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設施農業(yè)資訊 2024/07/22
什么是植物工廠？
根據日本學者古在豐樹教授的《人工光型植物工廠》和中國農業(yè)科學院都市農業(yè)研究所研究員楊其長的《植物工廠概論》給出的植物工廠定義，植物工廠是一種通過設施內高精度環(huán)境控制，實現作物周年連續(xù)生產的高效農業(yè)系統(tǒng)，是由計算機對作物生育過程的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、營養(yǎng)液等環(huán)境要素進行自動控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產方式。植物工廠充分運用了現代裝備工程、生物技術、設施園藝技術、植物生理、植物栽培工程與環(huán)控信息技術等手段，屬于技術高度密集型產業(yè)，多年來一直被國際公認為設施園藝的最高級發(fā)展階段，是衡量一個國家農業(yè)高技術發(fā)展水平的重要標志之一。
植物工廠的發(fā)展始于20世紀50年代歐美等一些發(fā)達國家。經過半個多世紀的發(fā)展，目前已經成為現代農業(yè)高技術產業(yè)的重要組成部分。植物工廠的基礎主要來自于營養(yǎng)液栽培技術和環(huán)境感知與控制技術的突破。植物工廠正是以這2項技術為基礎，實現了植物的周年連續(xù)生產。
各國研發(fā)力度與產業(yè)化步伐不斷加快，日本于2009年提出大力發(fā)展植物工廠、振興現代農業(yè)計劃，由農林水產省和經濟產業(yè)省拿出500億日元用于支援植物工廠的建設與研發(fā)，受此影響，一批大型企業(yè)如三菱、豐田、日立等紛紛介入，并計劃輸出植物工廠產品到中國、中東、歐美等國家或地區(qū)。2015年日本人工光植物工廠數量已達185座，其中位于宮城縣多賀市的占地面積2300㎡、15層立體栽培架、日產葉菜10000棵的LED植物工廠，以及大阪府立大學的占地面積550㎡、18層栽培架、日產葉菜5300棵的LED植物工廠，代表了日本近年來植物工廠的發(fā)展趨向。
我國植物工廠相比于歐、美、日等發(fā)達國家，起步較晚，但我國植物工廠建設發(fā)展速度是前所未有的，在這個過程中我國采取了走出去、引進來，加強技術交流，對植物工廠相關技術經過了吸收，消化、創(chuàng)新再創(chuàng)新的過程。在實驗示范階段期間，我國先后有浙江麗水農科院與國防科技大學合作，于2004年成功地建起了我國第一座植物工廠，標志著我國具有自主知識產權植物工廠的正式誕生，中國智能農業(yè)從這里開始。成為世界上少數幾個掌握植物工廠核心技術的國家之一，這將對提升我國植物工廠競爭力和對我國現代農業(yè)的發(fā)展產生深遠影響。
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：作物生產周期性強，可達到周年生產；不施農藥，產品安全無污染；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)生產等。
由于不受環(huán)境影響、可就近供應蔬果的植物工廠正不斷升溫。中國已成為世界上植物工廠發(fā)展最快的國家，2021年，我國新增48座植物工廠，新增面積21.54萬㎡。目前，我國人工光植物工廠總數已超過250座，成為數量僅次于日本的植物工廠發(fā)展大國。
植物工廠的核心技術裝備包括四個方面，即立體多層無土栽培技術裝備、人工光照明技術裝備、智能環(huán)境控制技術裝備、植物生產空間自動化管控技術裝備。近幾年，這些核心技術裝備得到了很大的發(fā)展，正在被逐漸地標準化和大規(guī)模應用。植物工廠的外圍護結構設計、功能分區(qū)、各區(qū)域密閉性保證都很重要，直接關系到植物工廠初裝成本和運行成本及能耗，也關系著生產效率。
