植物工厂的发展

设施园艺论文标题植物工厂技术及其发展摘要：植物工厂比传统农业获得的效益更高，是21世纪世界农业发展的方向，成为一个地区或国家农业发展的重要标志。本文主要介绍植物工厂的概况及其技术，分析其特点，对其未来前景进行了展望。由于是一项新发展起来的技术，植物工厂的各方面还有待完善。但作为农业的新选择，它带来的价值已经很新引人了。人工光闭锁型苗木生产系统具有节能高效且可多重利用的特点，垂直农业顾名思义可在摩天大楼中收获新鲜的蔬菜，LED以节能为主，同时还可提高光和效率。随着研究的深入，未来，植物工厂还可带来更多。关键词：植物工厂,垂直农业,LED植物光源,未来发展引言植物工厂作为新型的农业形式，具有良好的发展前景、空间及潜力，与传统农业相比，具有更高的效益和更强的可控性。它是脱离“经验”的传统农业的新型“科学”农业，是不受任何约束，为求利益最大化的。具有工业化，栽培方式定量化，数值化得特点。如今，植物工厂被称为“农业的第四选择”。人工光闭锁型苗木生产系统是一项低投入高回报的技术，且设备利用率高，高密度繁殖，灵活度高，可提高劳动生产效率。另外，此系统不仅用于育苗，还是良好的药草与蔬菜生产系统。垂直农业是第三次农业革命，不仅可缓解世界粮食问题，还可实现未来在摩天大楼中种植自己的“菜园”，享用新鲜无污染的放心蔬菜。将食物生产和城市生活结合在一起，使城市生活实现可持续性发展，未来可能出现苗圃服务员等新职业。LED植物光源技术在生产中的光照管理环节作用，节能，可控。使用其间歇控制技术可提高光合效率。植物工厂前景理想，效益可观，且发展迅速。植物工厂概况2.1植物工厂的定义植物工厂的定义可归纳如下：广义：在一定生产管理下的全年无休的植物生产系统；狭义：在完全人工环境下的全年无休的植物生产系统广义的植物工厂除包含狭义者外，尚包含高度环境控制的太阳光利用型系统（精密温室）。植物工厂的广义定义包含了广大范围的生产设施，譬如：豆芽菜，蘑菇，萝卜婴等的生产工厂，半自动控制的温室水耕系统，种苗繁殖系统或人工种子生产等的生产系统等均属之。说到工厂生产时，有二个前提【1】：一个是从自然界妨害的解放，可以不管寒暑且风雨无阻地进行与在自然环境中生产截然不同；再者，工厂生产可预先明确地决定好生产流程，并做好作业分析，也就是说对象的输入输出特性皆可定量的掌握，甚么样的操作会产生甚么样的输出是可以预期的。只要做好操作的作业手册，按部就班谁也能够生产。由此点看，理想的植物工厂是生长那些环境条件与作物生长关系已明确地量化的植物，在一定的人工环境下栽培的完全控制型系统。工厂生产以生长快速又高价格的作物较适合，就资料汇集来说，须要生长过程较单纯，叶面积较大的比较好，所以非结球生菜中的一种沙拉菜恰好可符合这些条件，因此作为叶菜类的代表。除了沙拉菜之外，果菜类的甜椒，根菜类的萝卜婴（二十日萝卜）等，皆为代表。豆芽菜或蘑菇类不行光合作用，所以生长程序容易定量化，是另一类代表。植物工厂产生的背景农业总是给人鲁钝的形象，这虽是偏见，但多少也有理由，因传统的“耕作”使人有不用大脑只靠体力的印象，想象中的农夫似乎是脚穿胶鞋或赤足，整天浑身泥泞的在田里劳动着，除了靠天吃饭之外，只靠直觉和经验来谋生，而且收入和辛苦的程度多半不成比例。一般人对农业多半都有前述的印象（面朝黄土背朝天,一把汗水一把泥，但也正因为此，在科技上可以且需要做的事一定很多。农业的“企业化经营”【2】与农业的“工业化生产”为现代化农业应走的方向。