編者按

　　本文闡述植物工廠的整體概念和技術(shù)要點(diǎn)，論證了尖端科技融合的植物工廠的發(fā)展，展示了植物工廠作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新科技的應(yīng)用，植物工廠從根本上改變農(nóng)業(yè)種植的概念，植物工廠標(biāo)志著設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級階段，是最具有投資價(jià)值的新型產(chǎn)業(yè)。在城市內(nèi)建立以生產(chǎn)蔬菜為目的的植物工廠成為世界各國競相發(fā)展的新領(lǐng)域。

　　關(guān)鍵詞：植物工廠，植物人工輻射源，安全蔬菜

　　1、概述

　　植物工廠PF(Plant Factory)是農(nóng)業(yè)種植工業(yè)化的產(chǎn)物，是21世紀(jì)蔬菜種植發(fā)展方向，它標(biāo)志著設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級階段，是未來10年最具有投資價(jià)值的新型產(chǎn)業(yè)。在城市內(nèi)建立以生產(chǎn)蔬菜為目的的植物工廠成為世界各國競相發(fā)展的新領(lǐng)域。

圖：設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展過程

　　植物工廠最主要的特征是打破傳統(tǒng)蔬菜生產(chǎn)模式，通過對植物光合、溫度、二氧化碳濃度、營養(yǎng)液等實(shí)現(xiàn)人工控制的高效率種植，實(shí)現(xiàn)訂單化生產(chǎn)，蔬菜的生產(chǎn)周期不會(huì)因?yàn)樘鞖獾仍蚨淖儯a(chǎn)的蔬菜是真正的安全型蔬菜，水耕法(即無土培植)是植物工廠的主要手段，層架式結(jié)構(gòu)是主要形式，隨著以LED技術(shù)為基礎(chǔ)的植物人工輻射源(PARS)的應(yīng)用成本進(jìn)一步降低，植物工廠將迎來發(fā)展的黃金期。

圖：環(huán)境問題嚴(yán)重

　　植物工廠成為投資熱點(diǎn)的主要原因是：

　　1) 種植環(huán)境惡化，食品安全，醫(yī)療費(fèi)用增加等對蔬菜的安全性要求增加。

　　2) 全球氣候變遷的不確定性增加，水資源減少與土地沙漠化使得傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)遇到困境。

　　3) 城市化進(jìn)程帶來的城市人口增加，蔬菜供應(yīng)增大，而土地資源卻不斷減少。

　　4) 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引發(fā)的環(huán)境負(fù)擔(dān)不斷增加。

　　5) 城市蔬菜供給的物流成本增加，城市蔬菜價(jià)格上升，提供了產(chǎn)品盈利空間。

　　6) 為追求產(chǎn)量而在蔬菜種植中使用農(nóng)藥和防蟲劑，蔬菜污染憂慮增加。

　　7) 土地的重金屬污染與澆灌用水的工業(yè)污染問題突出。

　　8) 太陽能與風(fēng)能等清潔能源的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，地?zé)釕?yīng)用技術(shù)也逐步應(yīng)用。

　　9) LED技術(shù)的應(yīng)用成本下降，多波段光質(zhì)應(yīng)用。

　　2、植物工廠定義

　　植物工廠的定義：植物工廠是一個(gè)采用人工種植環(huán)境，實(shí)現(xiàn)全年固定周期量產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)訂單化生產(chǎn)，穩(wěn)定地提供無公害蔬菜的封閉的清潔生產(chǎn)環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境里，植物的光合作用(光質(zhì)，光量，光周期)、溫度、濕度、二氧化碳濃度、培養(yǎng)液成分、生產(chǎn)過程等都可以得到計(jì)算機(jī)與傳感器的有效控制，是以科學(xué)為基礎(chǔ)且獨(dú)立于經(jīng)驗(yàn)和直覺的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

