|摘要|隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國植物工廠技術(shù)也取得了卓越進(jìn)展，特別是完全密閉環(huán)境中的植物栽培技術(shù)，即在人工光利用型植物工廠中栽培作物。文章通過對人工光型植物工廠的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對其技術(shù)未來發(fā)展的趨勢展開深入闡述。

人口的增長使得耕地?cái)?shù)量日益減少，食品安全和農(nóng)業(yè)從業(yè)人口老齡化問題嚴(yán)重，植物工廠應(yīng)運(yùn)而生[1]。植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，利用智能計(jì)算機(jī)和電子傳感系統(tǒng)對植物生長的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動控制，使設(shè)施內(nèi)植物的生長發(fā)育不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式[2]。當(dāng)前，植物工廠從光利用方面主要分為兩大類，一種是太陽光利用型（又叫封閉型植物工廠），所運(yùn)用的技術(shù)包括現(xiàn)代化營養(yǎng)液栽培技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境調(diào)控技術(shù);一種是人工光利用型，這是一種植物工廠的高級形式[3]。文章將對人工光型植物工廠的發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)趨勢進(jìn)行介紹。

人工光型植物工廠的發(fā)展現(xiàn)狀

國外發(fā)展現(xiàn)狀

植物工廠最早起源于日本。20世紀(jì)80年代，日本和荷蘭等國成立了植物工廠協(xié)會，推動了植物工廠在世界范圍內(nèi)的普及發(fā)展。隨著日本福島核泄漏事件的發(fā)生，日本政府對人工光型植物工廠的商業(yè)化生產(chǎn)支持力度持續(xù)加大，截至目前，日本已有人工光型植物工廠約250個，有盈利能力的約占30%，收支平衡的約占50%，約20%處于虧損狀態(tài)。在植物種植類型方面，主要有葉菜植物包括生菜、菠菜和冰草等，此外還包括草莓、藥草等。對植物工廠技術(shù)的開發(fā)研究，也不再局限于科研界，還包括電子、醫(yī)療、能源、材料和房地產(chǎn)等諸多領(lǐng)域。其中，富士通公司的低鉀葉用萵苣（生菜）， 通過技術(shù)創(chuàng)新滿足了臟器移植人群的需求，并進(jìn)行了量化生產(chǎn)[4]。未來，人工光型植物工廠將朝著產(chǎn)業(yè)化、自動化和微型化方向發(fā)展。

當(dāng)前，日本在人工光型植物工廠的開發(fā)投入，主要集中在人工光源、節(jié)能調(diào)控、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)、營銷策略與市場開拓、植物的二次代謝和功能性成分等方面。除日本以外，韓國針對LED廠家展開相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化推廣，美國重點(diǎn)進(jìn)行垂直農(nóng)業(yè)和LED創(chuàng)新應(yīng)用技術(shù)的推進(jìn)，荷蘭等歐洲發(fā)達(dá)國家則率先展開了LED立體栽培和溫室補(bǔ)光試驗(yàn)[5-6]。在溫室規(guī)模建設(shè)方面，荷蘭多以大型連棟溫室為主，日本和韓國則主要以小面積的家庭經(jīng)營為主，但也有面積達(dá)到5萬hm2的溫室。在設(shè)施園藝栽培技術(shù)方面日本和韓國遠(yuǎn)不如荷蘭，為了與荷蘭溫室園藝中的“長季節(jié)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，韓國則通過農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的應(yīng)用來提高設(shè)施產(chǎn)量。綜合而言，日本的種苗生產(chǎn)企業(yè)擁有較強(qiáng)的專業(yè)性，在太陽光型種苗生產(chǎn)和人工光型種苗生產(chǎn)方面均取得了輝煌的成就。

國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)植物工廠起步較晚，但發(fā)展速度飛快，一經(jīng)引入就受到了業(yè)內(nèi)外的關(guān)注，并建成了一些規(guī)?；牡湫推髽I(yè)。歷經(jīng)20年來的發(fā)展，中國現(xiàn)有農(nóng)業(yè)科技觀光園約6000余個，均建有示范性的組培設(shè)施和大型溫室設(shè)施，在一些新建園區(qū)還有一些示范性的人工光型植物工廠。如，國家科學(xué)技術(shù)委員會“九五”期間的“國家重大科技產(chǎn)業(yè)化工程——工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程”。隨著中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院等科教單位在水耕栽培方面研究的不斷深入，2004年，中國建立了第一座植物工廠，中國農(nóng)業(yè)從此掀開了智能化發(fā)展的新篇章。2009年7月，長春農(nóng)業(yè)博覽園建成了小型展示用的植物工廠;同年，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院楊其長教授團(tuán)隊(duì)研制了智能植物工廠，標(biāo)志著智能植物工廠技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。2010年，北京通州建立1289 m2植物工廠、麗水農(nóng)業(yè)科學(xué)院智能溫室創(chuàng)新技術(shù)與植物氣霧培技術(shù)日趨成熟[7]，中國也躋身植物工廠核心技術(shù)的掌握國之列，目前人工光型植物工廠已經(jīng)進(jìn)入示范生產(chǎn)階段。

