植物工厂项目建设的价值及关键技术和创新探究_李冠男.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 DOI 10 14051 ki xdyy 2021 04 084 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