我国智能化植物工厂发展现状与对策建议.pdf

76 2023 年 4期 摘 要 植物工厂是农业发展的一种高级阶段 通过生物技术 工程技术和自动化技术 实 现高效的作物选育和生产 将农业生产与自然环境分离 不仅提高了农业生产的效率和质量 同 时为农业生产带来了更多的可能性 本次研究主要就植物工厂的背景 现状 当前存在的问题及 发展建议进行了几种讨论 希望通过本文的阅读 能够给植物工厂相关领域的研究者或工作者提 供一定的帮助和启发 关键词 智能化 植物工厂 发展现状 我国智能化植物工厂发展现状与对策建议 红河职业技术学院现代农业学院 许冬月 溥依然 陶金福 朱自坤 植物工厂是工业发展的一种高级阶段 通过开辟 一种特殊的空间 利用生物技术对植物进行栽培 使 农作物的生长脱离土壤 河流 阳光等自然条件的束 缚 解决了农业生产和土地利用之间的矛盾 通过工 厂化的生产模式 实现集中 高效 智能化的作物生 产 对于作物的产量 质量具有一定程度的保证 不 过植物工厂对于相关技术要求高 初始成本投入大 中期管理要求严格 当前我国的植物工厂发展尚处于 初级阶段 规模小 效益不显著且存在不少问题 若 不能给予解决 势必会对我国的农业发展造成一定的 影响和阻碍 1 1 植物工厂的研究和发展背景 植物工厂是农业生产的一种高级阶段 从当前的 客观条件来讲 植物工厂的出现存在一定的必然性 一方面 是由于人口增加 土地利用问题越发矛盾 为了保证我国农业生产 我国在农业用地的使用方 面有着较为严格的规定 虽然保证了耕地面积 但 是建筑用地的减少 一定程度上制约了经济的发展 本质上并不利于人们生活水平的提高 2 另一方面 人口的持续增加 使得作为餐饮基础的农作物产品 需求量与日俱增 加上人们生活水平不断提高的前 提之下 对于农作物产品的需求 已经从果腹发展 为绿色 营养 美味等 市场需求的不断膨胀以及 对农产品质量需要的多样化 高级化 也给传统农 业生产带来了挑战 最后 我国作为拥有数千年农 业生产历史的农耕大国 农业生产经验非常丰富 但是就当前而言 我国很多农业生产模式也已经遇 到了不小的问题 土壤肥力的不断下降 农药化肥 的泛用对环境带来的污染 塑料地膜等农具回收困 难 这些问题的汇集 对于农业生产的产量 质量和 成本都造成了影响 植物工厂实际上就是将植物播种 育苗 移栽 管理和收获等过程集中在一个空间内进行 借助现代 工业生产模式 借助生物技术 工程技术 智能技 术和自动化技术 快速 高效地完成上述过程 因 为利用了各种自动化技术和智能技术 整个过程的 操作更加精确 控制管理更加可靠 对于人力的使 用相对减少 解放人力的同时 也避免了人工管理 农业生产工作中存在的误差隐患 除此之外 植物 工厂应用大量生物技术 使得部分作物能够脱离土 壤 河流 阳光等自然条件生长 这有效地提升了 土地的利用率 以较小的生产空间 完成了更高水 平的农业生产工作 植物工厂利用各种生物技术提 升作物的质量和产量 在整个种植和农业生产过程 中 借助光照 水分 营养液等使用量的调节 有 效提升了产量 并且大量借助生物技术进行病虫害的 防治 避免了农药和化肥的使用 符合当前对于农业 生产绿色无污染的要求 植物工厂内部的光照 温度 湿度 二氧化碳 浓度等都受到精准调控 为各生育阶段提供最佳生长 环境 植物工厂的出现 既解决了当前农业生产与土 地利用之间的矛盾 释放了大量的土地和劳动力 又 利用生物技术 有效提升了农作物的产量和质量 进 一步满足了消费者对于农业生产的需求 利用植物工 厂 可进行加代育种 使育种周期大幅缩短 为加速 作者简介 许冬月 女 1986年出生 云南红河州人 硕士研究生 讲师 研究方向 种质资源保护与利用 通讯作者 朱自坤 男 云南曲靖人 硕士研究生 研究方向 现代农业技术推广 DOI 10 15989 ki hbnjzzs 2023 04 020 2023 年 4期 77 作物育种 保障粮食安全提供了全新的技术途径 在 生产过程中 也减少了对于环境的污染 进一步践行 绿色农业 对于我国可持续发展战略的实现具有十分 积极的意义 3 2 我国植物工厂的发展现状 近年来 我国植物工厂发展速度很快 但是从整 体来看 仍旧处于起步阶段 相较于当前相关技术已 经发展非常成熟的美国 