立體多層無土栽培技術裝備是指采用無土栽培方法，借助栽培床和層架管路裝備，實現植物在多層立體栽培架上進行生產的技術裝備。立體多層無土栽培技術裝備是人工光植物工廠必要的本質裝備，也是太陽光植物工廠需要迫切發(fā)展的技術裝備。當前，以NFT和DFT技術為基礎的多種立體多層無土栽培技術裝備已經開發(fā)出來，適合葉菜、根莖類植物生產。立體多層無土栽培技術裝備主要包括營養(yǎng)液儲存供給系統(tǒng)（營養(yǎng)液池、泵動系統(tǒng)、供液回液管路、定植床、控制系統(tǒng)等）。
人工光照明技術裝備是人工光植物工廠核心技術裝備，為植物生產提供光合能量和光照信號。熒光燈是傳統(tǒng)光源，LED是新型光源。兩種光源的植物生理響應機制已經被廣泛揭示，兩種光源應用的生物學基礎已非常明確。但是，LED作為新型固態(tài)半導體光源具有熒光燈無法比擬的光電優(yōu)勢，包括可按植物生長發(fā)育需求調制光譜，按需用光，生物光效高；冷光源，可貼近植物照射，提高空間利用率；可控性好，可精準調控光強、光質和光周期等；節(jié)能、環(huán)保、長壽命、體積小、質量輕；）LED光源裝置多樣（燈板、燈帶、燈管和燈泡），適用于設施園藝各領域。
智能環(huán)境控制技術裝備由執(zhí)行機構、檢測機構、控制機構組成，控制因子包括溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、氣流、營養(yǎng)液供給等多種生產要素，在很大程度上環(huán)境控制智能化水平的高低決定著植物工廠的運行效率。智能環(huán)境控制以植物環(huán)境控制為基礎，特別需要以環(huán)境因子耦合控制下的植物生理響應效應作為依據，尚需深入地系統(tǒng)研究。在環(huán)境控制要素中，最重要的是養(yǎng)分和光照，其控制策略具有時間和空間要求，也需要和其他環(huán)境要素耦合統(tǒng)籌控制。
植物生產空間自動化管控技術裝備包括植物移栽定植技術裝備、植物空間水平垂直移動傳輸技術裝備、光源燈具水平垂直移動傳輸裝備，以及機械化自動升降機、自動收獲等生產管理技術裝備等。植物生產空間自動化管控技術裝備是植物工廠流水線作業(yè)的主體裝備，有利于提高生產效率和管控水平。
植物工廠行業(yè)雖然具有高效、可持續(xù)和環(huán)境控制精準等優(yōu)點，但也存在一些亟待解決的問題。初期投資成本高是植物工廠行業(yè)的一大挑戰(zhàn)，包括設施建設、設備購置、能源供應系統(tǒng)以及高級技術支持等都需要大量資金投入。其次，能源消耗大也是問題之一，植物工廠需要全天候人工光源和恒溫恒濕環(huán)境，這導致能源需求量大，影響其經濟性和環(huán)保性。再者，技術瓶頸有待突破，如光合作用效率提升、物種適應性改良、病蟲害防控等問題需要進一步科研攻關。此外，植物工廠的運營管理和人才短缺也是困擾行業(yè)發(fā)展的問題，包括專業(yè)種植技術、設施維護、市場開拓等方面的專業(yè)人才相對匱乏。消費者對植物工廠產品的認知度和接受度還有待提高，市場需求和價格定位也需要進一步探索和研究。總的來說，植物工廠行業(yè)需要在降低成本、節(jié)能減排、技術創(chuàng)新、人才培養(yǎng)和市場開發(fā)等方面做出努力，以實現長期可持續(xù)發(fā)展。
面對當前問題，植物工廠的發(fā)展對策概括如下。
通過持續(xù)研發(fā)、改進節(jié)能高效的植物工廠生產技術裝備，顯著提升植物工廠的光效與能效，不斷降低光源與空調的能耗，大幅減少系統(tǒng)運行費用。
通過營養(yǎng)調控和光調控等手段，顯著提高植物工廠產品的VC含量、可溶性糖含量以及其他功能品質，同時通過選用一些功能性蔬菜、藥用植物甚至特種作物等高附加值的產品進行種植，提升植物工廠產品的經濟效益，增強植物工廠的盈利能力。
建立品牌戰(zhàn)略，加快植物工廠農產品和技術裝備的社會認知度和認可度。著力發(fā)展植物工廠植物產品品牌，夯實品質保證機制，加大品牌宣傳推廣力度，使植物工廠產品深入民心，進而提高銷售量和產值。
構建多種植物工廠類型、產品，拓展盈利模式。著力開發(fā)家庭型、商用型、社區(qū)型等植物工廠類型，豐富植物工廠商業(yè)化產品，擴大購買人群；增加植物工廠生產的植物種類，充分利用植物工廠的多種功能實現可持續(xù)盈利。