植物工廠的發(fā)展

設施園藝論文標題植物工廠技術及其發(fā)展摘要：植物工廠比傳統(tǒng)農業(yè)獲得的效益更高，是21世紀世界農業(yè)發(fā)展的方向，成為一個地區(qū)或國家農業(yè)發(fā)展的重要標志。本文主要介紹植物工廠的概況及其技術，分析其特點，對其未來前景進行了展望。由于是一項新發(fā)展起來的技術，植物工廠的各方面還有待完善。但作為農業(yè)的新選擇，它帶來的價值已經(jīng)很新引人了。人工光閉鎖型苗木生產系統(tǒng)具有節(jié)能高效且可多重利用的特點，垂直農業(yè)顧名思義可在摩天大樓中收獲新鮮的蔬菜，LED以節(jié)能為主，同時還可提高光和效率。隨著研究的深入，未來，植物工廠還可帶來更多。關鍵詞：植物工廠,垂直農業(yè),LED植物光源,未來發(fā)展引言植物工廠作為新型的農業(yè)形式，具有良好的發(fā)展前景、空間及潛力，與傳統(tǒng)農業(yè)相比，具有更高的效益和更強的可控性。它是脫離“經(jīng)驗”的傳統(tǒng)農業(yè)的新型“科學”農業(yè)，是不受任何約束，為求利益最大化的。具有工業(yè)化，栽培方式定量化，數(shù)值化得特點。如今，植物工廠被稱為“農業(yè)的第四選擇”。人工光閉鎖型苗木生產系統(tǒng)是一項低投入高回報的技術，且設備利用率高，高密度繁殖，靈活度高，可提高勞動生產效率。另外，此系統(tǒng)不僅用于育苗，還是良好的藥草與蔬菜生產系統(tǒng)。垂直農業(yè)是第三次農業(yè)革命，不僅可緩解世界糧食問題，還可實現(xiàn)未來在摩天大樓中種植自己的“菜園”，享用新鮮無污染的放心蔬菜。將食物生產和城市生活結合在一起，使城市生活實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，未來可能出現(xiàn)苗圃服務員等新職業(yè)。LED植物光源技術在生產中的光照管理環(huán)節(jié)作用，節(jié)能，可控。使用其間歇控制技術可提高光合效率。植物工廠前景理想，效益可觀，且發(fā)展迅速。植物工廠概況2.1植物工廠的定義植物工廠的定義可歸納如下：廣義：在一定生產管理下的全年無休的植物生產系統(tǒng)；狹義：在完全人工環(huán)境下的全年無休的植物生產系統(tǒng)廣義的植物工廠除包含狹義者外，尚包含高度環(huán)境控制的太陽光利用型系統(tǒng)（精密溫室）。植物工廠的廣義定義包含了廣大范圍的生產設施，譬如：豆芽菜，蘑菇，蘿卜嬰等的生產工廠，半自動控制的溫室水耕系統(tǒng)，種苗繁殖系統(tǒng)或人工種子生產等的生產系統(tǒng)等均屬之。說到工廠生產時，有二個前提【1】：一個是從自然界妨害的解放，可以不管寒暑且風雨無阻地進行與在自然環(huán)境中生產截然不同；再者，工廠生產可預先明確地決定好生產流程，并做好作業(yè)分析，也就是說對象的輸入輸出特性皆可定量的掌握，甚么樣的操作會產生甚么樣的輸出是可以預期的。只要做好操作的作業(yè)手冊，按部就班誰也能夠生產。由此點看，理想的植物工廠是生長那些環(huán)境條件與作物生長關系已明確地量化的植物，在一定的人工環(huán)境下栽培的完全控制型系統(tǒng)。工廠生產以生長快速又高價格的作物較適合，就資料匯集來說，須要生長過程較單純，葉面積較大的比較好，所以非結球生菜中的一種沙拉菜恰好可符合這些條件，因此作為葉菜類的代表。