植物工厂技术：种植不靠天地？

杨其长

数九寒天，如果嫌天气冷，或者嫌菜价贵，又或者担忧蔬菜安全和品质问题，不妨在自家阳台或者客厅里放置一台冰箱大小的“家庭植物工厂”，种植自己喜欢的叶类蔬菜，实现自给自足。这，不是科学幻想，而是不久就能享受到的高新技术服务，读者朋友们赶紧来先睹为快吧！

何为植物工厂？

植物工厂是一种通过设施内高精度的环境控制，实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是由计算机对植物生育过程的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，不受或很少受自然条件制约的全新生产方式。植物工厂的生产脱离了天（太阳），由人工光源代替；也脱离了地（土壤），由营养液代替，实现了可控环境下的高效生产。

由于智能植物工厂充分运用了现代工业、生物工程和信息技术等手段，技术高度密集，一直被国际上公认为是设施农业发展的最高级阶段，也成为衡量一个国家农业高技术水平的重要标志之一。此前，仅有日本、美国、荷兰等少数发达国家掌握这项技术。

植物工厂的多重优势

智能植物工厂不占用农用耕地，产品安全无污染，操作省力，机械化程度高，单位面积产量可达露地的几十倍甚至上百倍，因此被认为是21世纪解决人口、资源、环境问题的重要途径，也是未来航天工程以及对月球和其他星球的探索过程中，实现食物自给的重要手段。

该技术的突破，将有助于解决人类发展面临的诸多困惑，甚至可以实现在荒漠、戈壁、海岛、水面等非可耕地，以及城市的摩天大楼里进行作物生产。通过利用取之不尽的太阳能，加上一定的水分和矿质营养，就可源源不断地为人类生产所需要的食品。近年来，一些耕地资源紧缺的发达国家正在加大资金与技术的投入，加紧智能植物工厂的研发和推广。

为植物工厂找“光源”

植物工厂是技术高度集成的农业系统，也是未来快速发展的重大农业产业形式，已拥有该项技术的国家及相关企业，是不会轻易让其他潜在的商业竞争对手掌握其核心技术。因此，我国智能植物工厂的发展，必须依靠自主研发，掌握核心技术，拥有自主知识产权。

早在15年前，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所的科研人员就把植物工厂作为科研选题的重要方向之一，通过开展密闭式人工光植物生产系统以及水耕栽培营养液在线检测和控制系统的研究，为智能植物工厂的发展奠定了重要基础。

2005年，我国的科研人员通过查阅资料，发现LED是一种非常好的节能光源，红蓝光LED组合，可为植物光合作用提供理想的光谱，是未来农业与生物领域重要的人工光源。科研人员马上把这一信息与植物工厂联系起来，并设想，如果将LED用于植物工厂，代替当时的荧光灯，将是一个重要的发展方向。在大家的共同努力下，他们建设了一座20平方米的小型LED植物工厂试验系统。

由于当时民用LED与植物所需要的光谱成分差距很大，这些科研人员先后与中国科学院半导体研究所等国内的多个相关科研单位联系，花费了数倍于民用LED的价格，终于共同开发出4套LED植物光源板系统，保证了试验的顺利进行。在之后的2年多时间里，科研人员利用LED光源，先后进行了植物育苗、叶用蔬菜栽培、药用植物栽培以及植物组培等试验研究，取得了一大批原始数据，获得了大量的植物光配方参数，促进了LED植物工厂的发展。

植物工厂环境可控

环境控制是植物工厂的重要子系统之一，包括对植物工厂的温度、相对湿度、CO2浓度、光照强度和光照周期等根上部环境因子，以及根际环境因子（EC、pH、DO和液温）的综合控制。环境控制系统由传感器、控制器和执行机构等三部分组成。其中传感器是获取环境信息的重要工具，植物工厂传感器类型一般根据所需采集的环境因子来选定。

由于植物工厂是在完全环境控制的条件下进行生产，所产出的叶菜产品不仅具有外观整洁、一致性好、无污染和营养品质高等优点，而且由于生产环境密闭、洁净，微生物污染和病虫害很少发生，无需使用农药，因此也不用担心农药污染。另外，由于全部采用营养液栽培方式，严格控制肥料质量及水质管理，也不会出现土壤栽培时发生的重金属污染。因此，可以肯定的是，植物工厂生产的蔬菜是无公害的、可鲜食的、安全程度很高的农产品。

智能植物工厂如何生产？

2009年，我国第一例智能型植物工厂成功建成，下面我们就以它为例，来看看植物工厂究竟是怎么进行生产的？

该植物工厂建筑面积为200平方米，由植物育苗工厂和蔬菜工厂两部分组成，以节能植物生长灯和LED为人工光源，采用“制冷-加热”双向调温控湿、光照-CO2耦联光合调控、空气均匀循环与流通、营养液在线检测与控制（EC、pH、DO和液温等）、图像信息传输、环境数据采集与自动控制等13个相互关联的控制子系统，可实时对植物工厂的温度、湿度、光照、气流、CO2浓度以及营养液等环境要素进行自动监控，实现智能化管理。

其中，植物育苗工厂由双列五层育苗架组成，种苗均匀健壮，品质好，单位面积育苗效率可达常规育苗的40倍以上，育苗周期可缩短40%以上。蔬菜工厂采用五层栽培床立体种植，栽培方式选用DFT（深液流）水耕栽培模式，所栽培的叶用莴苣从定植到采收仅用20天左右，比常规大田栽培周期缩短40%，单位面积产量为露地栽培的25倍以上，产品清洁无污染，商品价值高。

智能植物工厂的应用范例

目前，智能植物工厂已经形成普及型植物工厂、岛礁植物工厂、家庭低碳智能植物工厂等系列产品。

普及型植物工厂主要作为量产型的植物工厂模式，以追求较高的蔬菜等作物产量，并付出相对较少的运行成本为目标。其特点是规模较大，主要适用于农业园区、农业生产企业等。

岛礁植物工厂主要作为特殊环境下的植物工厂模式，在岛礁等没有土壤、淡水缺乏的环境下进行植物生产，其特点是移动性强，主要适用于岛礁、哨所等场地。尤其是岛礁蔬菜工厂，已成功解决了我国南海岛礁部队吃新鲜菜的难题，为国防事业做出了突出贡献。

家庭低碳智能植物工厂是家庭应用的箱体式植物工厂，占地空间小，方便搬运，外形美观，智能管控水平高，适用于家庭客厅、厨房或阳台等室内空间，也可用于商场、超市等。主要为家庭提供安全、高品质的蔬菜作物。

我国首例智能植物工厂

2009年，是中国植物工厂发展值得纪念的一年。8月31日，在离第七届中国国际农产品交易会与第八届中国长春国际农业食品博览（交易）会开幕仅剩一周时，中国农业科学院植物工厂的研发团队与北京中环易达设施园艺科技有限公司建设的国内第一例智能型植物工厂终于宣告成功。该智能型植物工厂在长春农博会一经亮相，就受到170多万观众的高度关注；同时，也标志着我国在智能植物工厂领域已经取得重大技术突破，成为世界上少数掌握数字植物工厂高新技术的国家。

未来，植物工厂技术还将在节能环境管理、资源高效利用以及智能化管控等关键技术领域不断突破，形成一批具有国际领先水平的重大科技成果，在我国现代农业的发展中起到更大的作用。