植物工厂

植物工厂是什么

植物工厂(Plant Factory)(杨其长2016)是通过对设施内部温度、湿度、光照、CO2浓度等环境参数进行自动化、高精度的控制来实现作物的周年连续生产的高效农业系统。在密闭环境中通过智能化自动化控制系统精确地调控作物生长的环境因子(Ohyama etal.2003)，为作物生长提供适宜的温度、湿度、光照及CO2气体环境(涂俊亮等2015)等，其特征(余锡寿和刘跃萍2016；艾海波等2013)智能化、立体化等[1]。

植物工厂发展历程

1949年，美国植物生理和园艺学家F.W.Went在加州帕萨迪纳建立第一座人工气候室；

1957年，世界上第一座植物工厂在丹麦约克里斯顿农场建成，面积1000m2，属人工光和太阳光并用型，栽培作物为水芹，从播种到收获采用全自动传送带流水作业；

1963年，奥地利卢斯纳公司建造高30米的塔式人工光植物工厂，采用上下传送带旋转式的立体栽培方式种植生菜；

1973年，英国温室作物研究所库珀教授提出了营养液膜法 (NFT)水耕栽培模式，成为植物工厂的一项标准技术；

1974年，日立制作所建成了一座采用计算机调控的花卉蔬菜工厂，通过计算机分析植物工厂温度、光照强度、二氧化碳浓度等对植物生长影响的数据；

1987-1989年，美国在亚利桑那州沙漠中建设了一座微型人工生态循环系统，称为生物圈2号；

1992-2002年，日本在营养液栽培方面推出了深液流(DFT)栽培模式，形成M式、神园式、协和式、新和等量交换式等系统；

2002至今，我国设施园艺发展进入快车道，园艺工作者在无土栽培领域进行大量研究[2]。

植物工厂种类

植物工厂可分为温室型半天候(以荷兰为代表)与封闭型全天候(以日本为代表)两种类型，其核心要素是光环境。根据不同植物对光谱、光质、光强、光周期的不同要求，给予其最适合的光照条件，并配合调节水、肥、温度、湿度等要素，以满足植物的生长需求[3]。

植物工厂优点

相比传统农业种植方式，植物工厂内的植物不受自然环境影响，并可以接受到更适宜的光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养，即使在恶劣气候条件或灾害天气情况下也可以正常连续生产，适用于向干旱、高纬度地区推广。植物工厂可以将植物学与物联网相结合，使用计算机系统对植物培育过程进行精准的控制，进而可以培育在自然条件下难以种植的作物，并实现精准的生长周期控制。

植物工厂采用水培技术，使用营养液向植物供给养分，因此产出的蔬菜不会受到土壤中的重金属污染，无虫害，无农药残留，是真正的安全绿色蔬菜，不需清洗便可直接食用[4]。

植物工厂优点

植物工厂发展现状

国外植物工厂现状：世界上第一座具有现实意义的植物工厂在丹麦建成，早期丹麦在植物工厂领域是处于领军地位的，为植物工厂技术的探索和实践做出了卓越贡献，后来受到国家发展和其他多方面影响被其他国家赶超。

日本最早提出植物工厂的概念，除了日本的大学、科研机构以外，各大商业巨头都在布局植物工厂业务。日本的三菱公司是世界最早进行植物工厂试验的公司，正是这样的企业巨头的推动，植物工厂刚在全球范围内火热的时候，日本就已经建成了各种各样的植物工厂。1989年，日本政府针对本国耕地面积严重不足的情况，加大投资持续建设了100座植物工厂。对建设植物工厂的企业和个人更是直接补贴50%以上，曾经一度成为世界上已经建成植物工厂数量最多的国家。后来的松下公司更是整合多种技术将植物工厂开在了我国大连，目前日本植物工厂已经完全处于商业化发展阶段了。

美国的植物工厂技术最开始是学习荷兰的，其农业公司利用货柜改装成植物工厂，再利用LED光照进行辅助，很大程度的实现了作物增产。在亚基塔尼约卢米德兰都农场美国更是建成了世界上最大的植物工厂。因为其科技力量强大，植物工厂的无土栽培技术、LED光照技术率先被用在了空间站上，并取得了一定研究成果。