除了沙拉菜之外，果菜類的甜椒，根菜類的蘿卜嬰（二十日蘿卜）等，皆為代表。豆芽菜或蘑菇類不行光合作用，所以生長程序容易定量化，是另一類代表。植物工廠產生的背景農業(yè)總是給人魯鈍的形象，這雖是偏見，但多少也有理由，因傳統(tǒng)的“耕作”使人有不用大腦只靠體力的印象，想象中的農夫似乎是腳穿膠鞋或赤足，整天渾身泥濘的在田里勞動著，除了靠天吃飯之外，只靠直覺和經(jīng)驗來謀生，而且收入和辛苦的程度多半不成比例。一般人對農業(yè)多半都有前述的印象（面朝黃土背朝天,一把汗水一把泥，但也正因為此，在科技上可以且需要做的事一定很多。農業(yè)的“企業(yè)化經(jīng)營”【2】與農業(yè)的“工業(yè)化生產”為現(xiàn)代化農業(yè)應走的方向。不受任何約束，為求最大利益而活動的自由市場經(jīng)濟原理在市場上會汰弱留強，是產業(yè)有市場競爭力的原動力。在加入了GATT/WTO組織環(huán)境下，開放進口，降低保護的同時，自由市場經(jīng)濟的機制必將汰弱留強，只有較強勢的農戶才得以生存。農業(yè)采用企業(yè)化的經(jīng)營方式乃勢在必行。欲求農業(yè)能達工業(yè)化生產，則作物的栽培過程需要加以制式化，一切照手冊來，建立“人人都會操作”【3】的農業(yè)。為此，有必要脫離太陽和土壤，使栽培方法定量化、數(shù)值化，將農業(yè)從“直觀與經(jīng)驗”的世界轉變到“科學”的世界。工業(yè)化生產是植物工廠的主要特點植物工廠分為半天候與全天候兩種類型，這是根據(jù)環(huán)境因子人工控制的程度來區(qū)分的，所謂半天候就是其中有一些環(huán)境因子還是主要靠自然或受自然之影響如光照、溫度、濕度等，它的控制是因勢利導地利用天然氣候資源，但也不是任由自然，其中涉入了部份的人工環(huán)境。如光照可以采用自然光透入或遮陰與補光的結合，濕度因受外界氣候的變化而影響的程度得以改善，但又不是完全的可控，如在通風過程中都會提高或降低栽培環(huán)境濕度，但也可結合除濕或彌霧及加濕裝置來進行適當?shù)目刂疲瑴囟瘸死猛饨鐭豳Y源及內外熱平衡的通風管理外，還可以結合降溫與加溫系統(tǒng)【4】。這種植物工廠的最大特點是，工業(yè)化程度極高，內部設施及栽培模式已完全以工業(yè)的模式進行，包括精密準確的自動化控制系統(tǒng)，植物標準化最優(yōu)化的生長模式，最高效的立體利用，最為完善的流程管理市管理系統(tǒng)建立等；內部設施的建立，從栽培模式來說已完全實現(xiàn)了水培或氣培，從空間利用來說已從原本的平面模式轉為集約化程度極高的立體生產，從空間建設來說已從地上進入了地下，甚至在未來可以進入太空或極地與其它的星球；從管理來說已實現(xiàn)了完全的數(shù)字化，智能化，自動化甚至是無人化，從產品的輸出來說就像工業(yè)產品一樣，實現(xiàn)了完全的程序化可預測化和標準化；從環(huán)境來說是溫光氣熱營養(yǎng)等因子的全方位人工環(huán)境，實現(xiàn)了閉鎖型隔絕型不受外界任何影響的人工生態(tài)系統(tǒng)?？傊畞碚f，之所以叫植物工廠在于生產方式設施設備的完全工業(yè)化，你置身其間感受到的是真正的綠色生產車間與工廠的感沉，生產出來的產品完全是人工可控化的產品，包括質量外觀及品質，包括產期與包裝等。