植物工廠

植物工廠

植物工廠是通過設施內高精度環境控制實現農作物周年連續生產的高效農業系統,是利用計算機對植物生育的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養液等環境條件進行自動控制,使設施內植物生育不受或很少受自然條件制約的省力型生產。2009年9月7日,國內第一例以智慧型控制為核心的植物工廠研發成功,並在長春農博園投入運行,該植物工廠的研製成功,標誌著中國在設施農業高技術領域已取得重大突破,成為世界上少數幾個掌握植物工廠核心技術的國家之一,將對中國現代農業的發展產生深遠的影響。

基本信息

工廠概述

中國內首例以智慧型控制為核心的植物工廠研發成功中國內首例以智慧型控制為核心的植物工廠研發成功
植物工廠是現代設施農業發展的高級階段,是一種高投入、高技術、精裝備的生產體系,集生物技術、工程技術和系統管理於一體,使農業生產從自然生態束縛中脫離出來,按計畫周年性進行植物產品生產的工廠化農業系統,是農業產業化進程中吸收套用高新技術成果最具活力和潛力的領域之一,代表著未來農業的發展方向。

植物工廠的共同特徵是:有固定的設施;利用計算機和多種感測裝置實行自動化、半自動化空盒子;採用營養液栽培技術;產品的數量和質量大幅度提高。

研發歷史

1957年世界上第一家植物工廠誕生在丹麥,1974年日本等國也逐步發展起來。美國猶他州立大學試驗用植物工廠種植小麥,全生育期不到2月,一年可收穫4-5次。20世紀60年代初次進行植物工廠的試,並開始推。1964年奧地利開始試驗一種塔式植物工廠(高30米、面積5000平方米)。該國魯斯納公司的塔式植物工廠已在北歐、俄羅斯、中東國家採用。奧地利的一家番茄工廠,工作人員僅30人,平均日產番茄 13.7噸,生產 1公斤番茄耗電 9-10kw.h,成本只有露地的60%。1971年丹麥也建成了綠葉菜工廠,快速生產獨行菜、鴨兒芹、萵苣等。1974年日本建成一座電子計算機調控的花卉蔬菜工廠,該廠由1棟2層的樓房(830平方米)和兩棟栽培溫室(每棟800平方米)構成,在一年內生產兩茬金香、兩茬壟民花、一茬番茄,做到周年生產。至1998年,日本已有用於研究展示、生產的植物工廠近四十個,其中生產用植物工廠17個。2004年,中國農業大學開發了利用嵌入式網路式環境控制的人工光型密閉式植物工廠。

技術介紹

植物生理學與植物營養學理論與技術突破催生了植物工廠的理念與技術。20世紀40年代,以“礦質營養學說”為理論基礎的“營養液栽培技術”的建立,以及人工模擬環境與控制技術的進步,引發了“人工模擬生態環境”領域的技術突破。兩項技術共同推進了植物工廠的產生。植物工廠的出現以1949年美國F.W.Went教授在加州帕薩迪納建立第一座人工氣候室為標誌。隨後,世界上第一座植物工廠建於1957年丹麥約克里斯頓農場,面積為1000m2,屬人工光和太陽光並用型植物工廠,所生產的農作物為水芹。1963年奧地利盧斯那公司建成一座高30m塔式人工光植物工廠,採用上下傳送帶鏇轉式立體栽培方式,所生產的農作物為生菜。1960年美國通用電氣、通用食品、賽納拉魯米勒斯公司及依法德法姆公司等開始進行植物工廠研發。1974年日本日立製作所中央研究所開始了人工光植物工廠研究,日本第一個用於生產實際的人工光植物工廠是1983年靜岡三浦農場三角板型植物工廠,採用高壓鈉燈。1990年以來,隨著新型光源、環境控制等關鍵技術的突破,植物工廠迎來了快速發展時期。

分類特徵

植物工廠植物工廠
關於植物工廠的分類,因所持的角度不同,其劃分方式也各異。

1、從建設規模上來分可分為大型(1000m以上)、中型(300~1000m)和小型(300m以下)三種;

2、從生產功能上來分可分為植物種苗工廠和商品菜(果、花)植物工廠;