现如今国外植物工厂研究已经硕果颇丰，减少运行成本，提高空间利用率，植物工厂转型将成为国外研究的热点。

国内植物工厂现状：相较于国外植物工厂市场的风生水起，国内市场稍稍滞后，因为这一投入还是比

较大的，成本较高。中国农科院环发所曾自主研发“智能LED植物工厂”，以其“土地利用和农作方式的颠覆性技术”，在国家“十二五”科技创新成就展上亮相。自此突破植物工厂技术壁垒，植物工厂技术火速发展。2005年研制出LED植物工厂实验系统，2009年建成首例智能型植物工厂，2010年上海世博会首次展出家庭LED植物工厂，2013年国家正式将“智能化植物工厂生产技术研究”项目列入“863”计划。我国首先学习发达国家成熟先进的植物工厂技术，再结合我国国情以及地域特色独立研究新技术，最终推广普及，仅仅用了几年的时间就完成了从实验阶段向示范阶段的跨越。

植物工厂发展现状

图1.1是安徽昂科丰光电科技有限公司为喀喇昆仑高原边防驻地研发的集装箱式植物工厂，这是一套主要采用晶硅光伏板供电的系统，用光伏发电驱动集装箱内的植物照明灯，可以不受外界恶劣环境影响全天候生产蔬菜。但是它所选用的低功耗LED光源并不具备高精度调节功能。

半导体显示企业京东方在植物工厂领域也有所建树。京东方在北京市大兴区庞各庄建成的植物工厂具备了可调光、智能化、传感器自动感应蔬菜等多种功能。产出蔬菜也直供餐饮门店，但是该植物工厂造价不菲，并不适合小型企业使用。

国内植物工厂技术虽然发展迅速，但是智能化设备方向还是有所欠缺的，植物工厂要求使用的设备精度高，稳定性好，符合要求的国产设备价格高昂，显然没办法大面积推广。基于国内植物工厂发展现状，可以看出未来国内仍然要针对集成化、智能化、实用化、专用化、节能化等方向加大对植物工厂的研究投入，种植植物要向经济价值、研究价值较高的种类转变，要建立相关大数据模型，实现一体化自动控制。此外不管是LED灯还是加温、除湿设备年耗电量都是极大的，能耗的降低也迫在眉睫。在未来植物工厂技术发展上，摆脱对国外技术的模仿，建成真正属于自己的高水平植物工厂是一个重要方向[5]。

CO2在植物工厂中的应用

CO2作为植物光合作用的原料(叶子飘2010)，在植物工厂等设施生产中，由于其自身的密闭性，CO2常处于亏缺状态，限制了植物的光合作用，导致其光合产物积累减少，进而致使产量下降(李清明等2011)。有研究表明，适当地增加CO2浓度，有利于促进光合作用及其产物积累，有利于提高作物产量(王修兰等1994；郭卫华和李天来2003；房世波等2010)，具有显著的“施肥效应”(李清明等2011)。研究结果表明当空气中CO2浓度提高两倍时，黄瓜叶片光合速率几乎呈直线上升(卢育华和申玉梅1994)，大白菜净光合速率增加68%(王修兰等1994)。李荣华(2007)研究结果表明，番茄的光合量子利用效率与CO2浓度呈正相关。

人工光源在植物工厂中的应用

光是植物光合作用的能量来源，也是一种关键的信息源，对植物的形态建成、物质代谢、生长发育及基因表达等均具有调控作用(苏娜娜等2013)。光主要从光照强度、光质、光周期三个方面影响植物的生长发育及解剖学结构(Franklin 2009)，其中光照强度能够调节植物叶绿素蛋白复合体的形成和PSⅠ与PSⅡ之间光合电子传递(Leong andAnderson 1984)。方江保等(2010)研究发现遮光可以降低苦槠的最大净光合速率、光饱和点以及光补偿点，同时能够增加叶绿素相对含量、以及苦槠叶绿素荧光参数最大光化学效率Fv/Fm和潜在活性Fv/F0。光照强度对植物的光合产物积累具有重要的影响，毛立彦等(2012)研究发现光照强度的增加能够促进曼陀罗和紫花曼陀罗的生长发育以及光合产物的积累，叶片厚度、气孔密度、气孔指数以及栅栏组织和海绵组织的厚度等均随光照强度的增加而增加，同时，曼陀罗和紫花曼陀罗茎中的花色素苷、类黄酮以及总酚含量均随光照强度呈正相关增长。钟霈霖等(2011)研究结果表明，光照强度的增加能够改善草莓的综合品质，可以显著影响草莓的总糖、VC、果胶含量。

营养液管理在植物工厂中的应用

营养液为植物生长提供其所需的所有营养成分，因作物生长需求及环境参数的不同，对营养的要求不同。不同营养液中大量元素及微量元素的营养元素含量不同，故为增加效益应根据作物需求进行营养液配方选择。由于不同作物对营养元素的敏感性不一，不适宜的营养液浓度及用量会引发作物不同的生理性病害，导致作物生长环境不均衡而影响作物的正常生长发育，故营养液管理在生产管理中具有重要意义[6]。