2021年第 04期 現(xiàn)代園藝 植 物工 廠項(xiàng)目 建 設(shè)的 價(jià) 值 及 關(guān) 鍵 技術(shù)和 創(chuàng) 新 探究 李 冠男 郭奇 梅 高 峰 秦 冬梅 張慶 霞 甘 肅 農(nóng) 業(yè) 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué)院 甘 肅 蘭 州 730030 摘 要 植 物工 廠 是 通 過(guò) 智 能 化 技 術(shù) 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 作物生 長(zhǎng) 環(huán)境 進(jìn) 行高 精 度 控制 的 高 效 農(nóng) 業(yè) 系 統(tǒng) 本 質(zhì) 上 是 以 智 能控制 為 核 心 為 作物生 長(zhǎng) 創(chuàng) 造 最 適 宜 的 環(huán)境 不 受 外 界 自 然 條件 的影響 本 研究在 現(xiàn)有 連 棟 溫 室 和 校 內(nèi) 試驗(yàn) 室 基 礎(chǔ) 上 建 設(shè) 的 封閉 型全 天 候 植 物工 廠 為 基 地 借 鑒 丹 麥 荷 蘭 日 本 等 發(fā) 達(dá) 國(guó) 家 的 技 術(shù) 經(jīng)驗(yàn) 分析 了 植 物工 廠 項(xiàng) 目 建 設(shè) 的 價(jià)值 關(guān) 鍵 技 術(shù) 和 創(chuàng) 新 關(guān) 鍵 詞 植 物工 廠 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 栽培 技 術(shù) 植物 工 廠 農(nóng) 業(yè) 現(xiàn) 代 化 機(jī) 械 化 和 智 能 化 發(fā) 展 的 高 級(jí) 階段 是 目前 最先 進(jìn) 的農(nóng) 業(yè) 栽培 技 術(shù) 植物 工 廠 就 是 采 用 高 精 度 環(huán) 境 控 制 的 智 能 技 術(shù) 給 植 物 創(chuàng) 造 最 適宜 生 長(zhǎng) 的人 工 環(huán) 境 高 智 能植物 工 廠 不 僅 能 夠 對(duì) 作 物 生 長(zhǎng) 的 溫 濕 度 光 照 二 氧 化 碳 濃度 肥 料 營(yíng)養(yǎng)液 等環(huán) 境 條件進(jìn)行 控 制 作 物 的生 產(chǎn) 流 程高 度 清 晰 即 播 種 育苗 定 植 收 獲 包裝 等 分 工 明 確 而 且 利 用 高 度 密 集 的 現(xiàn) 代 裝 備 生 物 技 術(shù) 營(yíng)養(yǎng)液 栽培 與 智 能 信息 技 術(shù) 等 手 段 實(shí)現(xiàn) 高 精 度 的 智 能 化 控 制 將會(huì) 顛 覆 傳統(tǒng) 農(nóng) 業(yè) 種 植 對(duì) 自然 條件 的 依 賴 甚 至 未 來(lái) 在 外 星 球 進(jìn)行 植物栽培 也 成 為可能 1 植 物工 廠 建 設(shè)的 價(jià) 值 1 1 帶 來(lái)了 超 高 的 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 率 植物 工 廠 的作 物 生 長(zhǎng) 周 期大大 縮 短 能 夠 一年 四 季 不 間 斷 生 產(chǎn) 比 如 生 菜 小 白菜等 20d就 能 收 獲 比 露 天 栽培 節(jié) 省 了 一半 時(shí) 間 一 般 作 物 如 果 以 生 長(zhǎng) 周 期 按 照 2 個(gè) 月 來(lái) 計(jì) 算 每 年 最 多 能 夠 收 獲 6 次 可有效解決 全 球 食品供 給 問(wèn)題 基于此 植物 工 廠 技 術(shù) 在日 本 得 到了 快 速 發(fā) 展 日 本 借 鑒 丹 麥 和 荷 蘭 的 植物 工 廠 應(yīng) 用經(jīng) 驗(yàn) 早 在 20世 紀(jì) 80年 代 日 本 就 曾 經(jīng) 展 覽 了 單 株 13000多 個(gè) 果 實(shí) 的 西 紅 柿 王 在 奧 地 利 的一 家 番 茄 工 廠 僅 30名 員 工 番 茄 日 常 產(chǎn) 量 就 超 過(guò) 13 7t 且 耗 電 量 僅 有 傳統(tǒng) 生 產(chǎn)方 式 的 60 植物 工 廠 的 西 紅 柿 單 株 產(chǎn) 量 可過(guò) 千 斤 水 稻 一年 能 夠 生 產(chǎn) 6季 黃 瓜 產(chǎn) 量 可提高 200多 倍 1 2 推 動(dòng) 綠 色 生態(tài)農(nóng) 業(yè) 的 發(fā) 展 植物 工 廠 通 過(guò) 配置 循環(huán) 營(yíng)養(yǎng)液 來(lái) 滿 足 作 物 生 長(zhǎng) 營(yíng)養(yǎng)液集 合了 植物 生 長(zhǎng)所 必 須 的 各 種 營(yíng)養(yǎng) 物質(zhì) 礦 物 元素 和 微量元素 能 夠 