3、從其研究對象的層次上又可分為以研究植物體為主的植物工廠、以研究植物組織為主的組培植物工廠、以研究植物細胞為主的細胞培養植物工廠。

4、但目前比較習慣的分類方法是按照植物生長中最重要的條件之一——光能的利用方式不同來劃分,共有三種類型,即太陽光利用型、人工光利用型、太陽光和人工光並用型。其中人工光利用型被視為狹義的植物工廠,稱為密閉式植物工廠,它是植物工廠發展的高級階段。

主要特徵

環境要求

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走進植物工廠,室內布滿栽培架,上面種滿生菜、小白菜等蔬菜植物。牆上的顯示屏正報告著溫度、濕度等數據。植物工廠是給植物提供合適生長環境的系統設備,分為植物苗工廠和蔬菜工廠兩部分。植物工廠是國際上公認的設施農業最高級發展階段,是一種技術高度密集、不受或很少受自然條件制約的全新生產方式。目前,僅有日本、美國等少數已開發國家掌握這項技術。植物工廠以節能植物生長燈和LED為人工光源,採用製冷—加熱雙向調溫控濕、光照—二氧化碳耦聯光合與氣肥調控、營養液線上檢測與控制等13個相互關聯的控制子系統,可實時對植物工廠的溫度、濕度、光照、氣流、二氧化碳濃度以及營養液等環境要素進行自動監控,實現智慧型化管理。

收穫快速

通過對工廠內環境的高精度控制,植物的生長在這裡幾乎不受自然條件的制約,生長周期加快。現在工廠內種植的生菜、小白菜等,20天左右就能收穫,而在普通的大田裡,則需要一個月到40天的時間。除了收穫快,空間利用率高也是植物工廠的重要特點。在工廠內看到的都是三層的栽培架,從面積上就相當於同樣大小露天耕地的三倍,加上其種植密度大,因此,植物工廠的產量可以達到常規栽培的幾十甚至上百倍。菜種植之外,植物工廠在育苗上也有套用。在黃瓜和番茄的育苗方面都做了實驗。相比蔬菜生產,育苗的周期更短,一般為一周左右。雖然常規栽培的周期也不是很長,但在育苗的整齊和健壯度上不如工廠的產品。畢竟大田的不可控因素太多,今天光照也許很好,但明天可能陰天,後天有可能降溫,而這些在工廠里都可以得到控制。

營養生長

不靠太陽不用土,這是營養液在循環,用來固定植株的塑膠泡沫板掀起,原來植物的根系根本不是生長在土壤里,而是完全浸泡在營養液中,土壤的作用是提供營養元素和水分,而營養液除了提供水分,也提供了植物生長所需的各種元素,包括氮磷鉀等大量元素及鋅鐵錳等微量元素,因此沒有必要使用土壤栽培。無土栽培的技術現在已經非常成熟,而且水栽比土栽的生長周期要快很多,也是使用水栽的重要原因。

牆上顯示器上有營養液監控的數據,那是對營養液溫度控制的參數。在寒冷的天氣中,系統會對營養液進行加熱,如果溫度很低,會對植物的根系造成傷害。植物工廠的小屋沒有窗戶,外界的光線幾乎無法進入,萬物生長靠太陽這句俗語人人皆知,但工廠內的植物卻不見天日,難道它們生長不靠陽光?

LED燈照明

“完全不用陽光”,在每個栽培架上,都裝有一塊燈板。不同的是左側是LED(發光二極體)燈,右側是螢光燈。兩種燈光都能滿足植物生長的需要,只是LED比螢光燈更加節能。

LED燈板以紅燈為主,中間按一定距離均勻分布著藍燈,比例大概為8∶1到9∶1,太陽光對於植物而言是全波段的,紅光、藍光、紫外線、紅外線等都包括,但實驗顯示,植物吸收的光線波段主要是紅光和藍光,比例超過60%。因此將紅光和藍光按照一定配比製成光源,就能滿足植物生長需求。紅外和遠紅外等成分主要以熱量的形式出現,而且耗能嚴重。去掉那些部分,不會影響植物品質。他們做過實驗,這種環境下成長起來的植物,維生素和糖的含量幾乎沒有變化。由於植物工廠內環境可控性強,栽培環境的二氧化碳濃度可以得到大幅增加,使植物的光合效率提高,植物生物量的形成和營養物質的積累,都是常規栽培的幾倍。

