植物工厂项目建设的价值及关键技术和创新探究.pdf

2021年第 04期 现代园艺 植 物工 厂项目 建 设的 价 值 及 关 键 技术和 创 新 探究 李 冠男 郭奇 梅 高 峰 秦 冬梅 张庆 霞 甘 肃 农 业 职 业 技 术 学院 甘 肃 兰 州 730030 摘 要 植 物工 厂 是 通 过 智 能 化 技 术 实 现 对 作物生 长 环境 进 行高 精 度 控制 的 高 效 农 业 系 统 本 质 上 是 以 智 能控制 为 核 心 为 作物生 长 创 造 最 适 宜 的 环境 不 受 外 界 自 然 条件 的影响 本 研究在 现有 连 栋 温 室 和 校 内 试验 室 基 础 上 建 设 的 封闭 型全 天 候 植 物工 厂 为 基 地 借 鉴 丹 麦 荷 兰 日 本 等 发 达 国 家 的 技 术 经验 分析 了 植 物工 厂 项 目 建 设 的 价值 关 键 技 术 和 创 新 关 键 词 植 物工 厂 农 业 生 产 栽培 技 术 植物 工 厂 农 业 现 代 化 机 械 化 和 智 能 化 发 展 的 高 级 阶段 是 目前 最先 进 的农 业 栽培 技 术 植物 工 厂 就 是 采 用 高 精 度 环 境 控 制 的 智 能 技 术 给 植 物 创 造 最 适宜 生 长 的人 工 环 境 高 智 能植物 工 厂 不 仅 能 够 对 作 物 生 长 的 温 湿 度 光 照 二 氧 化 碳 浓度 肥 料 营养液 等环 境 条件进行 控 制 作 物 的生 产 流 程高 度 清 晰 即 播 种 育苗 定 植 收 获 包装 等 分 工 明 确 而 且 利 用 高 度 密 集 的 现 代 装 备 生 物 技 术 营养液 栽培 与 智 能 信息 技 术 等 手 段 实现 高 精 度 的 智 能 化 控 制 将会 颠 覆 传统 农 业 种 植 对 自然 条件 的 依 赖 甚 至 未 来 在 外 星 球 进行 植物栽培 也 成 为可能 1 植 物工 厂 建 设的 价 值 1 1 带 来了 超 高 的 农 业 生 产 率 植物 工 厂 的作 物 生 长 周 期大大 缩 短 能 够 一年 四 季 不 间 断 生 产 比 如 生 菜 小 白菜等 20d就 能 收 获 比 露 天 栽培 节 省 了 一半 时 间 一 般 作 物 如 果 以 生 长 周 期 按 照 2 个 月 来 计 算 每 年 最 多 能 够 收 获 6 次 可有效解决 全 球 食品供 给 问题 基于此 植物 工 厂 技 术 在日 本 得 到了 快 速 发 展 日 本 借 鉴 丹 麦 和 荷 兰 的 植物 工 厂 应 用经 验 早 在 20世 纪 80年 代 日 本 就 曾 经 展 览 了 单 株 13000多 个 果 实 的 西 红 柿 王 在 奥 地 利 的一 家 番 茄 工 厂 仅 30名 员 工 番 茄 日 常 产 量 就 超 过 13 7t 且 耗 电 量 仅 有 传统 生 产方 式 的 60 植物 工 厂 的 西 红 柿 单 株 产 量 可过 千 斤 水 稻 一年 能 够 生 产 6季 黄 瓜 产 量 可提高 200多 倍 1 2 推 动 绿 色 生态农 业 的 发 展 植物 工 厂 通 过 配置 循环 营养液 来 满 足 作 物 生 长 营养液集 合了 植物 生 长所 必 须 的 各 种 营养 物质 矿 物 元素 和 微量元素 能 够 在 无 土 栽培环 境 下实现 快 速 生 长 并且 将 作 物 生 长 完 全 进行 数 字 化 和 智 能 化 控 制 从 生 长 发 育 的 每 一 个 周 期 到收 获 日期 都 是 确 定 的 植物 工 厂 可 以 生 产 大量 无 公 害 蔬菜 其 产品无 污 染 无 残 留 而 且 营养 价 值 更高 更 快 更 好 