人工光型植物工厂的发展现状及未来技术发展趋势

2020-09-01张树芳

农业工程技术·温室园艺 2020年6期

|摘要|随着国民经济的快速发展，我国植物工厂技术也取得了卓越进展，特别是完全密闭环境中的植物栽培技术，即在人工光利用型植物工厂中栽培作物。文章通过对人工光型植物工厂的发展现状进行分析，对其技术未来发展的趋势展开深入阐述。

人口的增长使得耕地数量日益减少，食品安全和农业从业人口老龄化问题严重，植物工厂应运而生[1]。植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，利用智能计算机和电子传感系统对植物生长的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物的生长发育不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式[2]。当前，植物工厂从光利用方面主要分为两大类，一种是太阳光利用型（又叫封闭型植物工厂），所运用的技术包括现代化营养液栽培技术和物联网环境调控技术;一种是人工光利用型，这是一种植物工厂的高级形式[3]。文章将对人工光型植物工厂的发展现状及技术趋势进行介绍。

人工光型植物工厂的发展现状

国外发展现状

植物工厂最早起源于日本。20世纪80年代，日本和荷兰等国成立了植物工厂协会，推动了植物工厂在世界范围内的普及发展。随着日本福岛核泄漏事件的发生，日本政府对人工光型植物工厂的商业化生产支持力度持续加大，截至目前，日本已有人工光型植物工厂约250个，有盈利能力的约占30%，收支平衡的约占50%，约20%处于亏损状态。在植物种植类型方面，主要有叶菜植物包括生菜、菠菜和冰草等，此外还包括草莓、药草等。对植物工厂技术的开发研究，也不再局限于科研界，还包括电子、医疗、能源、材料和房地产等诸多领域。其中，富士通公司的低钾叶用莴苣（生菜），通过技术创新满足了脏器移植人群的需求，并进行了量化生产[4]。未来，人工光型植物工厂将朝着产业化、自动化和微型化方向发展。

当前，日本在人工光型植物工厂的开发投入，主要集中在人工光源、节能调控、系统设计与建设、营销策略与市场开拓、植物的二次代谢和功能性成分等方面。除日本以外，韩国针对LED厂家展开相关技术的研发和商业化推广，美国重点进行垂直农业和LED创新应用技术的推进，荷兰等欧洲发达国家则率先展开了LED立体栽培和温室补光试验[5-6]。在温室规模建设方面，荷兰多以大型连栋温室为主，日本和韩国则主要以小面积的家庭经营为主，但也有面积达到5万hm2的温室。在设施园艺栽培技术方面日本和韩国远不如荷兰，为了与荷兰温室园艺中的“长季节吊蔓”栽培模式相抗衡，日本推行“低段高密度”等分茬栽培模式，韩国则通过农业互联网信息技术的应用来提高设施产量。综合而言，日本的种苗生产企业拥有较强的专业性，在太阳光型种苗生产和人工光型种苗生产方面均取得了辉煌的成就。

国内发展现状

国内植物工厂起步较晚，但发展速度飞快，一经引入就受到了业内外的关注，并建成了一些规模化的典型企业。历经20年来的发展，中国现有农业科技观光园约6000余个，均建有示范性的组培设施和大型温室设施，在一些新建园区还有一些示范性的人工光型植物工厂。如，国家科学技术委员会“九五”期间的“国家重大科技产业化工程——工厂化高效农业示范工程”。随着中国农业科学院等科教单位在水耕栽培方面研究的不断深入，2004年，中国建立了第一座植物工厂，中国农业从此掀开了智能化发展的新篇章。2009年7月，长春农业博览园建成了小型展示用的植物工厂;同年，中国农业科学院杨其长教授团队研制了智能植物工厂，标志着智能植物工厂技术进一步发展。2010年，北京通州建立1289 m2植物工厂、丽水农业科学院智能温室创新技术与植物气雾培技术日趋成熟[7]，中国也跻身植物工厂核心技术的掌握国之列，目前人工光型植物工厂已经进入示范生产阶段。