不受任何约束，为求最大利益而活动的自由市场经济原理在市场上会汰弱留强，是产业有市场竞争力的原动力。在加入了GATT/WTO组织环境下，开放进口，降低保护的同时，自由市场经济的机制必将汰弱留强，只有较强势的农户才得以生存。农业采用企业化的经营方式乃势在必行。欲求农业能达工业化生产，则作物的栽培过程需要加以制式化，一切照手册来，建立“人人都会操作”【3】的农业。为此，有必要脱离太阳和土壤，使栽培方法定量化、数值化，将农业从“直观与经验”的世界转变到“科学”的世界。工业化生产是植物工厂的主要特点植物工厂分为半天候与全天候两种类型，这是根据环境因子人工控制的程度来区分的，所谓半天候就是其中有一些环境因子还是主要靠自然或受自然之影响如光照、温度、湿度等，它的控制是因势利导地利用天然气候资源，但也不是任由自然，其中涉入了部份的人工环境。如光照可以采用自然光透入或遮阴与补光的结合，湿度因受外界气候的变化而影响的程度得以改善，但又不是完全的可控，如在通风过程中都会提高或降低栽培环境湿度，但也可结合除湿或弥雾及加湿装置来进行适当的控制，温度除了利用外界热资源及内外热平衡的通风管理外，还可以结合降温与加温系统【4】。这种植物工厂的最大特点是，工业化程度极高，内部设施及栽培模式已完全以工业的模式进行，包括精密准确的自动化控制系统，植物标准化最优化的生长模式，最高效的立体利用，最为完善的流程管理市管理系统建立等；内部设施的建立，从栽培模式来说已完全实现了水培或气培，从空间利用来说已从原本的平面模式转为集约化程度极高的立体生产，从空间建设来说已从地上进入了地下，甚至在未来可以进入太空或极地与其它的星球；从管理来说已实现了完全的数字化，智能化，自动化甚至是无人化，从产品的输出来说就像工业产品一样，实现了完全的程序化可预测化和标准化；从环境来说是温光气热营养等因子的全方位人工环境，实现了闭锁型隔绝型不受外界任何影响的人工生态系统。总之来说，之所以叫植物工厂在于生产方式设施设备的完全工业化，你置身其间感受到的是真正的绿色生产车间与工厂的感沉，生产出来的产品完全是人工可控化的产品，包括质量外观及品质，包括产期与包装等。2.4农业的第四选择--植物工厂PaulKennedy在“迎向二十一世纪"(Preparingforthe21stCentury)中提到，马尔萨斯的预言并未成真的主要原因有三【5】：一是向外移民，光是自1814年至1915年间，英国就有二千万人移民海外，使得人口压力大幅减少。二是农业生的技术的改进所累积的效果。这些技术包括：轮作、育种技术、农地管理、马铃薯的引进及栽种、沼泽地的开辟、农耕新技术与运销管道的改进等，后世称之为“农业革命”。第三就是工业革命的技术突破。以机器代替手工，以蒸汽、电力取代人力、畜力的结果，造成英国生产力的大幅提高。工业革命与强调理性探讨的科学革命，共同创造出经济成长与技术突破的良性循环，人们终能免于马尔萨斯所深以为忧的可怕噩运。1960年代的农业技术似乎都不太管用了，但人类仍需不断提升农业生产力以喂饱全球人口，因此须考虑的是要如何技术革新，使得单位面积的产量能大幅提高且对地力之损耗及环境之污染达最小，以确保农业之永续发展。在新的农业革命进展的同时，还要能够导入自由经济市场的机制，以留下较强势的农户。究竟有无如前所述的农业呢?其实这不外乎就是选择“植物工厂”。日本植物工厂学会第一届会长－高汁正基称之为“农业的第四选择”【6】。