2.4農業(yè)的第四選擇--植物工廠PaulKennedy在“迎向二十一世紀"(Preparingforthe21stCentury)中提到，馬爾薩斯的預言并未成真的主要原因有三【5】：一是向外移民，光是自1814年至1915年間，英國就有二千萬人移民海外，使得人口壓力大幅減少。二是農業(yè)生的技術的改進所累積的效果。這些技術包括：輪作、育種技術、農地管理、馬鈴薯的引進及栽種、沼澤地的開辟、農耕新技術與運銷管道的改進等，后世稱之為“農業(yè)革命”。第三就是工業(yè)革命的技術突破。以機器代替手工，以蒸汽、電力取代人力、畜力的結果，造成英國生產力的大幅提高。工業(yè)革命與強調理性探討的科學革命，共同創(chuàng)造出經(jīng)濟成長與技術突破的良性循環(huán)，人們終能免于馬爾薩斯所深以為憂的可怕噩運。1960年代的農業(yè)技術似乎都不太管用了，但人類仍需不斷提升農業(yè)生產力以喂飽全球人口，因此須考慮的是要如何技術革新，使得單位面積的產量能大幅提高且對地力之損耗及環(huán)境之污染達最小，以確保農業(yè)之永續(xù)發(fā)展。在新的農業(yè)革命進展的同時，還要能夠導入自由經(jīng)濟市場的機制，以留下較強勢的農戶。究竟有無如前所述的農業(yè)呢?其實這不外乎就是選擇“植物工廠”。日本植物工廠學會第一屆會長－高汁正基稱之為“農業(yè)的第四選擇”【6】。植物工廠技術人工光閉鎖型苗木生產系統(tǒng)是項高效而實用的新技術人工光閉鎖型系統(tǒng)是實用的育苗系統(tǒng)采用該系統(tǒng)培育種苗具有生產上的實用性，具體理由如下：高密度繁育，不管是種子苗還是離體材料生根的快繁苗，培育密度可達500-5000株/平方左右，按照每苗0.3-0.8元計算，每平方米每批可產生產值150-4000元【7】。不算高的光照投入，以閉鎖苗最適合的光環(huán)境計算，即于苗上方20cm處配置40W的螢光燈4-6支的光強度（即光量子為150-250仇molm-2s-1）充分照射補光，合計照明電氣費與耗電費用，每株也是在0.07元以下。從成本利潤角度來說是項值得投資的高回報項目。從播種或離體材料接種快繁，一般2-4周可出苗，或得更短，一年可以培育10-20批，再結合立體式與高密度育苗，每苗所耗的成本就變得非常之低，以每平方米周年育苗計算，可創(chuàng)造數(shù)萬元的效益與價值。一個幾十平方米的生產系統(tǒng)，一般可獲利幾十萬至上百萬元。采用閉鎖型育苗技術生產的種苗可以做到根系發(fā)達莖干健壯的技術效果，是其它大田或溫室育苗所不能比的，也就是它具有較強的抗逆性，即使在氣候較差的環(huán)境下移栽，也可順利快速地生長。高的設備設施利用率，這是常規(guī)自然光溫室育苗所不能比的。現(xiàn)代的設施溫室，特別是南方地區(qū)的溫室，常因冬季日照少，難以利用日光實現(xiàn)溫室增溫效應。而采用閉鎖型苗木生產系統(tǒng)，在完全不受外環(huán)境因子影響的情況下進行周年生產，總體耗能小而且又穩(wěn)定，又不會受到病蟲害的侵襲危害，可真正生產出無公害污染的綠色生態(tài)苗?？梢造`活動用來提高勞動生產效率提高設施利用率，減少閑置期也是一個企業(yè)運作過程中提高勞動生產率的關鍵。