而 且具 有 经济 效 益 地 实现绿 色 农 业 比 如 使 用 LED补 光 技 术 生 产 的生 菜 Vc和 Va分 别 提高 4倍 和 12倍 在 植物 工 厂 模 式下 生 产 的作 物 不 仅 不 受到 外 界自然 条件 的 限 制 和 影响 而 且 不 受 自然 病 虫 侵 害 与 土壤污 染 1 3 改 变 了 传 统 农 业 生 产 模 式 植物 工 厂 集 合了 多种 高 新 技 术 能 大大 节 约 人 力 改 变 了 传统 农 业 靠 天 吃 饭 的生 存 模 式 实现 了 农 业 生 产 的 颠 覆 性 创 新 甚 至 能 改 变 城 乡 经济 发 展 不 平 衡 的 现 状 植物 工 厂 在 荒 漠 戈 壁 海 岛 水 面 城 市 建 筑 甚 至 是 外 太 空 等 不 同 的 非 耕 作 环 境 下 都 能 实现 种 植 而 且 大量 利 用 清 洁 能源 给 人 类 带 来 了 源 源 不 断 的 食品供 给 通 过 立 体 栽培方 式 能 大大 提 升 空 间 利 用 率 和 单 位 面积 产能 加 高栽培 模 组 层 数 比 如 在中科 三 安 植物 工 厂 每 年 可 进行 20多 次叶 菜 生 产 单 位 面积 产 量是 露 天 栽培 的 100倍 以 上 目前 日 本 等发 达 国 家 的 植物 工 厂 已 经 实现 地 下 生 产 可 充 分 利 用城 乡 地 下 室空 间 1 4 具 有 重 要 社 会 实 践 价值 和 科 研 意 义 植物 工 厂 不 仅 是 重 要 的农 产品供 给 基 地 也是科 研 旅 游 和 商 业 交流 的 重 要 场 所 作 为目前 最先 进 的种 植 模 式 目前发 达 国 家 的 很 多 植物 工 厂 已 经 成 为 了都 市 人 认 识 农 业 认 识 自然与 植物 的 教 育 窗 口 很 多学生 来 到 植物 工 厂 进行 生 物 技 术 兴 趣 实 践 很 多 都 市人 来 到 植 物 工 厂 进行 参 观休闲 植物 工 厂 还 能 够 按 照 人 工 研究 的 农艺参 数 为 生 长 创 造 仿 真 最 佳 生 长 模 式 为 农 业 专 家系 统 的 研究 与 运 用创 造 出 最好 的 平 台 尤 其 是 在 基因 工 程 方 面 效 果最 为 显著 可 以 利 用 植物 工 厂 的 精 准 控 制 技 术 最 大化 表 达 植物基因 实现 目 标 基因 最 优 的 目 的 2 植 物工 厂 栽培的 关 键 技术 2 1 品种 选择 引 进 优秀 园艺作 物 进行 植物 工 厂 培 养 品 种 要 适 应 植物 工 厂 生 产栽培 条件 高质高产 市 场 需 求 大 比 如 日 本 安 濃 交 系 列 西 红 柿 品 种 年 产 量 可 达 55t 1000 m 2 番 茄 在 无 土 栽培 中 地 上 部 烟 草 花 叶 病毒和 黄 化卷 叶 病毒等较为 频 繁 出 现 因此 在 育 种中 要 充 分 考 虑 地 上 部的 抗病性 在 低 段 高 密 度 周 年 栽培 中 根据 季 节 变 基金项目 甘肃 省 高 等学 校 创新 能力 提升 项目 项目编号 2019B 257 作者简介 李 冠 男 1980 男 汉族 甘肃 兰 州人 博士 副教授 研究方向 蔬 菜生物技 术 蔬 菜 育种 蔬 菜栽培等 经 验 交流 193 2021年第 04期 现代园艺 化 选择 品 种 在 长 季 节 栽培 中 选择 耐 病性较 强 的 品 种 对 于 番 茄 来 说 要 选择 植 株 节 间 长 冠 层 透 光 率 高 的 品 种 同 时 品 种 还 应 具 有 单 性 结 实 的 特 性 2 2 育 苗技 术 育苗 决 定 了 栽培 的 成 败 采 用 标 