植物工廠-三個皮匠報告百科

植物工廠是什么

植物工廠(Plant Factory)(楊其長2016)是通過對設施內部溫度、濕度、光照、CO2濃度等環境參數進行自動化、高精度的控制來實現作物的周年連續生產的高效農業系統。在密閉環境中通過智能化自動化控制系統精確地調控作物生長的環境因子(Ohyama etal.2003)，為作物生長提供適宜的溫度、濕度、光照及CO2氣體環境(涂俊亮等2015)等，其特征(余錫壽和劉躍萍2016；艾海波等2013)智能化、立體化等[1]。

植物工廠發展歷程

1949年，美國植物生理和園藝學家F.W.Went在加州帕薩迪納建立第一座人工氣候室；

1957年，世界上第一座植物工廠在丹麥約克里斯頓農場建成，面積1000m2，屬人工光和太陽光并用型，栽培作物為水芹，從播種到收獲采用全自動傳送帶流水作業；

1963年，奧地利盧斯納公司建造高30米的塔式人工光植物工廠，采用上下傳送帶旋轉式的立體栽培方式種植生菜；

1973年，英國溫室作物研究所庫珀教授提出了營養液膜法 (NFT)水耕栽培模式，成為植物工廠的一項標準技術；

1974年，日立制作所建成了一座采用計算機調控的花卉蔬菜工廠，通過計算機分析植物工廠溫度、光照強度、二氧化碳濃度等對植物生長影響的數據；

1987-1989年，美國在亞利桑那州沙漠中建設了一座微型人工生態循環系統，稱為生物圈2號；

1992-2002年，日本在營養液栽培方面推出了深液流(DFT)栽培模式，形成M式、神園式、協和式、新和等量交換式等系統；

2002至今，我國設施園藝發展進入快車道，園藝工作者在無土栽培領域進行大量研究[2]。

植物工廠種類

植物工廠可分為溫室型半天候(以荷蘭為代表)與封閉型全天候(以日本為代表)兩種類型，其核心要素是光環境。根據不同植物對光譜、光質、光強、光周期的不同要求，給予其最適合的光照條件，并配合調節水、肥、溫度、濕度等要素，以滿足植物的生長需求[3]。

植物工廠優點

相比傳統農業種植方式，植物工廠內的植物不受自然環境影響，并可以接受到更適宜的光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度和營養，即使在惡劣氣候條件或災害天氣情況下也可以正常連續生產，適用于向干旱、高緯度地區推廣。植物工廠可以將植物學與物聯網相結合，使用計算機系統對植物培育過程進行精準的控制，進而可以培育在自然條件下難以種植的作物，并實現精準的生長周期控制。

植物工廠采用水培技術，使用營養液向植物供給養分，因此產出的蔬菜不會受到土壤中的重金屬污染，無蟲害，無農藥殘留，是真正的安全綠色蔬菜，不需清洗便可直接食用[4]。

植物工廠優點

植物工廠發展現狀

國外植物工廠現狀：世界上第一座具有現實意義的植物工廠在丹麥建成，早期丹麥在植物工廠領域是處于領軍地位的，為植物工廠技術的探索和實踐做出了卓越貢獻，后來受到國家發展和其他多方面影響被其他國家趕超。

日本最早提出植物工廠的概念，除了日本的大學、科研機構以外，各大商業巨頭都在布局植物工廠業務。日本的三菱公司是世界最早進行植物工廠試驗的公司，正是這樣的企業巨頭的推動，植物工廠剛在全球范圍內火熱的時候，日本就已經建成了各種各樣的植物工廠。1989年，日本政府針對本國耕地面積嚴重不足的情況，加大投資持續建設了100座植物工廠。對建設植物工廠的企業和個人更是直接補貼50%以上，曾經一度成為世界上已經建成植物工廠數量最多的國家。后來的松下公司更是整合多種技術將植物工廠開在了我國大連，目前日本植物工廠已經完全處于商業化發展階段了。

美國的植物工廠技術最開始是學習荷蘭的，其農業公司利用貨柜改裝成植物工廠，再利用LED光照進行輔助，很大程度的實現了作物增產。在亞基塔尼約盧米德蘭都農場美國更是建成了世界上最大的植物工廠。因為其科技力量強大，植物工廠的無土栽培技術、LED光照技術率先被用在了空間站上，并取得了一定研究成果。