近年來，中國的諸多LED廠家也都做了植物生長燈和植物工廠等方面的研發(fā)嘗試和業(yè)務(wù)拓展，在宣傳中均表示擁有可行性的植物工廠推行方案，但在商業(yè)推廣中尚無相關(guān)規(guī)模性的植物工廠及相應(yīng)的示范性設(shè)施。在2013～2017年間由中國科學(xué)技術(shù)部帶頭啟動的863項(xiàng)目“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究（2013AA103000）”就是以植物工廠技術(shù)為重點(diǎn)的一項(xiàng)研究工程。根據(jù)2014年統(tǒng)計(jì)年報(bào)，我國設(shè)施園藝面積超過205萬hm2，在設(shè)施類型方面存在較大的南北差異，北方地區(qū)主要以日光溫室和春秋大棚為主，南方則主要為塑料大棚和遮雨棚，比較而言，南方地區(qū)具有環(huán)境控制功能的連棟溫室面積不大[8-10]。

人工光型植物工廠的技術(shù)趨勢

隨著人工光型植物工廠的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，首先受到?jīng)_擊的是中國的蔬菜供應(yīng)市場。鑒于中國蔬菜種植具有占地大、品種多、價格低的特點(diǎn)，人工光型植物工廠產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中注定會有各種艱難險阻。雖然困難重重，但當(dāng)前人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的應(yīng)用以及產(chǎn)學(xué)研的深入融合發(fā)展為人工光型植物工廠的生產(chǎn)改進(jìn)與銷售對接提供了良好的平臺，人工光型植物工廠的技術(shù)水平也在不斷提高。當(dāng)前應(yīng)用比較普遍的核心技術(shù)及其未來發(fā)展趨勢如下。

無土栽培技術(shù)

無土栽培技術(shù)包括固體基質(zhì)培和非固體基質(zhì)培兩種基本類型，其中非固體基質(zhì)培又可分為水培和霧培兩種不同形式。人工光型植物工廠在技術(shù)應(yīng)用中對清潔性具有較高要求，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的是平面多層立體栽培、營養(yǎng)液水培和與多面體立體栽培形式配套的氣霧栽培，相對而言，后者的應(yīng)用較少[11]。

在無土栽培技術(shù)應(yīng)用中，營養(yǎng)液的配方選擇是關(guān)鍵?，F(xiàn)有的營養(yǎng)液配方有百余種，研究表明：營養(yǎng)液中的礦質(zhì)元素直接影響植物的生長情況。孫紅敏等在番茄育苗研究中發(fā)現(xiàn)，山崎番茄配方對促進(jìn)番茄生長的效果更佳;而在葉菜無土栽培試驗(yàn)中，荷蘭溫室配方和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)葉菜配方總體表現(xiàn)良好[12]。

在人工光型植物工廠中，營養(yǎng)液是必不可少的。營養(yǎng)液需要循環(huán)使用，所以營養(yǎng)液自毒物質(zhì)消除技術(shù)十分重要。目前應(yīng)用比較多的是紫外線消毒、紫外線-臭氧聯(lián)合消毒、高溫消毒、慢砂過濾等形式，但在所累積的自毒物質(zhì)去除方面的研究并不多?，F(xiàn)有的營養(yǎng)液自毒物質(zhì)去除方法包括活性炭吸附法、納米TiO2光催化法。其中活性炭吸附技術(shù)因其重復(fù)利用率不高而不常被應(yīng)用;納米TiO2光催化法經(jīng)紫外線光照之后能有效降解營養(yǎng)液中的6種有害物質(zhì)[13]。

由于各地自然資源和無土栽培技術(shù)的差異性，在中國發(fā)展應(yīng)用中不能照搬國外模式，應(yīng)充分考慮到中國人口多、耕地面積少的特點(diǎn)，結(jié)合本地實(shí)際情況，因地制宜地采取差異化的生產(chǎn)方式和管理模式，加大立體栽培技術(shù)的研發(fā)力度，提高土地利用率和單位面積的產(chǎn)量。為進(jìn)一步減少無土栽培成本，提升技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益，未來應(yīng)加大在無土栽培設(shè)施替代品方面的研究，以提升該技術(shù)的實(shí)用性，如用爐渣、鋸末代替蛭石、草炭基質(zhì)等;此外，在節(jié)能環(huán)保新發(fā)展理念下，有機(jī)生態(tài)型無土栽培技術(shù)也會因其投資少、工作量低的優(yōu)勢占據(jù)未來市場，并推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高速發(fā)展。

光照技術(shù)

