家庭植物工厂技术应用现状、存在问题及对策

顾小小+阙宁磊+朱春燕

【摘要】家庭植物工厂是技术密集的集约型现代农业高新技术生产系统，它满足了人们对绿色蔬菜的需求和对现代农业体验的向往。本文介绍了家庭植物工厂的优势，并分析相关技术的应用现状，结合现阶段开发应用中存在的问题提出相应对策，对其未来的发展趋势进行展望。

概述

概念

从狭义上讲，植物工厂是通过设施内高精度环境控制，实现作物周年连续生产的高效农业系统，是由计算机对作物生育过程的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境要素进行自动控制，不受或很少受自然条件制约的省力型生产模式[1]。家庭植物工厂是把大型植物工厂的各种技术集成在较小的空间里，利用精准的控制来栽培家庭所需的植物，是一种技术高度密集，资源高效利用的生产方式[2]。

优势

家庭植物工厂的研发具有一定现实意义，主要有以下优势：

安全无公害 家庭植物工厂种植的植物全程在全封闭的无菌环境下生长，不受自然病虫细菌的侵害与环境污染，不需要施用农药，植物的整个生长过程的环境都处于可控状态，种植出来的植物洁净卫生无污染，满足了人们对安全绿色无公害蔬菜的需求。

生产效率高 使用家庭植物工厂进行种植，可以缩短作物生育期，增加茬数；单株产量在最适宜的人工环境下比常规栽培有所增加，从而大幅度提高产出率。

增添生活乐趣 满足城区居民亲近自然，体验绿色的渴望；满足老年人的栽种喜好；孩子可以通过种植活动了解植物的生长知识、培养动手能力；为家庭供应食材的同时，可作为绿色装饰来美化家居[3]。

对环境要求低 家庭植物工厂的种植过程可排除外界环境的不利影响，适用范围和区域较广。

生态作用 家庭植物工厂的种植采用资源循环利用技术，既提高了资源利用率，又实现了零污染零排放[4]，系统会定时控制栽培区内空气与家居环境空气进行气体交换[5]，显著改善家庭微生态环境。家庭植物工厂让果蔬实现了就近生产，就近消费，减少中间环节，既能保持果蔬的新鲜度，又可减少物流成本和碳排放量[5]。

满足特殊要求 植物生长周期稳定，可实现周年均衡生产，能定茬如期准确地供应农产品；作物生长在一个可控、精确、稳定的环境，能够像工厂一样生产出外形及质量均符合标准的农产品；可以人为培育出最具营养价值、口味极佳的反季节果蔬[6]。

国内外发展现状

在一些发达国家，家庭植物工厂进入产业化阶段，相关市场形成了制造和供应的产业链，普通消费者可以便捷地从零售渠道获得种子、营养液、栽培用具和各种耗材[7]。其中，日本在家庭植物工厂的研究和市场投入方面位居世界前列。日本国民有吃生菜的习惯，而核电事故后，居民对蔬菜安全越发担心，一些有实力的企业纷纷研发家庭植物工厂，每年都有新技术推出[8]。

中国对家庭植物工厂的研究晚于发达国家。近年来，政府极为重视农业科技创新，大力推动了植物工厂建设，并已取得一定的规模和成果。2010年上海世博会展示的“低碳·智能·家庭植物工厂”，开启了我国家庭植物工厂商品化的道路。2016年6月，習近平总书记在参观国家“十二五”科技创新成就展展出的“智能LED植物工厂”时，对植物工厂产业的科技成果表示肯定，也对其未来的发展提出了期望。

技术应用现状

人工光源技术

光照是植物生长的能量源泉，家庭植物工厂根据作物的种类及发育阶段，通过一定的设施创造良好光照环境，以提高作物的光合效率。LED具有发热少、单色可组合、节能环保、寿命长等优势，可大幅度缩小栽培层间距，使空间紧凑，是家庭植物工厂人工光源的理想选择。

研究结果表明，植物吸收的光线波段主要是红光和蓝光，将红、蓝光按一定配比制成光源，就能满足植物生长需求。红外和远红外等成分主要以热量的形式出现，而且耗能严重[9]。在家庭生活中，人们比较喜欢接近日光的色彩。目前，家庭植物工厂一般选用组合颜色偏白的光源（如红、绿、蓝三色LED进行组合）来满足人们的视觉偏好。