日本 瑞典 荷兰等国家 尚有巨大的差距 这些差距集中体现在以下几个方 面 一是规模 我国作为人口大国和农业大国 虽 然当前植物工厂数量激增 但是由于农业生产基数 大 目前植物工厂在农业生产中发挥的作用几乎可 以忽略 规模难以满足农业生产的真正需求 4 二 是硬件设施上 相关技术的自主研发和生产目前依 旧不足 部分核心技术依赖进口 这导致了很多植 物工厂的硬件设备不足 自动化水平低 部分植物 工厂仍旧依赖人工管理 导致了生产的效率和准确 性不足 三是数据和学术技术薄弱 由于我国在相 关的技术研究发展方面起步较晚 距离西方发达国 家存在一定程度的滞后 这导致了在很长一段时间 我国都是不断向西方发达国家学习 这导致学术根 基相对比较薄弱 在农业生产实际中 薄弱的学术 和应用技术 直接带来的结果就是相关数据较少 不同作物甚至同一作物的不同品种 生产条件差别 较大 要想实现高效生产 必须提供最优的生长条 件 由于缺少相关实验数据的支撑 目前我国的植 物工厂生产的作物比较单一 并不能满足市场消费者 多样化的农产品消费需求 3 现阶段植物工厂发展存在的问题 3 1环境感知不能满足预期 环境感知是植物工厂农业生产工作的重中之重 简而言之 就是通过布设传感器对植物工厂周边环境 及农作物生长环境各项数据信息进行收集和处理 这 便于智能化的对植物生长条件进行调节 以便符合植 物生长的最佳环境 不过在实际的应用过程中 因为 环境感知工作需要布设大量的传感器收集周边环境是 信息 因此在前期极大程度地增加了治污工程的投入 成本 从部分植物工厂的环境感知实际情况来看 由 于感知设备布设伴随大量的线路 不仅仅增加了布设 的难度 与此同时 复杂线路也给其他的农业生产工 作及运输工作带来了挑战 最后是很多植物工厂开设 在远离人烟的地区 再加上植物工厂内部结构有很多 金属框架 这导致了一些情况通信讯号不稳定 致使 传感器的数据收集工作出现断点 非连续的信息收集 工作 影响了环境感知在植物工厂的农业生产过程中 所应发挥的能效 5 3 2定位技术限制智能设备应用 植物工厂的一大特色就是使用智能设备代替人工 管理 增加了农业生产的精确性和智能化 但是在实 际的应用过程中 由于智能装备所需要借助定位系统 实现精准操作和定位 但是目前发展较为成熟且精度 较高的卫星定位系统 GPS或北斗等 在室内的应用 效果并不理想 而室内定位技术多使用红外线定位 蓝牙定位 射频定位等 这些定位技术都存在精度 低 建模难度大 抗干扰能力弱 稳定性差等问题 这导致了智能设备的应用不尽如人意 未能在植物工 厂的农业生产中发挥应有的作用 6 3 3营养供给科学性不足 营养供给是植物生长所必需的 尤其是植物工厂 的农业生产工作 因为作物脱离了土壤 阳光 降水 等必要的生长条件 要想保证作物的正常生长发育 提升作物的产量和质量 就必须保证作物的营养供给 充足 7 在实际的植物工厂生产过程中 主要通过调 节营养液 肥水配比来实现营养供给 但是从实际情 况来看 其效果并不能令人满意 主要是营养供给的 精细化管理工作存在问题 在实际的生产工作中 需 要大量依赖人工进行肥水配比 营养液添加等工作 这导致了营养液供给的连续性和可靠性下降 部分植 物工厂为了确保作物产量和质量 超量供应营养物 质 一定程度上造成了资源的浪费 提升了生产成 本 而且给废液的回收处理带来一定的困难 从生产 和经营角度来看 这都是十分不利的 3 4人才队伍建设不足 当前我国植物工厂相关建设 管理和科研人员缺 口巨大 很多植物工厂的工作人员都非专业人士 在 实际的工作中 工作能力和经验难以应对植物工厂复 杂的农业生产需求 不仅导致了植物工厂智能 高效 的特点难以发挥 而且还因为人为操作和管理导致工 作准确度的下降 而目前制约我国植物工厂快速发展 的关键 还是相关技术的落后 核心技术依赖进口 自主研发人才储备不足 限制了植物工厂的智能化水 平 从长远角度来看 科研人员的数量和水平 决定 了植物工厂的发展上限 8 4 我国植物工厂未来发展的建议 4 1研制移动式感知设备 如上文所言 植物工厂的环境调节离不开环境 78 2023 年 4期 感知工作 而环境感知工作又十分依赖传感设备 当 前传感设备高投入成本 布线复杂以及稳定性差等问 题 限制了植物工厂的发展 