成本較高

儘管植物工廠在產量和效率方面優點突出,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。一個一般規模的植物工廠,建成需要十幾萬元的投入,後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,他們將主要致力於新材料的研發,製作出成本低、隔熱保溫性能好、便於安裝的新材料。而在運營方面,除了儘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,植物工廠將來肯定會走向普及,但由於其需要一定的投入,因此全部使用它來供應糧食蔬菜並不現實,但在一些特殊環境下,比如極地或太空中,它作為主要供應方式還是有可能的。

研究意義

植物工廠技術的突破將會解決人類發展面臨的諸多瓶頸,甚至可以實現在荒漠、戈壁海島、水面等非可耕地,以及在城市的摩天大樓里進行正常生產。利用取之不盡的太陽能和其它各種清潔能源,加上一定的種子、水源和礦質營養,就可源源不斷地為人類生產所需要的農產品。因此被認為是21世紀解決糧食安全、人口、資源、環境問題的重要途徑,也是未來航天工程月球和其他星球探索過程中實現食物自給的重要手段。

中國製造

植物工廠植物工廠
北京市農業機械研究所及其孵化企業京鵬環球科技股份有限公司,在市科委的大力支持下,通過三年的研發攻關共同設計建成了國內規模最大、具有國際先進水平的植物工廠。2010年8月22日,北京市科委“十一五”重大科技攻關示範項目—市農業機械研究所京鵬植物工廠,在通州落成正式投入運營。

具有科研、生產、示範、孵化等功能的京鵬植物工廠,主體採用單層結構,配有人工光利用型、太陽光利用型、太陽光和人工光並用型三種不同模式的工廠化生產車間,以生產種苗為主,同時兼顧水培生菜及茄果類高檔蔬菜生產,每年可產出組培苗12萬株,機播良種苗1500萬株,總計1512萬株,預計產值可達1500萬元以上。種苗除滿足園區溫室示範需求外,全年可為園區外2.5萬畝設施蔬菜提供種苗,可以輻射通州及周邊地區的種苗需求。

工廠介紹

占地1289平方米的植物工廠,外形像一艘由鋼架和玻璃構成的航空母艦。根據國際分類,超過1000平方米的就可以算作大型植物工廠,我們的植物工廠可謂名副其實的“航母”。

進入植物工廠左手第一間即總控制室,電腦內儲存著每種植物生長所需條件的相關數據,工作人員只需事先設定好溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度以及營養液等信息,自動培養箱就可以給種子提供它最適宜的發芽條件。

工廠內的植物不是種在泥土中,而是利用水耕法,靠營養液生長。植物的形狀和味道,可以通過控制營養液的種類和數量等方式,加以控制和改變。

工廠特色

在這裡,植物不完全需要靠陽光生長,加上新科技確保植物不會在人造燈的照射下,表面溫度過高,所以植物工廠內的蔬菜,不必像在農田裡那樣,一字排開地種植,而是可以種在多層架子上,節省了許多空間,提升了產量。

由於是在乾淨無塵的環境中生長,加上沒有使用殺蟲劑,植物工廠種植出來的蔬菜營養健全,口感不比露天蔬菜差,不需要清洗就能直接品嘗。

除了生菜,這兒還有西紅柿油菜等品種,以及一些高檔花卉種苗的組培。植物工廠的生產面積利用率可達到常規溫室的3至5倍。同時,由於擁有最為適宜的生長條件,植物工廠生長的植物比土壤栽培的植物生長周期要短很多,植物工廠栽培的生菜從種植到採收僅需30天左右,比常規栽培周期縮短30%以上。能源供給來源於淺層地源熱泵、太陽能光伏發電等新能源新技術。由於採用計算機智慧型控制系統,從生產種植到包裝出品,偌大一座植物工廠,僅需幾名科研人員就能夠管理。

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