圖：植物工廠概念示意圖

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　　植物工廠的優(yōu)點(diǎn)：

　　1) 產(chǎn)品是按照訂單生產(chǎn)，生產(chǎn)周期與產(chǎn)量可以穩(wěn)定。

　　2) 采用植物人工輻射源與溫度控制系統(tǒng)，不受地區(qū)氣候條件的影響。

　　3) 封閉的立體化種植，節(jié)省土地資源和防止污染。

　　4) 生產(chǎn)周期短，全年產(chǎn)量高，年產(chǎn)量是露天種植的4到8倍。

　　5) 可以做到真正的無公害安全蔬菜。

　　6) 生產(chǎn)人員按照程序規(guī)范生產(chǎn)，無需專業(yè)技術(shù)。

　　7) 工廠設(shè)置在城市內(nèi)的購物區(qū)或者工業(yè)園區(qū)，減少供應(yīng)物流成本。

　　植物工廠分類：

　　1) 按照光合作用分為兩類：完全人工輻射方式和太陽與人工輻射互補(bǔ)方式。

　　2) 按照種植結(jié)構(gòu)又分為平面種植和立體種植。

　　3) 按照種植方式分為土耕，水耕，霧耕。

　　4) 按照種植規(guī)模分為小型植物工廠(小于800平方米)，大型植物工廠(大于1000平方米)。

　　大部分的植物工廠采用的是立體種植的水耕法。

　　3、植物工廠與人造光源

　　植物工廠與人造光源的技術(shù)發(fā)展緊密聯(lián)系，植物工廠的概念是在人造光源的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，最早利用人造光源進(jìn)行的種植是在溫室進(jìn)行，其理論依據(jù)是植物光合作用的研究成果，在太陽光的可見光范圍內(nèi)(波長范圍：380nm-735nm)太陽光與人造光源的物理原理相同，只是兩者的光譜形狀不同，人造光源可以完全替代太陽光實(shí)現(xiàn)植物室內(nèi)種植。白熾燈、HID、熒光燈等人造光源已經(jīng)在溫室種植得到了廣泛的應(yīng)用，不同的人造光源在植物種植的區(qū)別是對電能的利用效率不同，提高電能利用效率直接導(dǎo)致種植成本的下降，然而，這些早期的人造光源在植物光合作用的吸收光譜方面卻無法有效的調(diào)節(jié)，植物的吸收率低，對電能的利用效率無法進(jìn)一步提高。

　　人類的技術(shù)進(jìn)步總是伴隨著能源利用效率的提高而發(fā)展，上個(gè)世紀(jì)九十年代初，發(fā)藍(lán)色光的LED(發(fā)光二級管)芯片制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，LED照明得到迅猛的發(fā)展，LED光源引發(fā)人造光源的變革，成為照明產(chǎn)業(yè)的主要光源，LED照明成為新一代光源的最主要特征是節(jié)能與環(huán)保， LED技術(shù)的發(fā)展對于農(nóng)業(yè)種植的人造光源也帶來新的進(jìn)步，LED技術(shù)不但在電能利用效率提高，而且，在植物光合作用的吸收光譜控制方面也是其他光源無法比擬的，LED技術(shù)也就成為植物種植過程中的最佳選擇。

表：各種人造光源的性能對比

　　我們這個(gè)星球最為神奇的現(xiàn)象是植物創(chuàng)造的，植物是地球上唯一可以把太陽可見光部分的輻射能轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的生物，如果沒有植物的光合作用，地球上就不會(huì)有動(dòng)物和人類，植物的光合作用是依靠有機(jī)物生存的其他生命的基礎(chǔ)。植物光合作用的研究表明，植物對太陽光不同波長的吸收是不同的，植物的光合作用主要依靠藍(lán)光與紅光這兩部分進(jìn)行，用人造光源代替太陽光時(shí)，最佳的人造光源是可以按照植物的吸收光譜配置，目前，只有LED可以做到這一點(diǎn)，因?yàn)長ED光源本身只能發(fā)出單一波長的光，LED光源發(fā)光波長在380nm到735nm范圍內(nèi)可以人為的控制，而其他光源幾乎無法做到。所以，LED作為植物光合作用的人造光源是最有效的和最節(jié)能的。采用LED技術(shù)對植物光合作用的光質(zhì)、光量、光周期的控制性能優(yōu)于其他人造光源。

圖：植物的光合作用

　　4、植物工廠的核心技術(shù)

圖：物工廠的核心技術(shù)

　　1)、植物的光合作用實(shí)質(zhì)上是對太陽輻射的光子的生物化學(xué)反應(yīng)，植物的光合作用是由太陽輻射的光子產(chǎn)生的，所以，我們把用于種植的人造光源稱為植物人工輻射源(Plant Artificial radiation sources)簡稱PARS，如果用“照明”概念下的流明、照度等參數(shù)標(biāo)定植物的光合作用會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用錯(cuò)誤，LED植物人工輻射源波長范圍在太陽輻射范圍內(nèi)，對植物與人的身體是安全的。