現如今國外植物工廠研究已經碩果頗豐，減少運行成本，提高空間利用率，植物工廠轉型將成為國外研究的熱點。

國內植物工廠現狀：相較于國外植物工廠市場的風生水起，國內市場稍稍滯后，因為這一投入還是比

較大的，成本較高。中國農科院環發所曾自主研發“智能LED植物工廠”，以其“土地利用和農作方式的顛覆性技術”，在國家“十二五”科技創新成就展上亮相。自此突破植物工廠技術壁壘，植物工廠技術火速發展。2005年研制出LED植物工廠實驗系統，2009年建成首例智能型植物工廠，2010年上海世博會首次展出家庭LED植物工廠，2013年國家正式將“智能化植物工廠生產技術研究”項目列入“863”計劃。我國首先學習發達國家成熟先進的植物工廠技術，再結合我國國情以及地域特色獨立研究新技術，最終推廣普及，僅僅用了幾年的時間就完成了從實驗階段向示范階段的跨越。

植物工廠發展現狀

圖1.1是安徽昂科豐光電科技有限公司為喀喇昆侖高原邊防駐地研發的集裝箱式植物工廠，這是一套主要采用晶硅光伏板供電的系統，用光伏發電驅動集裝箱內的植物照明燈，可以不受外界惡劣環境影響全天候生產蔬菜。但是它所選用的低功耗LED光源并不具備高精度調節功能。

半導體顯示企業京東方在植物工廠領域也有所建樹。京東方在北京市大興區龐各莊建成的植物工廠具備了可調光、智能化、傳感器自動感應蔬菜等多種功能。產出蔬菜也直供餐飲門店，但是該植物工廠造價不菲，并不適合小型企業使用。

國內植物工廠技術雖然發展迅速，但是智能化設備方向還是有所欠缺的，植物工廠要求使用的設備精度高，穩定性好，符合要求的國產設備價格高昂，顯然沒辦法大面積推廣?；趪鴥戎参锕S發展現狀，可以看出未來國內仍然要針對集成化、智能化、實用化、專用化、節能化等方向加大對植物工廠的研究投入，種植植物要向經濟價值、研究價值較高的種類轉變，要建立相關大數據模型，實現一體化自動控制。此外不管是LED燈還是加溫、除濕設備年耗電量都是極大的，能耗的降低也迫在眉睫。在未來植物工廠技術發展上，擺脫對國外技術的模仿，建成真正屬于自己的高水平植物工廠是一個重要方向[5]。

CO2在植物工廠中的應用

CO2作為植物光合作用的原料(葉子飄2010)，在植物工廠等設施生產中，由于其自身的密閉性，CO2常處于虧缺狀態，限制了植物的光合作用，導致其光合產物積累減少，進而致使產量下降(李清明等2011)。有研究表明，適當地增加CO2濃度，有利于促進光合作用及其產物積累，有利于提高作物產量(王修蘭等1994；郭衛華和李天來2003；房世波等2010)，具有顯著的“施肥效應”(李清明等2011)。研究結果表明當空氣中CO2濃度提高兩倍時，黃瓜葉片光合速率幾乎呈直線上升(盧育華和申玉梅1994)，大白菜凈光合速率增加68%(王修蘭等1994)。李榮華(2007)研究結果表明，番茄的光合量子利用效率與CO2濃度呈正相關。

人工光源在植物工廠中的應用

光是植物光合作用的能量來源，也是一種關鍵的信息源，對植物的形態建成、物質代謝、生長發育及基因表達等均具有調控作用(蘇娜娜等2013)。光主要從光照強度、光質、光周期三個方面影響植物的生長發育及解剖學結構(Franklin 2009)，其中光照強度能夠調節植物葉綠素蛋白復合體的形成和PSⅠ與PSⅡ之間光合電子傳遞(Leong andAnderson 1984)。方江保等(2010)研究發現遮光可以降低苦櫧的最大凈光合速率、光飽和點以及光補償點，同時能夠增加葉綠素相對含量、以及苦櫧葉綠素熒光參數最大光化學效率Fv/Fm和潛在活性Fv/F0。光照強度對植物的光合產物積累具有重要的影響，毛立彥等(2012)研究發現光照強度的增加能夠促進曼陀羅和紫花曼陀羅的生長發育以及光合產物的積累，葉片厚度、氣孔密度、氣孔指數以及柵欄組織和海綿組織的厚度等均隨光照強度的增加而增加，同時，曼陀羅和紫花曼陀羅莖中的花色素苷、類黃酮以及總酚含量均隨光照強度呈正相關增長。鐘霈霖等(2011)研究結果表明，光照強度的增加能夠改善草莓的綜合品質，可以顯著影響草莓的總糖、VC、果膠含量。

營養液管理在植物工廠中的應用

營養液為植物生長提供其所需的所有營養成分，因作物生長需求及環境參數的不同，對營養的要求不同。不同營養液中大量元素及微量元素的營養元素含量不同，故為增加效益應根據作物需求進行營養液配方選擇。由于不同作物對營養元素的敏感性不一，不適宜的營養液濃度及用量會引發作物不同的生理性病害，導致作物生長環境不均衡而影響作物的正常生長發育，故營養液管理在生產管理中具有重要意義[6]。