营养液栽培技术

植物生长离不开的并不是土地，而是土壤中的养料[10]。家庭植物工厂中植物生长所需养分是通过调配好的营养液进行补给，植物生长环境更洁净，食品安全更可控，避免了重茬，节约了土地。营养液栽培使生产管理更趋于自动化、技术流程更简化、可操作性更强、生产效率更高。植物的外观和味道也可以通过控制营养液的种类和数量等方式改变。

家庭植物工厂的营养液循环采用多层集中定时供液、各层独立控制流量的方式，由计算机系统根据需要定时控制营养液的循环。循环过程中，通过空气混入装置，增加营养液的氧气含量；通过紫外消毒装置，对回流的营养液进行消毒；通过供液阀门和回流插芯，有效控制各层营养液的供液速度和液面高度。

人工环境监控技术

家庭植物工厂完全摆脱了大田生产条件下自然和气候条件的制约，应用智能环境模拟技术和自动控制技术，为植物的生长发育创造出最佳的人工环境。

传感器实时检测各项参数，完成数据采集后传输到中控系统进行储存和显示；中控系统根据植物在整个生育期的营养与环境需求，通过软件的分析和判断，向相关执行机构发送指令，完成对系统的控制。

温度 家庭植物工厂内的气温、营养液或基质的温度对作物的光合作用、呼吸作用、光合产物的输送、根系的生长、水分养分的吸收均有着显著的影响。将温度控制在作物生长所需水平才能使作物有正常的生理活动及生化反应。当栽培区温度不适宜时，可以通过启动制冷器或加热器使温度保持设定值。

湿度 家庭植物工厂内的空气相对湿度影响作物的叶面蒸发[6]和光合作用强度。根据不同作物的品种以及所处生育期对空气相对湿度的要求，可启动加湿或除湿设备，来保证各层栽培空间的环境湿度。

CO2浓度 CO2是作物生长的重要原料，其浓度高低直接影响作物的生长情况[6]。通过系统精密计算，可控制栽培区内的空气与家居环境进行气体交换，又能防止加热或制冷后的空气被排走而造成能源浪费。

营养液 作物的根系大部分生长在营养液中，吸收其中的水分、养分和氧气。同时根系分泌的有机物、脱落的残根及各种微生物等会影响营养液的质量，而外界温度会影响液温。因此，必须对营养液的各影响因素进行监控和调节。

远程监控技术

在家庭植物工厂中引入物联网技术，通过信息传感、视频监控装置以及网络传输系统，实时进行信息交换、通讯、智能化监控、调节与控制。人们即使不在家，也可以通过物联网技术，利用手机、笔记本、iPad等网络终端随时随地了解蔬菜长势和相关信息，调整控制参数，实现在线管理、远程控制、实时操作。

品质调控技术

蔬菜是人体摄入硝酸盐的主要来源，但过量硝酸盐进入人体后，会转化形成亚硝酸盐，导致高血红蛋白症的发生。在家庭植物工厂的生产过程中，可控制水氮供应来降低蔬菜的硝酸盐含量，直到允许值以内，保障食用安全[11]。

VC是维持人类生长、繁殖和保證人体健康所必须的营养物质。家庭植物工厂生产过程中，采用光与营养调控等措施，提高叶菜中VC含量从而提高其营养品质。除VC外的其他抗氧化物质为次生代谢物质，如类黄酮、花青素、酚酸等。通过氮素营养与光环境的协同调控，可使次生代谢物质等指标显著提升，提高营养保健价值。

存在问题及应对措施

成本高

家庭植物工厂产出的蔬菜比普通农场种植的蔬菜成本要高50%～200%，原因：一是投入成本高，家庭植物工厂对环境调控提出了较高的要求，这些设施成本都较昂贵；二是生产批量少，单机生产成本高；三是运行和维护成本高。

通过产业化发展，才有望大幅度降低成本。此外，加大研发力度，研制成本低廉、性能良好、安装便捷的智能调控新设备、新材料来降低建造成本。开发节能技术，有效利用太阳能、风能、生物能、地热能等清洁能源可降低运行成本[9]，并促进可持续发展。