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圖：植物吸收光譜與太陽光譜

圖：各種人造光源光譜

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　　2)、溫度與濕度的控制在植物工廠里也起到關(guān)鍵作用，植物工廠要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)周期最小化且供貨周期固定的生產(chǎn)模式，生產(chǎn)環(huán)境的溫度與濕度的控制可以保證植物在最佳溫度環(huán)境的快速生長，在植物工廠里溫度控制也是衡量植物工廠能耗的主要指標(biāo)。

　　3)、植物工廠一般采用水培或者霧培的種植方式，這兩種方式的基質(zhì)是營養(yǎng)液，對營養(yǎng)液的成分指標(biāo)的自動(dòng)化控制也是保證植物工廠最小周期生產(chǎn)的主要手段，營養(yǎng)液自動(dòng)化控制主要包括：液溫、EC、ph、溶氧以及營養(yǎng)液成分的補(bǔ)充、營養(yǎng)液的循環(huán)處理。

　　4)、植物的光合作用吸收二氧化碳，釋放出氧氣，植物生長環(huán)境的二氧化碳濃度控制也是保證植物快速生長的條件之一，在植物工廠的環(huán)境控制系統(tǒng)中，都設(shè)置有二氧化碳濃度控制裝置，同時(shí)，植物光合作用產(chǎn)生的氧氣也需要采用過濾通風(fēng)設(shè)備排出?？諝膺^濾裝置也有效防止病菌的侵入，在植物工廠里，農(nóng)作物幾乎沒有病蟲害的襲擾。

　　5)、植物工廠的數(shù)據(jù)檢測與傳輸采用無線網(wǎng)絡(luò)，環(huán)境檢測、營養(yǎng)液檢測等數(shù)據(jù)需要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持，植物工廠的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)是距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是典型的周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的傳輸應(yīng)用，各種傳感器與控制器大多采用控制簡單、距離短、功耗小、低速率的雙向無線通訊技術(shù)。

圖：植物工廠的數(shù)據(jù)檢測

　　5、立體種植是植物工廠的特色

　　在植物工廠里，層架式立體種植是高效種植的另一個(gè)手段，與平面種植相比，立體種植對土地的利用率達(dá)到4-8倍，立體種植的管理效率也遠(yuǎn)高于平面種植，自動(dòng)化耕種容易實(shí)現(xiàn)，立體種植把植物工廠引入小型化，數(shù)百平方米的小型植物工廠將是未來城市蔬菜供應(yīng)的主要來源。

　　6、食品安全是植物工廠的目的

　　食品安全問題是植物工廠概念的主要目的，植物工廠的產(chǎn)品安全性是最有保障的，植物工廠對各種食品安全指標(biāo)是完全可控制的，植物工廠的生產(chǎn)環(huán)境是相對封閉的，內(nèi)外空氣交換需要過濾，基本上防止了病毒蟲害入侵，植物工廠采用水培或霧培，使用的水質(zhì)與營養(yǎng)液的有害成分的檢測與控制是自動(dòng)化完成的，重金屬等不可能出現(xiàn)在植物工廠的產(chǎn)品里，植物工廠無需使用農(nóng)藥與生長素，同時(shí)，植物工廠里使用的種植設(shè)備采用抗微生物材料，植物的種子是經(jīng)過消毒處理，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的微生物比傳統(tǒng)蔬菜種植降低數(shù)千倍，植物工廠產(chǎn)生的蔬菜可以達(dá)到無農(nóng)藥、無重金屬、低硝酸鹽、低生物菌，植物工廠生產(chǎn)的蔬菜可以直接食用的，通過光質(zhì)與光量的調(diào)整，可以改善蔬菜的營養(yǎng)與口感，植物工廠的蔬菜是全球范圍內(nèi)安全度最高的蔬菜。

　　植物工廠生產(chǎn)的蔬菜，由于整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都符合安全型蔬菜生產(chǎn)的要求，生產(chǎn)的產(chǎn)品是健康食品，植物工廠的產(chǎn)品都標(biāo)注無農(nóng)藥，成為安全蔬菜的標(biāo)志。

　　7、植物工廠生產(chǎn)流程

　　在植物工廠里，植物的生長環(huán)境被設(shè)計(jì)成最佳條件，植物的生長周期基本固定，植物工廠的生產(chǎn)流程可以重復(fù)，工人不需要了解種植知識和種植經(jīng)驗(yàn)，只需要按照種植流程工藝進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)模式，形成訂單化重復(fù)生產(chǎn)。

(上篇結(jié)束)