面对这种情况 应该着 力对传感设备进行研究 研究方向可以将传统的定点 布设感知设备向移动式智能感知设备发展 这样就能 够通过智能移动感知设备的全天移动巡视 覆盖整个 植物工厂周边 9 在一定程度上 节约了前期设备和 采购和布置的成本 也能够降低复杂布线对农业生产 带来的影响 但是同样要注意巡检路线的设定 避免 农业生产过程中 运输设备或者管理人员碰撞感知设 备造成损坏 4 2研制更加精准的室内定位技术和智能化生产装备 就目前而言 智能化装备和室内定位技术的发展 在一定程度上限制了我国植物工厂的发展和进步 存 在定位技术不可靠 智能化设备不智能的问题 导致 我国植物工厂生产过程中仍旧会依赖大量人工管理 自动化和精确化水平不足 面对这种情况 应该加强 对室内定位技术以及植物工厂智能化设备方面的研 究 这能够在一定程度上 增强植物工厂农业生产的 精确性和稳定性 提升自动化水平 减少人工管理和 人为干预 提升农业生产的精准度 10 4 3加强对应该供给系统的研制 为了保证营养液和肥水供给的持续 充足同时避 免浪费 精准地为植物的生长发育提供最为适宜的 生长条件 应该进一步加强对营养供给系统的研究 利用潮汐灌溉 喷灌 微喷灌 滴灌等方式 在保 证水分供给的同时 提升水资源利用率 应设置更 加合理的营养供给回路 便于营养物质的多次利用 应在作物端设置传感器 了解作物的生长发育程度 这便于对植物的实际营养需求进行计算 精确调节营 养供给 4 4强化人才队伍建设 首先从国家层面来讲 人才的队伍的建设 应该 加大相关科研经费的投入 各大农业院校或综合院校 的农学专业 应该增设相关专业或增强专业的垂直深 度 从各级相关部门来讲 应该鼓励从事植物工厂相 关生产建设工作 政策上给予一定的优惠 便于其吸 引更多的人才 从植物工厂本身来讲 应提升相关人 才的专业性 通过培训和招聘等手段 积极强化人才 队伍的建设水平 从相关人才本身来讲 应该进一步 认清农业发展趋势 扎根基层 投身植物工厂的建设 和管理工作中来 为我国农业的发展和进步 注入新 鲜血液 带来新的契机 5 结语 总而言之 植物工厂是我国农业发展的高级阶 段的重要方向之一 解决了用地 绿色农业 高品质 农产品需求等方面的问题 但是就目前的实际情况来 看 我国的植物工厂建设与发展还处于初级阶段 虽 然近年来经历了高速发展时期 但是由于软硬件技术 差 水平低 稳定性不足 很多核心技术并未掌握 缺少自主研发 与此同时 由于实验数据不足等原 因 目前植物工厂适宜生产的作物种类和品种并不丰 富 这些问题如果不能加以解决 我国的植物工厂在 农业发展当中 并不能发挥真正的作用 因此需要继 续不断投入科研力量和经费 助力植物工厂腾飞 参考文献 1 毛毛 刘东 宋睿治 集装箱植物工厂气流组织特 性及优化研究 J 制冷 2022 41 03 20 24 35 2 连效乾 耿一超 韩旭 张华 李永 高天飞 人 工光型植物工厂光温环境调控节能技术研究 J 节 能 2022 41 08 69 72 3 张瑞洁 贺忠群 李春燕 莫建超 谢永东 植物工 厂中光周期对番杏光合特性及品质的影响 J 应用与环 境生物学报 2022 28 04 989 994 4 季涵涵 谢忠坚 辜美章 初麒 杨艳丽 刘厚诚 辜 松 植物工厂种植板物流输送系统设计与试验 J 农机 化研究 2023 45 05 78 82 5 张瑞洁 贺忠群 刘雨杭 谢永东 王海霞 李春 燕 植物工厂中光强对番杏生长发育及品质的影响 J 西北农业学报 2022 31 07 886 892 6 卞中华 李宗耕 王森 杨其长 植物工厂水稻快速 繁育技术探究 J 农业工程技术 2022 42 19 60 62 7 董微 马铁 张栋 周增产 姚涛 张浩文 牧草集装 箱植物工厂研发与应用 J 农业工程 2022 12 06 71 74 8 徐文栋 李春兰 密闭式植物工厂内大黄育苗技 术研究 J 南方农机 2022 53 12 25 27 31 9 李宗耕 杨其长 沙德剑 马伟 植物工厂水培 叶菜生产全程机械化研究进展 J 中国农业大学学 报 2022 27 05 12 21 10 杨学坤 郑士朝 气雾栽培式家庭植物工厂设计 J 中国农机化学报 2022 43 04 38 45