能耗大

能源消耗大是限制家庭植物工厂发展的重要因素之一，人工光植物工厂的能耗主要包括人工光源、空调及营养液循环系统等。为降低能耗，需不断改进箱体隔热材料和填充工艺；采用人工光源节能技术；研究通过热泵调温、光温耦合节能调温等技术减少空调能耗；优化营养液循环系统驱动组件的设计和空气交换系统的布置，减少电力消耗，降低运行维护成本。

品种少

不同作物生长所需要的光照、温度、湿度和营养液等条件都不相同，同种作物在不同时期的生长需求也不相同。但是到目前为止，仅有部分作物具有相对标准化的生产指标，还有很多未开发作物在实际生产中缺乏生产指导和数据支持[2]。需加强对不同作物水、肥、气、温、光等影响要素的深入研究，不断探索耦合机制，丰富作物生产管理指标，以确保家庭植物工厂可以模拟出各植物的各生育阶段所需的生长环境并对其进行适当的调控。

配套不完善

国外有专门的种子公司，不断培育各种蔬菜的矮生和迷你品种，以适合小空间栽种。而我国城市居民购买适合家庭种植的蔬菜种子的渠道较少，且品种有限，质量也难有保障，这就需要相关部门和企业进行引导和市场培育。

家庭植物工厂是面对不具备栽培专业知识的普通用户，各种专业性较强的操作和设置往往会让用户无所适从。所以，配套相关培训、专家服务以及技术支持是非常必要的，这样才能保障家庭植物工厂的正常运行。

运作模式未成熟

家庭植物工厂的整体研究开发、产业化、后期维护、配套服务等内容还处于摸索阶段，要增强与园艺、照明、电气等相关领域的密切协作，以保证其产品的先进性和实用性；要借鉴发达国家的先进经验，取长补短；要循序渐进增强宣传培训，推动家庭植物工厂的普及和发展；更应尽快制定标准，完善技术规程，引导行业有序发展。

发展趋势

①家庭植物工厂要融入日常家居生活，在外观设计上应注重方便实用、精巧美观、便于摆放、易于移动；内部结构设计上要合理分区以提高利用率并保证安全卫生。②应向多元化作物的生产环境控制研究发展，不断增加适宜种植的作物品种和类别；不断拓展功能，在种菜的同时可以实现发酵、养水生动物等功能，使家庭植物工厂真正成为未来家庭栽培的有机生态箱。③考虑面向不同的受众，拓宽在日常生活中的应用范围，如家居、小区、写字楼、商场、餐厅、学校等，开发有针对性、实用性、艺术性、趣味性的适合不同场合的微型植物工厂，并实现按照不同需求进行个性化定制。④早日实现产业化，降低能耗、降低家庭植物工厂建造、运行和维护成本，才能适用于更多的消费者。⑤开发和完善专家系统，控制软件需附带专门的数据库，操作系统必须简易便捷；可在线与专家及其他用户进行交流，分享种植体验和收获，用户可授权专家远程操控系统。

参考文献

[1] 杨其长，魏灵玲，刘文科，等.植物工厂系统与实践[M].北京：化学工业出社，2015.

[2] 邱兆美，赵龙，贾海波.植物工厂发展趋势与存在问题分析[J].农机化研究，2013（10）：230-233.

[3] 李奕颐.家庭种植装置系统研究与设计[D].上海：东华大学，2014：1-55.

[4] 余锡寿，刘跃萍.中国植物工厂产业发展现状及展望[J].农业生产展望，2014（12）：50-55.

[5] 郑晓婷.基于植物工厂的未来生态家电发展趋势探析[J].艺术生活，2014（4）：71-73.

[6] 刘晓洁，杨剑坤.植物工厂数字农业的革命[J].文明，2011（3）：30-48.

[7] 晓东，敖娟.植物工厂或将成长为一个新产业[N].中国建材报，2011-7-11（B03）.

[8] 马爱平.家庭植物工厂能否让生活更开心[N].科技日报，2011-4-6（004）.

[9] 文武.在家里开农场，你准备好了吗[J].环境，2011（Z1）：64-66.

[10] 给作物定制舒服的“家”[J].农民文摘，2016（5）：35-37.

[11] 杨其长.植物工厂的发展策略[J].科技导报，2014（10）：20-24.

作者简介：顾小小（1986-），女，江苏启东人，工程师，研究方向：农业工程。