近年来，中国的诸多LED厂家也都做了植物生长灯和植物工厂等方面的研发尝试和业务拓展，在宣传中均表示拥有可行性的植物工厂推行方案，但在商业推广中尚无相关规模性的植物工厂及相应的示范性设施。在2013～2017年间由中国科学技术部带头启动的863项目“智能化植物工厂生产技术研究（2013AA103000）”就是以植物工厂技术为重点的一项研究工程。根据2014年统计年报，我国设施园艺面积超过205万hm2，在设施类型方面存在较大的南北差异，北方地区主要以日光温室和春秋大棚为主，南方则主要为塑料大棚和遮雨棚，比较而言，南方地区具有环境控制功能的连栋温室面积不大[8-10]。

人工光型植物工厂的技术趋势

随着人工光型植物工厂的产业化发展，首先受到冲击的是中国的蔬菜供应市场。鉴于中国蔬菜种植具有占地大、品种多、价格低的特点，人工光型植物工厂产业化发展过程中注定会有各种艰难险阻。虽然困难重重，但当前人工智能和大数据等技术的应用以及产学研的深入融合发展为人工光型植物工厂的生产改进与销售对接提供了良好的平台，人工光型植物工厂的技术水平也在不断提高。当前应用比较普遍的核心技术及其未来发展趋势如下。

无土栽培技术

无土栽培技术包括固体基质培和非固体基质培两种基本类型，其中非固体基质培又可分为水培和雾培两种不同形式。人工光型植物工厂在技术应用中对清洁性具有较高要求，当前应用最为广泛的是平面多层立体栽培、营养液水培和与多面体立体栽培形式配套的气雾栽培，相对而言，后者的应用较少[11]。

在无土栽培技术应用中，营养液的配方选择是关键。现有的营养液配方有百余种，研究表明：营养液中的矿质元素直接影響植物的生长情况。孙红敏等在番茄育苗研究中发现，山崎番茄配方对促进番茄生长的效果更佳;而在叶菜无土栽培试验中，荷兰温室配方和华南农业大学叶菜配方总体表现良好[12]。

在人工光型植物工厂中，营养液是必不可少的。营养液需要循环使用，所以营养液自毒物质消除技术十分重要。目前应用比较多的是紫外线消毒、紫外线-臭氧联合消毒、高温消毒、慢砂过滤等形式，但在所累积的自毒物质去除方面的研究并不多。现有的营养液自毒物质去除方法包括活性炭吸附法、纳米TiO2光催化法。其中活性炭吸附技术因其重复利用率不高而不常被应用;纳米TiO2光催化法经紫外线光照之后能有效降解营养液中的6种有害物质[13]。

由于各地自然资源和无土栽培技术的差异性，在中国发展应用中不能照搬国外模式，应充分考虑到中国人口多、耕地面积少的特点，结合本地实际情况，因地制宜地采取差异化的生产方式和管理模式，加大立体栽培技术的研发力度，提高土地利用率和单位面积的产量。为进一步减少无土栽培成本，提升技术应用的经济效益，未来应加大在无土栽培设施替代品方面的研究，以提升该技术的实用性，如用炉渣、锯末代替蛭石、草炭基质等;此外，在节能环保新发展理念下，有机生态型无土栽培技术也会因其投资少、工作量低的优势占据未来市场，并推动现代农业高速发展。