植物工厂技术人工光闭锁型苗木生产系统是项高效而实用的新技术人工光闭锁型系统是实用的育苗系统采用该系统培育种苗具有生产上的实用性，具体理由如下：高密度繁育，不管是种子苗还是离体材料生根的快繁苗，培育密度可达500-5000株/平方左右，按照每苗0.3-0.8元计算，每平方米每批可产生产值150-4000元【7】。不算高的光照投入，以闭锁苗最适合的光环境计算，即于苗上方20cm处配置40W的萤光灯4-6支的光强度（即光量子为150-250仇molm-2s-1）充分照射补光，合计照明电气费与耗电费用，每株也是在0.07元以下。从成本利润角度来说是项值得投资的高回报项目。从播种或离体材料接种快繁，一般2-4周可出苗，或得更短，一年可以培育10-20批，再结合立体式与高密度育苗，每苗所耗的成本就变得非常之低，以每平方米周年育苗计算，可创造数万元的效益与价值。一个几十平方米的生产系统，一般可获利几十万至上百万元。采用闭锁型育苗技术生产的种苗可以做到根系发达茎干健壮的技术效果，是其它大田或温室育苗所不能比的，也就是它具有较强的抗逆性，即使在气候较差的环境下移栽，也可顺利快速地生长。高的设备设施利用率，这是常规自然光温室育苗所不能比的。现代的设施温室，特别是南方地区的温室，常因冬季日照少，难以利用日光实现温室增温效应。而采用闭锁型苗木生产系统，在完全不受外环境因子影响的情况下进行周年生产，总体耗能小而且又稳定，又不会受到病虫害的侵袭危害，可真正生产出无公害污染的绿色生态苗。可以灵活动用来提高劳动生产效率提高设施利用率，减少闲置期也是一个企业运作过程中提高劳动生产率的关键。闭锁系统下生产可以做到旺季不旺，淡季不淡，使设施设备的利用率大大提高。如果结合温室假植培育与冷贮技术，可以做到更高的生产利用率，即使生产栽培周期数月的品种，也可以进行周年生产。而传统的自然光环境育苗，常因夏日高温及冬日寒冷而影响设施设备的利用率，常有闲置现象产生，影响企业的生产运作，而闭锁系统能使生产劳动率得以最大化的发挥，能够在微小的空间内创造出更大的效益。闭锁系统除了育苗外，还是很好的药草与蔬菜生产系统。这种植物工厂式的闭锁育苗系统，是最科学精确的人工模拟环境栽培技术，利用它除了进行高效育苗外，还可以进行一些高附加值并且植株较小的药草类植物生产，如金线吊葫芦，铁皮石斛等，这些对自然环境要求较高，常规难以生产的植物利用该系统更具经济价值与有更高之效益。也可以利用该系统进行叶菜类的特色栽培，可以通过调节光波段与环境，生产出具有特殊外观与营养品味的特色蔬菜，这也是在常规环境下难以做到的，而且是完全无公害的免农药蔬菜，深受市民之欢迎。在都市区建立这样的一个系统，特适合于想在家创业的下岗工人或者行动不便的老人，而且是个高效益高回报的项目，是未来农业的一个发展方向与趋势。垂直农业垂直农业：第三次农业革命为什么要搞垂直农业呢？因为那样做就不再有土壤肥料流失的问题，我们一年四季都可以种植作物，也不怕恶劣的天气的干扰，此外，我们还能节省更多的能源，因为垂直农业无需（用机器）犁地。设想一下这样的情景：我们的城市里头有这样的可持续的垂直农业区，我们的城市将变成生态城市，我们可以通过循环利用，从尿液中提取水，从固体废物当中提取电能。戴斯珀米尔说所有这些技术都已经存在，我们需要的是一种决心、勇气与创造精神将这样的想法变为现实。垂直农业呼之欲出在摩天大楼里种粮食农业正在破坏环境，耕地不足以养活2050年可能达到的95亿人口。