在光照技術(shù)應(yīng)用過程中，應(yīng)注意3點(diǎn)主要內(nèi)容。第一，光源設(shè)備的選擇。在人工光型植物工廠中，以前的光源選擇多以白熾燈、高壓鈉燈、熒光燈等作為基礎(chǔ)設(shè)備，而目前LED燈以其占地小、使用周期長、有效性好、可控性高、節(jié)能性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。第二，光環(huán)境調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用。在人工光型植物工廠生產(chǎn)中，光源主要依靠人工制造，LED燈以獨(dú)特的優(yōu)勢在實(shí)踐中表明其可在7個維度空間上調(diào)節(jié)植物生長，滿足光的強(qiáng)度、大小、方位等方面的差異性需求。光的強(qiáng)度作為植物進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ)，經(jīng)生產(chǎn)研究發(fā)現(xiàn)：在CO2濃度一定的條件下，葉菜類幼苗期的光強(qiáng)度應(yīng)控制在100～150 μmol/（m2·s），后期控制在300 μmol/（m2·s），瓜類育苗光強(qiáng)應(yīng)控制在200 μmol/（m2·s），茄果類育苗光強(qiáng)控制在300 μmol/（m2·s）。因生產(chǎn)條件和作物種類不同，對光的強(qiáng)度需求也不盡相同[14]。因此，在批量生產(chǎn)之前應(yīng)先做試驗(yàn)，確定最佳光強(qiáng)。需要注意的是，植物在接受自然光照進(jìn)行光合作用時，有效輻射率只占一半，其中的紅光和藍(lán)光波段對植物成長尤為重要，因此，在人工光型植物工廠中常選擇對植物進(jìn)行紅藍(lán)復(fù)合光照，并嚴(yán)格控制光照頻率和時長，以提升植物產(chǎn)量。但目前，在植物工廠光環(huán)境控制方面的研究還大多憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，因而未來，植物光質(zhì)生物學(xué)方面的技術(shù)研究將成為重點(diǎn)。第三，紅藍(lán)光質(zhì)配比技術(shù)。周華等在研究中發(fā)現(xiàn)：相比較藍(lán)光而言，經(jīng)純紅光處理的葉菜植株產(chǎn)量更高[15]。

光照技術(shù)作為當(dāng)前設(shè)施農(nóng)業(yè)中的一項(xiàng)核心技術(shù)，具有復(fù)雜的程序和實(shí)現(xiàn)過程，歷經(jīng)多年的發(fā)展，光照技術(shù)也呈現(xiàn)了日益微型、漸進(jìn)的變化。未來，其發(fā)展機(jī)會將更多，并將向添加劑制造、微型光譜儀、智能工廠、照明控制等方向發(fā)展[16]。以照明控制為例，在未來可利用驅(qū)動照明技術(shù)，通過機(jī)器視覺中的快速圖像序列，在智能相機(jī)中獲取多角度的照明信息，以確定最佳光照時長。

環(huán)境控制技術(shù)

植物的工廠化生產(chǎn)需要標(biāo)準(zhǔn)化和高效性，因而要求加強(qiáng)對環(huán)境的控制以提升植物的成長效率，所以環(huán)境控制技術(shù)尤為重要。在當(dāng)前的植物工廠中，環(huán)境控制技術(shù)多通過計(jì)算機(jī)和傳感裝置系統(tǒng)的運(yùn)行，來滿足植物生長所需的溫度、濕度、光強(qiáng)和CO2濃度，進(jìn)而完成對植物工廠的全面監(jiān)控和高效持續(xù)生產(chǎn)。當(dāng)前常用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有環(huán)境因子數(shù)據(jù)采集功能模塊、中央處理器模塊、執(zhí)行控制輸出模塊、SD卡數(shù)據(jù)存儲功能模塊和人機(jī)交互功能模塊等[17-18]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、農(nóng)業(yè)技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，溫室技術(shù)也將迎來新的技術(shù)革命，并不斷朝著更高智能化水平、更便捷操作、更多樣管理、更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方向發(fā)展。

總結(jié)

2013年，中國正式把植物工廠列入國家“863”科技發(fā)展計(jì)劃，當(dāng)前各種高新技術(shù)也不斷被運(yùn)用到人工光型植物工廠中去。未來，也必將朝著集約化、產(chǎn)業(yè)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和多功能化的方向發(fā)展。盡管人工光型植物工廠發(fā)展前景廣闊，但它并不適合所有地區(qū)，其全面推廣也尚需時日。所以，在未來應(yīng)用推廣中，和其他農(nóng)業(yè)技術(shù)一樣，都要因地制宜、科學(xué)規(guī)劃，從而將其優(yōu)勢發(fā)揮到最大。

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作者簡介：張樹芳（1970-），女，菏澤巨野人，中級農(nóng)藝師，研究方向?yàn)橹参锉Ｗo(hù)。

[引用信息]張樹芳.人工光型植物工廠的發(fā)展現(xiàn)狀及未來技術(shù)發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（16）：64-67.