閉鎖系統(tǒng)下生產可以做到旺季不旺，淡季不淡，使設施設備的利用率大大提高。如果結合溫室假植培育與冷貯技術，可以做到更高的生產利用率，即使生產栽培周期數(shù)月的品種，也可以進行周年生產。而傳統(tǒng)的自然光環(huán)境育苗，常因夏日高溫及冬日寒冷而影響設施設備的利用率，常有閑置現(xiàn)象產生，影響企業(yè)的生產運作，而閉鎖系統(tǒng)能使生產勞動率得以最大化的發(fā)揮，能夠在微小的空間內創(chuàng)造出更大的效益。閉鎖系統(tǒng)除了育苗外，還是很好的藥草與蔬菜生產系統(tǒng)。這種植物工廠式的閉鎖育苗系統(tǒng)，是最科學精確的人工模擬環(huán)境栽培技術，利用它除了進行高效育苗外，還可以進行一些高附加值并且植株較小的藥草類植物生產，如金線吊葫蘆，鐵皮石斛等，這些對自然環(huán)境要求較高，常規(guī)難以生產的植物利用該系統(tǒng)更具經(jīng)濟價值與有更高之效益。也可以利用該系統(tǒng)進行葉菜類的特色栽培，可以通過調節(jié)光波段與環(huán)境，生產出具有特殊外觀與營養(yǎng)品味的特色蔬菜，這也是在常規(guī)環(huán)境下難以做到的，而且是完全無公害的免農藥蔬菜，深受市民之歡迎。在都市區(qū)建立這樣的一個系統(tǒng)，特適合于想在家創(chuàng)業(yè)的下崗工人或者行動不便的老人，而且是個高效益高回報的項目，是未來農業(yè)的一個發(fā)展方向與趨勢。垂直農業(yè)垂直農業(yè)：第三次農業(yè)革命為什么要搞垂直農業(yè)呢？因為那樣做就不再有土壤肥料流失的問題，我們一年四季都可以種植作物，也不怕惡劣的天氣的干擾，此外，我們還能節(jié)省更多的能源，因為垂直農業(yè)無需（用機器）犁地。設想一下這樣的情景：我們的城市里頭有這樣的可持續(xù)的垂直農業(yè)區(qū)，我們的城市將變成生態(tài)城市，我們可以通過循環(huán)利用，從尿液中提取水，從固體廢物當中提取電能。戴斯珀米爾說所有這些技術都已經(jīng)存在，我們需要的是一種決心、勇氣與創(chuàng)造精神將這樣的想法變?yōu)楝F(xiàn)實。垂直農業(yè)呼之欲出在摩天大樓里種糧食農業(yè)正在破壞環(huán)境，耕地不足以養(yǎng)活2050年可能達到的95億人口。一座30層樓高，占地0.02平方千米的大廈可以生產的農產品，相當于戶外9.6平方千米耕地的產量，而產生的負面影響要小得多。4.2.1“想買土地？他們已經(jīng)不生產土地了！”為滿足68億人的需要，全球種植作物、飼養(yǎng)牲畜所使用的土地面積加起來相當于南美洲的總面積。到上世紀80年代，很多地方的農業(yè)生產遠遠超出了土地能夠承受的生產能力，這已經(jīng)非常明顯。農業(yè)化學品已經(jīng)破壞了營養(yǎng)物質恢復的自然循環(huán)(生態(tài)系統(tǒng)利用這種循環(huán)來自維持)。我們必須改變現(xiàn)有的農業(yè)技術，使之具有更強的生態(tài)可持續(xù)性。4.2.2傳統(tǒng)農業(yè)耗了世界上可利用淡水資源的70%農業(yè)灌溉消耗了世界上可利用淡水資源的70%，由肥料、殺蟲劑、除草劑及淤泥導致的污染使這些水無法飲用。