一座30层楼高，占地0.02平方千米的大厦可以生产的农产品，相当于户外9.6平方千米耕地的产量，而产生的负面影响要小得多。4.2.1“想买土地？他们已经不生产土地了！”为满足68亿人的需要，全球种植作物、饲养牲畜所使用的土地面积加起来相当于南美洲的总面积。到上世纪80年代，很多地方的农业生产远远超出了土地能够承受的生产能力，这已经非常明显。农业化学品已经破坏了营养物质恢复的自然循环(生态系统利用这种循环来自维持)。我们必须改变现有的农业技术，使之具有更强的生态可持续性。4.2.2传统农业耗了世界上可利用淡水资源的70%农业灌溉消耗了世界上可利用淡水资源的70%，由肥料、杀虫剂、除草剂及淤泥导致的污染使这些水无法饮用。如果这种趋势继续下去的话，某些人口密集的地区将不可能再提供足够多的安全饮用水。4.2.3在摩天大楼里种粮食成为可能由于众多原因，一个人口不断增长的文明社会需要另一种替代性的农作方式但城市中封闭的摩天大楼真的就是一个实用的选择吗？答案是肯定的，部分原因是在室内种植作物已经司空见惯了。三种主要技术 滴灌、气培(aeroponics)和水培(hydroponics),已经在世界范围内得到了成功应用【8】。可以建一系列覆盖整个城市的三十层大楼,这样就可以用垂直农场实现真正的城市可持续生活：城市废水可以作为灌溉用水重新回收利用,残存的固体废弃物以及不可食用的植物体都可以通过焚烧来制造驱动涡轮的蒸汽,为农场供电。利用现有的技术,就可以在室内种植大量的可食用植物,邻近的水产中心还可以饲养鱼、虾和一些软体动物。将食物生产和城市生活有机整合到一起,是走向城市生活可持续性的一个重大进步,将发展出一些新型工业,还将出现一些以前无法想象的城市职业——苗圃服务员、种植工和收获工等等。大自然则会从我们以前的破坏中得以修复,传统的农民将被鼓励去种草植树。最终,选择性砍伐将成为巨大的木材工业的常态。5LED植物光源5.1LED光源的合理搭配试验为了研究在全天候的植物工厂内，采用何种补光方式，以及哪种补光的光合效率最高，我们进行了光源的光质试验，并描绘了曲线图，分析生产上采用哪种光源与组合补光效果最佳。目前,用于补光的光源有荧光灯,高压钠灯,普通日光灯,这些是农业上常用的补光光源，近年随着LED技术的高速发展,成本越来越低，所以选择这种耗能省的冷光源将是未来植物工厂内的一种主要人工补光光源.为了探明与研究最佳LED光源的组合,我们进行了各种单色光的栽培试验,并描绘出相关的光合效率图,进行科学计算,得出最佳的光谱搭配与补光方式.从曲线分析以450左右的蓝光及630左右的红光相结合补光效率最高,促进光形态形成效果最好，一般(R/B)以5:1至10:1为好，并且在试验中发现，在相同补光时间下,以间歇或脉冲的补光方式最好,可节能20-30%左右【9】.5.2LED光源的间歇控制有利于提高光合效率LED植物工厂必将是未来植物工厂的一种重要光源,它除了节能耗电外,使用寿命也大大延长,而且可以进行跳动式的间歇照射,对于植物发育来说比连续照射更具效率.那么究竞是什么原因呢?从植物的光合生理为说,光反应过程分为明反应与暗反应两个阶段,植物的叶绿素a与叶绿素b在接受光照射后，受光量子激发而产生电子跃迁，形成电流，这些能量为光合成提供了大量的ATP能量,而这种把二氧化碳及水合成有机物的过程却是在暗反应条件下形成.