准 化 管 理 方 式 在 全 封 闭 育苗 室 以 立 体 栽培 的 方 式进行育苗 控 制 内部 光 环 境 温 湿 度 气 流 CO 2 浓度 等环 境 条件 全 天 候稳 定 运 行 选择 较低 强度光 照 节 约 用 电 成本 比 如 适宜 光强度 在 100 400 moL m 2 s 采 用 水 环 式 供 应 系统 减少水 肥 使 用量 实现 精 准 管 理 和 控 制 2 3 栽培 技 术 采 用 营养液 无 土 栽培 技 术 进 一 步 提高 水 肥 利 用 率 在 栽培 种 实 时 对 植 株 的生 长 状态 比 如 茎 粗 叶面 积 叶 片 数 进行定 期 监 测 栽培 中 对 EC值 筛 选 营养液 配 方 光 照条件 温 度及 空 气 湿 度 等 相 关 参 数 进行 优 化 然 后 利 用 营养液 自 动 灌 溉 系统 灌 溉 以 少 量 高 频 为 原 则 注 意 作 物 的 吸 收 量 根据 光 照 和 温 度 的 变 化 而 变 化 在 栽培 中也 可 以 利 用 植 株 水 分 胁 迫 技 术 提高 果 实 品质 2 4 光 照管 理 光 照 管 理 决 定 了 作 物能 否 高效 生 产 也 决 定 了 植 物 工 厂 成本 因此 要 对 光 环 境 进行 精 准 调控 充 分 利 用 太 阳 能 虽 然 前 期 投 入较 大 但 后 期 成本 会 逐 渐 降 低 太 阳 光 中 有 5 的 光 能 够 被 作 物 利 用 因此 要 在 红 光 和 蓝光 的 基 础 上 添 加 一 些特 殊 光 质 成 分 生 产 中 注 意 不 要 一 味 提高 光 照 强度 因为 强度 过高会产 生 光 抑 制 现 象 既 浪 费 能源 也 影响 作 物 生 长 光 照 利 用 方 式 上 以 太 阳 能 利 用 和 人 工光利 用 结 合 的 方 式 将 太 阳 光 和 LED光 结 合 为 降 低能 耗 采 用 太 阳 能发 电 技 术 结 合 风 能发 电 等 清 洁 能源 技 术 实现 节 能目 的 同 时 利 用 光 导 技 术 实现 光 能 的 充 分 利 用 不 断 优 化 光 配 方 提 高 工 厂 化生 产 水 平 2 5 环境 控制 技 术 植物 工 厂 对 栽培 空 间 的 洁 净 度要 求 较高 采 用 智 能 化 装 置对营养液进行 精 确 配置 灭菌 输 送 回 收 除 定 量 自 动供 应 和 补 液 外 还要 实 时 监 控营养液 浓 度 成 分 酸 碱 度 变 化 确 保作 物 处 于 最 佳 生 长 环 境 地 上 部 环 境 控 制 方 面采 用 太 阳 能 集 热 技 术 热 泵 调 温 节 能 技 术 喷 雾 降 温 技 术 CO 2 施 用技 术 结 合 物 联网 等 技 术 全 面 分 析 作 物 生 长 状 况 针 对每 种作 物 在不 同 发 育 阶段 的 光 需量 进行调 节 此 外 目前 机 器 人 采 收 技 术 在 本 基 地的 应 用 条件 还 不 够 成 熟 但 逐 渐 在 考 虑 引 入 通 过机 器 人 采 收 不 仅 可 以 减少 劳 动力 投 入 还 能将机 器 人 和 智 能 控 制 系统结 合起 来 提 升 智 能 监 测 水 平和 管 理的 精 确 性 3 基于 次 生 代谢 的植 物工 厂 技术 创 新 我国 目前 建 设 了 多 个 大 型 中 型 小 型 微 型 植物 工 厂 生 产 了 大量 苗 木 蔬菜 水 果 花 卉 食 用 菌 粮 食 作 物 中 药 等 但 在技 术 创 新上 仍 然 有 待 提高 本 研 究 针 对 日 常 栽培 经 验 提 出 了 一 条 创 新建 议 即 在 培 育 过程 中 充 分 利 用 植物 的 次 