如果這種趨勢繼續(xù)下去的話，某些人口密集的地區(qū)將不可能再提供足夠多的安全飲用水。4.2.3在摩天大樓里種糧食成為可能由于眾多原因，一個人口不斷增長的文明社會需要另一種替代性的農作方式但城市中封閉的摩天大樓真的就是一個實用的選擇嗎？答案是肯定的，部分原因是在室內種植作物已經(jīng)司空見慣了。三種主要技術 滴灌、氣培(aeroponics)和水培(hydroponics),已經(jīng)在世界范圍內得到了成功應用【8】。可以建一系列覆蓋整個城市的三十層大樓,這樣就可以用垂直農場實現(xiàn)真正的城市可持續(xù)生活：城市廢水可以作為灌溉用水重新回收利用,殘存的固體廢棄物以及不可食用的植物體都可以通過焚燒來制造驅動渦輪的蒸汽,為農場供電。利用現(xiàn)有的技術,就可以在室內種植大量的可食用植物,鄰近的水產中心還可以飼養(yǎng)魚、蝦和一些軟體動物。將食物生產和城市生活有機整合到一起,是走向城市生活可持續(xù)性的一個重大進步,將發(fā)展出一些新型工業(yè),還將出現(xiàn)一些以前無法想象的城市職業(yè)——苗圃服務員、種植工和收獲工等等。大自然則會從我們以前的破壞中得以修復,傳統(tǒng)的農民將被鼓勵去種草植樹。最終,選擇性砍伐將成為巨大的木材工業(yè)的常態(tài)。5LED植物光源5.1LED光源的合理搭配試驗為了研究在全天候的植物工廠內，采用何種補光方式，以及哪種補光的光合效率最高，我們進行了光源的光質試驗，并描繪了曲線圖，分析生產上采用哪種光源與組合補光效果最佳。目前,用于補光的光源有熒光燈,高壓鈉燈,普通日光燈,這些是農業(yè)上常用的補光光源，近年隨著LED技術的高速發(fā)展,成本越來越低，所以選擇這種耗能省的冷光源將是未來植物工廠內的一種主要人工補光光源.為了探明與研究最佳LED光源的組合,我們進行了各種單色光的栽培試驗,并描繪出相關的光合效率圖,進行科學計算,得出最佳的光譜搭配與補光方式.從曲線分析以450左右的藍光及630左右的紅光相結合補光效率最高,促進光形態(tài)形成效果最好，一般(R/B)以5:1至10:1為好，并且在試驗中發(fā)現(xiàn)，在相同補光時間下,以間歇或脈沖的補光方式最好,可節(jié)能20-30%左右【9】.5.2LED光源的間歇控制有利于提高光合效率LED植物工廠必將是未來植物工廠的一種重要光源,它除了節(jié)能耗電外,使用壽命也大大延長,而且可以進行跳動式的間歇照射,對于植物發(fā)育來說比連續(xù)照射更具效率.那么究競是什么原因呢?從植物的光合生理為說,光反應過程分為明反應與暗反應兩個階段,植物的葉綠素a與葉綠素b在接受光照射后，受光量子激發(fā)而產生電子躍遷，形成電流，這些能量為光合成提供了大量的ATP能量,而這種把二氧化碳及水合成有機物的過程卻是在暗反應條件下形成.根據(jù)這個機理進行閃動式補光與連續(xù)性補光的對比試驗，在光量子相同的情況下,以明暗周期為1:2且幅度為200us:400us情況下進行萬巨栽培,發(fā)現(xiàn)日生長率可提高20-25%,甚至達30%以上,表現(xiàn)出明顯的增長效果.那么這個幅度是根據(jù)什么原理而形成呢【10】?采用這種跳動的補光方法,在同樣光量情況下,可以使效率大大提高,這對于節(jié)能及縮短植物生長發(fā)育周期來說意義較大,它的研究對于完全控制型的植物工廠內,人工光源技術方案的形成具有積極的指導意義.