光照技术

在光照技术应用过程中，应注意3点主要内容。第一，光源设备的选择。在人工光型植物工厂中，以前的光源选择多以白炽灯、高压钠灯、荧光灯等作为基础设备，而目前LED灯以其占地小、使用周期长、有效性好、可控性高、节能性强等优点被广泛应用。第二，光环境调控技术的应用。在人工光型植物工厂生产中，光源主要依靠人工制造，LED灯以独特的优势在实践中表明其可在7个维度空间上调节植物生长，满足光的强度、大小、方位等方面的差异性需求。光的强度作为植物进行光合作用的基础，经生产研究发现：在CO2浓度一定的条件下，叶菜类幼苗期的光强度应控制在100～150 μmol/（m2·s），后期控制在300 μmol/（m2·s），瓜类育苗光强应控制在200 μmol/（m2·s），茄果类育苗光强控制在300 μmol/（m2·s）。因生产条件和作物种类不同，对光的强度需求也不尽相同[14]。因此，在批量生产之前应先做试验，确定最佳光强。需要注意的是，植物在接受自然光照进行光合作用时，有效辐射率只占一半，其中的红光和蓝光波段对植物成长尤为重要，因此，在人工光型植物工厂中常选择对植物进行红蓝复合光照，并严格控制光照频率和时长，以提升植物产量。但目前，在植物工厂光环境控制方面的研究还大多凭借经验进行，因而未来，植物光质生物学方面的技术研究将成为重点。第三，红蓝光质配比技术。周华等在研究中发现：相比较蓝光而言，经纯红光处理的叶菜植株产量更高[15]。

光照技术作为当前设施农业中的一项核心技术，具有复杂的程序和实现过程，历经多年的发展，光照技术也呈现了日益微型、渐进的变化。未来，其发展机会将更多，并将向添加剂制造、微型光谱仪、智能工厂、照明控制等方向发展[16]。以照明控制为例，在未来可利用驱动照明技术，通过机器视觉中的快速图像序列，在智能相机中获取多角度的照明信息，以确定最佳光照时长。

环境控制技术

植物的工厂化生产需要标准化和高效性，因而要求加强对环境的控制以提升植物的成长效率，所以环境控制技术尤为重要。在当前的植物工厂中，环境控制技术多通过计算机和传感装置系统的运行，来满足植物生长所需的温度、湿度、光强和CO2浓度，进而完成对植物工厂的全面监控和高效持续生产。当前常用的控制系统结构主要有环境因子数据采集功能模块、中央处理器模块、执行控制输出模块、SD卡数据存储功能模块和人机交互功能模块等[17-18]。

随着计算机技术、网络技术、农业技术和机电一体化技术的不断发展进步，温室技术也将迎来新的技术革命，并不断朝着更高智能化水平、更便捷操作、更多样管理、更经济实惠的方向发展。

总结

2013年，中国正式把植物工厂列入国家“863”科技发展计划，当前各种高新技术也不断被运用到人工光型植物工厂中去。未来，也必将朝着集约化、产业化、智能化、网络化和多功能化的方向发展。尽管人工光型植物工厂发展前景广阔，但它并不适合所有地区，其全面推广也尚需时日。所以，在未来应用推广中，和其他农业技术一样，都要因地制宜、科学规划，从而将其优势发挥到最大。

参考文献

[1] Masayyuki NOZUE.New Development and Challenges in Plant Factory[J].Japan Oil Chemists Society，2013，13（6）：267-273.

[2] 李明，王志强.智能生产时代的人工光植物工厂技术展望[J].农业工程技术（温室园艺），2016，36（28）：16-19.

[3] 贺冬仙.人工光型植物工厂在中国产业化发展的新动向[J].中国合作经济，2019（4）：12-16.

[4] 刘焕.基于CFD的人工光型植物工厂通风模拟与优化研究[D].北京：中国农业科学院，2018.

[5] 吴丹.不同光照、播量和根系温度对工厂化水稻育秧的影响[D].南京：南京农业大学，2015.

[6] 武占会，刘明池，刘杰等.人工光照条件下营养液浓度和pH对生菜生长的影响[J].中国园艺学会，2013（11）：60.

[7] 张露，沈祥军，孙周平.不同营养液浓度和液层深度对蒜黄生长和产量的影响[C].中国园艺学会，2013：62.

[8] 崔佳维，陈智杰，郑胤建.人工光利用型植物工厂核心技术研究进展[J].农业工程技术，2017（28）：46-52.

[9] 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.

[10] 高菊玲.植物工厂发展趋势探讨[J].轻工科技，2012（9）：

129-130.