生 代谢 功 能 提高 作 物抗 逆 性 让 植 物 在 艰 苦 的 环 境 中 培 育 出 优 良 品质 虽 然 利 用 次 生 代谢 功 能培 育 的作 物产 量 较低 但 品质较 好 因此 可 以通 过 对 植物 工 厂 的 环 境 控 制 开 启 作 物 次 剩 代谢 的必 要 条件 如 给 植物 创 造 逆 境 对 植物 进行 生理 胁 迫 根据 各 种作 物 次 生 代谢 特 点 运 用 智 能 技 术 加以 引 导 诱 导 共同 基 因 传递 不 同 的 逆 境 信 号 调控共 同 的 酶 和 功 能 蛋 白 产 生 共同 的 代谢 物质 构 建 高效 的 抗 逆 防 御 体 系 其 中 要 采 用 诱 导 胁 迫 方 式 将 营养液 控 制 和诱 导 胁 迫 结 合起 来 让 植物 早 期 就 具 有 免 疫 力 具 体 可 采 用 营养 拌 种 种 子 抗性 锻 炼 及 作 物 生 长时 期不 间 断 地 进行 略 带 伤 害 性 的 操 作 包 括 间 苗 铲 趟 耘 剪枝 打 叉 采 摘 等 都 是 开 启 次 生 代谢 的 良 好 途 径 在生 长 阶段 不 使 用农 药 激 素 和 除 草 剂 而 是 使 用 有 益 微生 物 菌 剂 进行喷施 让 作 物产 生内 源 激 素 同 时 也 可 以 利 用 智 能 控 制 系统 模 拟 灾 害 天 气 和 特 殊 气 候 给 作 物 施加 约 束 条件 既 能 让 作 物更 好 地 产 生 抗 逆 性 又 能 让 作 物病 虫 草 和 其 它 灾 害 到 来 之 前开 启 次 生 代谢 抗 逆 性 是 植物 与生 俱 来 的 特 性 不需 转基因 只 需 要 胁 迫 和 背 养 就 可 以 提 升 农作 物品质 次 生 代谢 功 能和 全 营 养液 材 料 完 美 匹 配 是生态农 业 的 首 选 结 合 植物 的化 感 作用 能 够 有效 抑 制 病 虫 害 比 如 使 用 EDTA和植物 氨 基 酸液肥 能 够 控 制 作 物 的生理 性病 害 和 土传 病 害 4 结 语 植物 工 厂 是 未 来 农 业 的 发 展 方 向 描绘 了 人 类未 来 农 业 生 产 形 态 当 前 已 经 从 传统 光 生 物产 业 发 展 到 智慧 控 制 阶段 不 仅 能 够节 约 人 力 劳 动 提高产 量 而 且 还 能 够 控 制 作 物 生 长 形 态 因此 在 未 来研究 中 要 结 合 基 地 试验成 功 经 验 改 进 植物 工 厂 家 庭 化 技 术 学 习 发 达 国 家 都 市农 业 家 庭 园艺生 产和前 店 后 场 等 模 式 不 断 创 新 提 升工 厂 化 水 平 参 考 文 献 1 刘 庆 鑫 方 慧 李 宗 耕 等 自 然 光 植 物工 厂 多 层 立 体 栽培 补 光 对 生 菜 产 量 和 品质的影响 J 中国 农 业 大学学报 2019 24 01 98 105 2 鞠 红 艳 李 季 孙 艺 哲 等 微型 植 物工 厂 LED多 光 谱 补 光 系 统 的 设计 与应用 J 吉 林 农 业 大学学报 2020 42 1 113 118 3 魏 轶 凡 毛 罕 平 左 志 宇 家 用 微型 植 物工 厂 结 构 设计 与 生 菜 栽培 试验 J 农 机 化 研究 2019 41 11 104 109 4 杨 泽 文 贾 鹤 鸣 宋 文龙 等 基 于 能 量 角 度的 植 物工 厂 优 化 控 制 J 江 苏 农 业 科学 2018 46 14 238 241 5 曾祥河 雷 涛 林 光 耀 等 一种 智 能 家 庭 式 植 物工 厂 的 创 新 设 计 J 机 电 信 息 2018 27 138 139 责任编辑 舒丹丹 经 验 交流 194