以下是同樣光量下,不同光照方式下萬巨的生長量差異圖片.當然,這種光照射方式是要在一定光強下面才表明為明顯的差異,對原本弱光的環(huán)境下,跳動式與連續(xù)式差異不顯著.這也與植物的光合機理有關,還需更進一步研究.6植物工廠的未來6.1新植物工廠的定義與特點新植物工廠的定義：就是利用新型的人工光源實現(xiàn)能耗最小化的植物工廠叫新植物工廠，也叫做第四世代農業(yè)，它是繼露天的地面栽培---設施栽培 水耕栽培（水培）---植物工廠，是新生代的新型工廠化生產模式，之所以叫植物工廠，是因為栽培的空間實現(xiàn)了高度的全自動環(huán)境控制技術，使作物能在期間周年均衡供應生產的一種模式。在清潔甚至無菌化的環(huán)境中，采用完全人工可控的光環(huán)境，目前常用LED二極光的光源照射植物，進行光合補光，有些甚至采用了24小時的光源照射水培【11】，環(huán)境潔凈無病蟲滋生危害，無需采用任何藥防措施，這種嚴密與外界完全隔絕的純人工環(huán)境空間，可生產出完全無污染及殘留的安全型蔬菜。這種基于新型光源的植物工廠叫新植物工廠，大多采用二導體光源，目前有二極管與激光發(fā)光技術在生產上已開始運用。它是一種較為節(jié)能的新生植物工廠模式，是未來發(fā)展的新趨勢。人工光源是植物工廠中最重要的部份，也是有別于其它栽培模式的最大分野點，有完全人工光型植物工廠與半天候植物工廠，但嚴格意義的植物工廠是完全人工光型的植物工廠，它創(chuàng)造了一個完全人工的工業(yè)化生產環(huán)境。那么作為光源，傳統(tǒng)植物工廠是采用高壓鈉燈與日光燈，最近隨著半導體技術發(fā)展才形成了以LED為光源的新型植物工廠也叫LED植物工廠，甚至還有LD植物工廠的新生代植物工廠。這種光源節(jié)能而壽命長，已被發(fā)達的日本國所廣泛推崇運用?？梢园凑罩参锷L或生產所需的特定波長進行定制與選擇，是一種高亮度，高效率，長壽命，分量輕，安裝方便的先進人工光源，更為重要的是這種新光源發(fā)光過程中不發(fā)熱，可以貼近植物枝葉進行栽培，可以大提高光利用率與多層次生產的空間利用率，利用LED技術能為植物培育創(chuàng)造出最佳的光環(huán)境，是傳統(tǒng)日光燈型或鈉燈補光型工廠的提升與發(fā)展。6.2植物工廠未來路盡管植物工廠在產量和效率方面優(yōu)點突出，但存在的問題也同樣明顯，那就是高昂的成本，在一定程度上影響了它的推廣。一個一般規(guī)模的植物工廠，建成需要十幾萬元的投入，后期的運行和維護也是一筆花銷，因此如何降低成本是下一步所要面對的問題。在降低建設成本方面，他們將主要致力于新材料的研發(fā)，制作出成本低、隔熱保溫性能好、便于安裝的新材料【12】。而在運營方面，除了盡可能減少動力方面的消耗外，新能源的利用也是重要的手段。如果能使用太陽能、風能等清潔能源，雖然會增加前期投入，但運營費用也會大大降低。那么植物工廠這種生產方式，將來肯定會走向普及，但由于其需要一定的投入，因此全部使用它來供應糧食蔬菜并不現(xiàn)實，但在一些特殊環(huán)境下，比如極地或太空中，它作為主要供應方式還是有可能的。未來的植物工廠化生產 21世紀的農業(yè)無土栽培場所陽光照射器宇宙人工氣候室4.輸光管太陽能集光器未來宇宙航天器上的無土栽培裝置想象