智能化植物工廠的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

任如冰 聶茹霞 陳小文 劉魯江 張?zhí)熘?/p>

摘要：近些年，隨著現(xiàn)代農業(yè)科技的不斷探索，智能化植物工廠產(chǎn)業(yè)取得快速發(fā)展，在材料、裝置和技術方面都取得了快速進步。在介紹植物工廠的發(fā)展歷史、主要類型、特點及優(yōu)勢的基礎上，著重分析了植物工廠的國家分布、技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，并指出存在問題及發(fā)展對策，最后對未來植物工廠的發(fā)展前景進行了展望。

關鍵詞：植物工廠;主要類型;發(fā)展現(xiàn)狀;展望

1植物工廠概述

1.1定義

是指通過計算機對設施內作物生產(chǎn)過程中的溫度、濕度、光照、水肥等生產(chǎn)要素進行自動控制，使植物不受或很少受自然條件的影響，而實現(xiàn)作物周年生產(chǎn)的高效生產(chǎn)方式。

1.2主要類型及特點

按照光源來源分為人工光型植物工廠、太陽光型植物工廠、太陽光與人工光并用型植物工廠。

1.2.1人工光型植物工廠。是指完全使用人工光源進行植物生產(chǎn)的設施。具有建筑結構為全封閉式;只利用人工光源，光源特性好;采用營養(yǎng)液水耕栽培方式;實現(xiàn)無污染生產(chǎn);對環(huán)境參數(shù)可進行精密控制;設施、裝備成本高，能源消耗大等特點。

1.2.2太陽光型植物工廠。是指利用太陽光（不補光）進行植物生產(chǎn)的溫室設施。具有建筑結構為半封閉式;光源為自然光;配備多種環(huán)境因子的監(jiān)測和調控設備;采用營養(yǎng)液水耕栽培與基質栽培;主要生產(chǎn)葉菜類和茄果類蔬菜等特點。

1.2.3太陽光與人工光并用型植物工廠。是指利用太陽光與人工光并用型進行植物生產(chǎn)的溫室設施。具有建筑結構為半封閉式;光源為自然光與人工光源;用電較少;受氣候影響較小，作物生產(chǎn)較穩(wěn)定;實用性強，有利于推廣應用等特點。

1.3植物工廠發(fā)展歷史

植物工廠的發(fā)展大概分為3個階段：第1個階段為20世紀40年代至60年代末的試驗階段，以丹麥約克里斯頓植物工廠（1957年，1000m²）、奧地利盧斯那植物工廠（1963年，216m²）等為代表。具有規(guī)模小、采用人工氣候室進行控制、運行成本較高等特點。第2個階段為20世紀70年代至80年代中期的示范應用階段，以美國波里達卡植物工廠（1980年，3000m²）;日本日立公司中央研究所植物工廠（1985年，660m²）等為代表。具有應用范圍廣、技術開發(fā)力度大、示范效果明顯等特點。第3個階段為20世紀80年代中期至今的快速發(fā)展階段，以瑞典愛伯森植物工廠（20世紀80年代中期，6100m²）;日本神內一21植物工廠（2001年，3000m²）等為代表。具有技術發(fā)展快、規(guī)模擴大、多行業(yè)融合、高科技成果得到充分應用等特點。

1.4植物工廠的優(yōu)勢

近年來，隨著世界環(huán)境、資源等問題日漸突出，植物工廠的發(fā)展優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，表現(xiàn)為：作物生產(chǎn)周期性強，可達到周年生產(chǎn);不施農藥，產(chǎn)品安全無污染;多層立體栽培，資源（土地、水肥、空間等）利用率高;作物生長周期短，單位面積產(chǎn)量高;機械化、自動化程度高，勞動強度低;不受或很少受地理、自然環(huán)境的影響，甚至可在極端氣候區(qū)、外層空間等地區(qū)進行農業(yè)生產(chǎn)等。

2植物工廠發(fā)展現(xiàn)狀

2.1國家分布

目前，植物工廠的發(fā)展以日本、荷蘭、中國最具代表性。其中，日本在人工光型植物工廠方面研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化較決，居領先水平;目前在運營的250余座人工光型植物工廠中，僅有20%處于虧損階段，其余80%保持持平及盈利階段;涉及植物種類有生菜、藥草、種苗等。荷蘭在太陽光及其與人工光并用型植物工廠技術領域是真正的世界領先，最高產(chǎn)量高達90kg/m²。中國是植物工廠研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化最活躍的國家，通過引進消化、自主研發(fā)創(chuàng)新、應用推廣3個階段，各類型植物工廠正在快速、均衡發(fā)展。