根据这个机理进行闪动式补光与连续性补光的对比试验，在光量子相同的情况下,以明暗周期为1:2且幅度为200us:400us情况下进行萬巨栽培,发现日生长率可提高20-25%,甚至达30%以上,表现出明显的增长效果.那么这个幅度是根据什么原理而形成呢【10】?采用这种跳动的补光方法,在同样光量情况下,可以使效率大大提高,这对于节能及缩短植物生长发育周期来说意义较大,它的研究对于完全控制型的植物工厂内,人工光源技术方案的形成具有积极的指导意义.以下是同样光量下,不同光照方式下萬巨的生长量差异图片.当然,这种光照射方式是要在一定光强下面才表明为明显的差异,对原本弱光的环境下,跳动式与连续式差异不显著.这也与植物的光合机理有关,还需更进一步研究.6植物工厂的未来6.1新植物工厂的定义与特点新植物工厂的定义：就是利用新型的人工光源实现能耗最小化的植物工厂叫新植物工厂，也叫做第四世代农业，它是继露天的地面栽培---设施栽培 水耕栽培（水培）---植物工厂，是新生代的新型工厂化生产模式，之所以叫植物工厂，是因为栽培的空间实现了高度的全自动环境控制技术，使作物能在期间周年均衡供应生产的一种模式。在清洁甚至无菌化的环境中，采用完全人工可控的光环境，目前常用LED二极光的光源照射植物，进行光合补光，有些甚至采用了24小时的光源照射水培【11】，环境洁净无病虫滋生危害，无需采用任何药防措施，这种严密与外界完全隔绝的纯人工环境空间，可生产出完全无污染及残留的安全型蔬菜。这种基于新型光源的植物工厂叫新植物工厂，大多采用二导体光源，目前有二极管与激光发光技术在生产上已开始运用。它是一种较为节能的新生植物工厂模式，是未来发展的新趋势。人工光源是植物工厂中最重要的部份，也是有别于其它栽培模式的最大分野点，有完全人工光型植物工厂与半天候植物工厂，但严格意义的植物工厂是完全人工光型的植物工厂，它创造了一个完全人工的工业化生产环境。那么作为光源，传统植物工厂是采用高压钠灯与日光灯，最近随着半导体技术发展才形成了以LED为光源的新型植物工厂也叫LED植物工厂，甚至还有LD植物工厂的新生代植物工厂。这种光源节能而寿命长，已被发达的日本国所广泛推崇运用。可以按照植物生长或生产所需的特定波长进行定制与选择，是一种高亮度，高效率，长寿命，分量轻，安装方便的先进人工光源，更为重要的是这种新光源发光过程中不发热，可以贴近植物枝叶进行栽培，可以大提高光利用率与多层次生产的空间利用率，利用LED技术能为植物培育创造出最佳的光环境，是传统日光灯型或钠灯补光型工厂的提升与发展。6.2植物工厂未来路尽管植物工厂在产量和效率方面优点突出，但存在的问题也同样明显，那就是高昂的成本，在一定程度上影响了它的推广。一个一般规模的植物工厂，建成需要十几万元的投入，后期的运行和维护也是一笔花销，因此如何降低成本是下一步所要面对的问题。在降低建设成本方面，他们将主要致力于新材料的研发，制作出成本低、隔热保温性能好、便于安装的新材料【12】。而在运营方面，除了尽可能减少动力方面的消耗外，新能源的利用也是重要的手段。如果能使用太阳能、风能等清洁能源，虽然会增加前期投入，但运营费用也会大大降低。那么植物工厂这种生产方式，将来肯定会走向普及，但由于其需要一定的投入，因此全部使用它来供应粮食蔬菜并不现实，但在一些特殊环境下，比如极地或太空中，它作为主要供应方式还是有可能的。未来的植物工厂化生产 21世纪的农业无土栽培场所阳光照射器宇宙人工气候室4.输光管太阳能集光器未来宇宙航天器上的无土栽培装置想象