物產(chǎn)量較低，但品質(zhì)較好，因此，可以通過對植物工廠的環(huán)境控制開啟作物次剩代謝的必要條件。如給植物創(chuàng)造逆境，對植物進行生理脅迫，根據(jù)各種作物次生代謝特點，運用智能技術(shù)加以引導(dǎo)，誘導(dǎo)共同基因，傳遞不同的逆境信號，調(diào)控共同的酶和功能蛋白，產(chǎn)生共同的代謝物質(zhì)，構(gòu)建高效的抗逆防御體系。其中要采用誘導(dǎo)脅迫方式，將營養(yǎng)液控制和誘導(dǎo)脅迫結(jié)合起來，讓植物早期就具有免疫力。具體可采用營養(yǎng)拌種、種子抗性鍛煉及作物生長時期不間斷地進行略帶傷害性的操作，包括間苗、鏟、趟、耘、剪枝、打叉、采摘等，都是開啟次生代謝的良好途徑。

在生長階段不使用農(nóng)藥、激素和除草劑，而是使用有益微生物菌劑進行噴施，讓作物產(chǎn)生內(nèi)源激素。同時，也可以利用智能控制系統(tǒng)模擬災(zāi)害天氣和特殊氣候，給作物施加約束條件，既能讓作物更好地產(chǎn)生抗逆性，又能讓作物病、蟲、草和其它災(zāi)害到來之前開啟次生代謝?？鼓嫘允侵参锱c生俱來的特性，不需轉(zhuǎn)基因，只需要脅迫和背養(yǎng)就可以提升農(nóng)作物品質(zhì)。次生代謝功能和全營養(yǎng)液材料完美匹配，是生態(tài)農(nóng)業(yè)的首選，結(jié)合植物的化感作用能夠有效抑制病蟲害，比如，使用EDTA和植物氨基酸液肥能夠控制作物的生理性病害和土傳病害。

4 結(jié)語

植物工廠是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，描繪了人類未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形態(tài)。當(dāng)前已經(jīng)從傳統(tǒng)光生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展到智慧控制階段，不僅能夠節(jié)約人力勞動，提高產(chǎn)量，而且還能夠控制作物生長形態(tài)。因此，在未來研究中，要結(jié)合基地試驗成功經(jīng)驗，改進植物工廠家庭化技術(shù)，學(xué)習(xí)發(fā)達國家都市農(nóng)業(yè)、家庭園藝生產(chǎn)和前店后場等模式，不斷創(chuàng)新，提升工廠化水平。