2.2技術發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1栽培形式與栽培技術。目前，平面多層立體栽培、多面體立體栽培、幕墻式立體栽培、圓柱形立體栽培等栽培形式與之配套的營養(yǎng)液水培、基質培、潮溪培、霧培等栽培技術，因為其作物生產(chǎn)效率高，水肥、空間、土地等利用率高等優(yōu)勢在各國植物工廠被廣泛應用。

2.2.2人工光照明技術。LED光源因為其節(jié)能、環(huán)保、壽命長;光強、光質和光周期可控性強;冷光源，可貼近植物照射，空間利用率高;可按植物生長發(fā)育需求調制光譜等優(yōu)勢被廣泛應用。目前在人工光型植物工廠中被開發(fā)應用的有面板燈、條燈、燈管、燈帶等。同時，行間冠層補光燈、花期燈、條燈等多款LED補光燈在太陽光型植物工廠中也被開發(fā)應用。

2.2.3智能環(huán)境控制及自動化管控技術。智能環(huán)境控制及自動化管控技術是通過控制設施內溫度、光照、C02濃度、營養(yǎng)液供給等多種生產(chǎn)要素，而達到節(jié)能高效，優(yōu)質高產(chǎn)的目的。智能環(huán)境控制及自動化管控技術難度較大，需要和其他環(huán)境要素統(tǒng)籌控制，是今后研究開發(fā)的重點。

2.3產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，我國植物工廠產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。但是，植物工廠規(guī)模偏小;生產(chǎn)植物單一;智能環(huán)境控制技術裝備水平參差不齊;且示范、展示性植物工廠居多，達到商業(yè)化運行的植物工廠較少，亟待大力推進。

3存在問題與發(fā)展對策

3.1存在問題

植物工廠是未來設施園藝發(fā)展的趨勢，發(fā)展前景廣闊。但不可否認，當前植物工廠的發(fā)展面臨諸多問題。①投入成本高，主要包括人工光源、營養(yǎng)液設備和智能環(huán)境調控、監(jiān)控系統(tǒng)等投入，而這些設備等成本比較高;②運行成本較高，能耗較大，其中電能消耗巨大;③栽培作物種類較少，主要以葉菜為主;④植物工廠智能化程度低，高成本，低產(chǎn)出;⑤自動化程度低，育苗、移栽、定植、收獲等人工成本高;⑥商業(yè)化模式日漸成熟，但贏利點需要探索。

3.2發(fā)展對策

針對植物工廠產(chǎn)業(yè)面臨的問題，需要從技術、運營等多方面開展研究。針對當前存在的問題，應對措施如下：（1）加強植物工廠自動化、智能化技術的研究，提升集約化、精細化的管理水平。自動化、智能化水平的提升，有助于實現(xiàn)植物工廠集約化、精細化管理，可大幅度縮減勞動成本，節(jié)約勞動力。（2）開發(fā)集約高效的植物工廠技術裝備，實現(xiàn)周年優(yōu)質高產(chǎn)。開發(fā)高效的栽培設施裝備、節(jié)能的照明技術裝備、智能的環(huán)控裝備等，提升植物工廠智能化水平，有利于實現(xiàn)周年高效生產(chǎn)。（3）開展藥用植物、保健植物、珍稀特蔬菜等高附加值植物工廠化栽培技術研究，增加植物工廠栽培作物種類，拓寬盈利渠道，提高盈利起點。（4）開展家用型、商用型等植物工廠研究，豐富植物工廠類型，實現(xiàn)多種功能持續(xù)盈利。

4發(fā)展前景與展望

政府和企業(yè)更加重視。政府層面：植物工廠資源高效利用關鍵技術被列為農業(yè)部“十三五”農業(yè)科技發(fā)展規(guī)劃中;植物工廠項目被列入中科院“十三五”重點培育方向;植物工廠項目也列入了福建省重點支持項目。企業(yè)方面：不僅是科研界，電子、醫(yī)療、能源、材料、房地產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)界和企業(yè)也大量投資研究開發(fā)植物工廠技術。植物工廠研發(fā)類型多樣，應用范圍廣闊，符合多元的市場需求。植物工廠發(fā)展的技術儲備已經(jīng)成熟，產(chǎn)業(yè)雛形已經(jīng)形成，將很快進入商業(yè)化快速發(fā)展期。

（收稿：2019—11—08）