植物工厂背景技术

一概述

植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段，是一种高投入、高技术、精装备的生产体系，集生物技术、工程技术和系统管理于一体，使农业生产从自然生态束缚中脱离出来，按计划周年性进行植物产品生产的工厂化农业系统，是农业产业化进程中吸收应用高新技术成果最具活力和潜力的领域之一，代表着未来农业的发展方向。

背景技术

“植物工厂”是指在一定人工环境控制及生产管理下可以全年无休的植物栽培系统。进一步言之，“植物工厂”就是利用高科技栽培方式，配合电脑化自动化调控系统，将植物栽种在一个受到控制犹如工厂厂房的封闭性空间环境内，该空间内的二氧化碳、氧气、温度、湿度、肥料养分、光照等物化及微气候条件均受控制，使植物的生长速率、品质及产量，可不受气候、环境与季节变化的影响，使植物的生长在如同工厂的生产线上进行，而能使收成作物具有精细化、均质化及丰产性等特点。

环视地球的环境问题，不论土壤或气候皆日渐恶化，尤其气候环境的多变及难以捉摸的特性，皆使露天式栽种方式及轻设施栽培方式容易受到气候的影响，从而造成栽种生产过程中的损失，故“植物工厂”可以在有限的土地面积上，以最集约的栽培技术，生产出品质好、产量高的经济作物（蔬菜即为一例），并达到栽培环境管理自动化和操作空间清洁化，节省劳力以及从事者年轻化等目标，所以“植物工厂”是现代农业技术的重要发展，已受到各国政府及相关学术机构的重视。

二定义

植物工厂（p lant factory）的概念最早是由日本提出来的。植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO2 浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约的省力型生产。植物工厂是现代农业的重要组成部分，是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是现代生物技术、建筑工程、环境控制、机械传动、材料科学、设施园艺和计算机科学等多学科集成创新、知识与技术高度密集的农业生产方式。

三历史发展

1957年世界上第一家植物工厂诞生在丹麦，1974年日本等国也逐步发展起来。美国犹他州立大学试验用植物工厂种植小麦，全生育期不到2 月，一年可收获4－5 次。20 世纪60 年代初次进行植物工厂的试，并开始推。1964年奥地利开始试验一种塔式植物工厂（高30 米、面积5000 平方米）。该国鲁斯纳公司的塔式植物工厂已在北欧、俄罗斯、中东国家采用。奥地利的一家番茄工厂，工作人员仅30 人，平均日产番茄13.7 吨，生产 1 公斤番茄耗电9－10kw.h，成本只有露地的60％。1971

年丹麦也建成了绿叶菜工厂，快速生产独行菜、鸭儿芹、莴苣等。1974年日本建成一座电子计算机调控的花卉蔬菜工厂，该厂由1 栋2层的楼房（830 平方米）和两栋栽培温室（每栋800平方米）构成，在一年内生产两茬金香、两茬垄民花、一茬番茄，做到周年生产。至1998年，日本已有用于研究展示、生产的植物工厂近四十个，其中生产用植物工厂17 个。2004年，中国农业大学开发了利用嵌入式网络式环境控制的人工光型密闭式植物工厂。

四分类与特征

关于植物工厂的分类，因所持的角度不同，其划分方式也各异。

从建设规模上来分可分为大型（1000m以上）、中型（300~1000m）和小型（300m以下）三种；从生产功能上来分可分为植物种苗工厂和商品菜（果、花）植物工厂；从其研究对象的层次上又可分为以研究植物体为主的植物工厂、以研究植物组织为主的组培植物工厂、以研究植物细胞为主的细胞培养植物工厂。但目前，比较习惯的分类方法是按照植物生长中最重要的条件之一——光能的利用方式不同来划分，共有三种类型，即太阳光利用型、人工光利用型、太阳光和人工光并用型。其中，人工光利用型被视为狭义的植物工厂，称为密闭式植物工厂，它是植物工厂发展的高级阶段。

植物工厂的共同特征是：有固定的设施；利用计算机和多种传感装置实行自动化、半自动化空盒子；采用营养液栽培技术；产品的数量和质量大幅度提高。

数字植物工厂是一种通过设施内高精度的环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是由计算机对植物生育过程的温度、湿度、光照、CO2 浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，不受或很少受自然条件制约的全新生产方式。

由于数字植物工厂充分运用了现代工业、生物工程和信息技术等手段，技术高度密集。多年来，数字植物工厂一直被国际上公认为设施农业发展的最高级阶段，成为衡量一个国家农业高技术水平的重要标志之一，目前仅有日本、美国、荷兰等少数发达国家掌握这项技术

数字植物工厂不占用农用耕地，产品安全无污染，操作省力，机械化程度高，单位面积产量可达露地的几十倍甚至上百倍，因此又被认为是21 世纪解决人口、资源、环境问题的重要途径，也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段

数字植物工厂技术的突破将会彻底解决人类发展面临的诸多困惑，甚至可以实现在荒漠、戈壁、海岛、水面等非可耕地，以及在城市的摩天大楼里进行作物生产。利用取之不尽的太阳能，加上一定的种子和矿质营养，就可源源不断地为人类生产所需要的食品。近年来，一些耕地资源紧缺的发达国家正在加大资金与技术的投入，加紧数字植物工厂的研发和推广工作，在日本，政府采取补贴50%的手段，推进数字植物工厂的发展，预计3年后将新增150 座数字植物工厂

这个国内第一例智能型数字植物工厂建筑面积为200平方米，共由植物苗工厂和蔬菜工厂两部分组成，以节能植物生长灯和LED 为人工光源，采用制冷-加热双向调温控湿、光照-C O2耦联光合调控、空气均匀循环与流通、营养液（E C、pH、DO 和液温等）在线检测与控制、图像信息传输、环境数据采集与自动控制等13 个相互关联的控制子系统，可实时对植物工厂的温度、湿度、光照、气流、CO2 浓度以及营养液等环境要素进行自动监控，实现智能化管理。植物苗工厂由双列五层育苗架组成，种苗均匀健壮，品质好，单位面积育苗效率可达常规育苗的40 倍以上，育苗周期可缩短40%以上。蔬菜工厂采用五层栽培床立体种植，栽培方式选用DFT（深液流）水耕栽培模式，所栽培的叶用莴苣从定植到采收仅用16-18 天时间，比常规栽培周期缩短40%，单位面积产量为露地栽培的25 倍以上，产品清洁无污染，商品价值高。

植物工厂作为设施园艺的最高级发展阶段，集中应用了现代生物技术、新型材料、环境控制和信息技术的最新科技成果，是现代农业高新技术集成的产物。因此，高新技术的广泛应用和不断创新是植物工厂发展的重要特征。

LED 光源

光是植物工厂最重要的环境因子之一，光能消耗约占植物工厂运行费用的20％～40％，能耗问题一直是影响植物工厂推广普及的重要限制因素。近年来，LED光源的研究与开发为植物工厂尤其是人工光利用型植物工厂的发展提供了良好的契机，使植物工厂的普及应用成为可能。

LED 概况

LED 是英文Light Emitting Diode(发光二极管)的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，因此LED的抗振性能较好。

利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。LED 光源具备以下特点：·使用低压电源，供电电压在6～24V 之间，比使用高压电源更安全。·节能高效，消耗能量较同光效的白炽灯减少80％。·适用范围广。形状很小，每个单元LED小片是边长为3～5mm 的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。·稳定性强。可以使用5 万小时以上，光衰为初始的50％。·响应时间快。白炽灯的响应时间为毫秒级，