在 無(wú) 土 栽培環(huán) 境 下實(shí)現(xiàn) 快 速 生 長(zhǎng) 并且 將 作 物 生 長(zhǎng) 完 全 進(jìn)行 數(shù) 字 化 和 智 能 化 控 制 從 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 的 每 一 個(gè) 周 期 到收 獲 日期 都 是 確 定 的 植物 工 廠 可 以 生 產(chǎn) 大量 無(wú) 公 害 蔬菜 其 產(chǎn)品無(wú) 污 染 無(wú) 殘 留 而 且 營(yíng)養(yǎng) 價(jià) 值 更高 更 快 更 好 而 且具 有 經(jīng)濟(jì) 效 益 地 實(shí)現(xiàn)綠 色 農(nóng) 業(yè) 比 如 使 用 LED補(bǔ) 光 技 術(shù) 生 產(chǎn) 的生 菜 Vc和 Va分 別 提高 4倍 和 12倍 在 植物 工 廠 模 式下 生 產(chǎn) 的作 物 不 僅 不 受到 外 界自然 條件 的 限 制 和 影響 而 且 不 受 自然 病 蟲 侵 害 與 土壤污 染 1 3 改 變 了 傳 統(tǒng) 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 模 式 植物 工 廠 集 合了 多種 高 新 技 術(shù) 能 大大 節(jié) 約 人 力 改 變 了 傳統(tǒng) 農(nóng) 業(yè) 靠 天 吃 飯 的生 存 模 式 實(shí)現(xiàn) 了 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 的 顛 覆 性 創(chuàng) 新 甚 至 能 改 變 城 鄉(xiāng) 經(jīng)濟(jì) 發(fā) 展 不 平 衡 的 現(xiàn) 狀 植物 工 廠 在 荒 漠 戈 壁 海 島 水 面 城 市 建 筑 甚 至 是 外 太 空 等 不 同 的 非 耕 作 環(huán) 境 下 都 能 實(shí)現(xiàn) 種 植 而 且 大量 利 用 清 潔 能源 給 人 類 帶 來(lái) 了 源 源 不 斷 的 食品供 給 通 過(guò) 立 體 栽培方 式 能 大大 提 升 空 間 利 用 率 和 單 位 面積 產(chǎn)能 加 高栽培 模 組 層 數(shù) 比 如 在中科 三 安 植物 工 廠 每 年 可 進(jìn)行 20多 次葉 菜 生 產(chǎn) 單 位 面積 產(chǎn) 量是 露 天 栽培 的 100倍 以 上 目前 日 本 等發(fā) 達(dá) 國(guó) 家 的 植物 工 廠 已 經(jīng) 實(shí)現(xiàn) 地 下 生 產(chǎn) 可 充 分 利 用城 鄉(xiāng) 地 下 室空 間 1 4 具 有 重 要 社 會(huì) 實(shí) 踐 價(jià)值 和 科 研 意 義 植物 工 廠 不 僅 是 重 要 的農(nóng) 產(chǎn)品供 給 基 地 也是科 研 旅 游 和 商 業(yè) 交流 的 重 要 場(chǎng) 所 作 為目前 最先 進(jìn) 的種 植 模 式 目前發(fā) 達(dá) 國(guó) 家 的 很 多 植物 工 廠 已 經(jīng) 成 為 了都 市 人 認(rèn) 識(shí) 農(nóng) 業(yè) 認(rèn) 識(shí) 自然與 植物 的 教 育 窗 口 很 多學(xué)生 來(lái) 到 植物 工 廠 進(jìn)行 生 物 技 術(shù) 興 趣 實(shí) 踐 很 多 都 市人 來(lái) 到 植 物 工 廠 進(jìn)行 參 觀休閑 植物 工 廠 還 能 夠 按 照 人 工 研究 的 農(nóng)藝參 數(shù) 為 生 長(zhǎng) 創(chuàng) 造 仿 真 最 佳 生 長(zhǎng) 模 式 為 農(nóng) 業(yè) 專 家系 統(tǒng) 的 研究 與 運(yùn) 用創(chuàng) 造 出 最好 的 平 臺(tái) 尤 其 是 在 基因 工 程 方 面 效 果最 為 顯著 可 以 利 用 植物 工 廠 的 精 準(zhǔn) 控 制 技 術(shù) 最 大化 表 達(dá) 植物基因 實(shí)現(xiàn) 目 標(biāo) 基因 最 優(yōu) 的 目 的 2 植 物工 廠 栽培的 關(guān) 鍵 技術(shù) 2 1 品種 選擇 引 進(jìn) 優(yōu)秀 園藝作 物 進(jìn)行 植物 工 廠 培 養(yǎng) 品 種 要 適 應(yīng) 植物 工 廠 生 產(chǎn)栽培 條件 高質(zhì)高產(chǎn) 市 場(chǎng) 需 求 大 比 如 日 本 安 濃 交 系 列 西 紅 柿 品 種 年 產(chǎn) 量 可 達(dá) 55t 1000 m 2 番 茄 在 無(wú) 土 栽培 中 地 上 部 煙 草 花 葉 病毒和 黃 化卷 葉 病毒等較為 頻 繁 出 現(xiàn) 因此 在 育 種中 要 充 分 考 慮 地 上 部的 抗病性 在 低 段 高 密 度 周 年 栽培 中 根據(jù) 季 節(jié) 變 基金項(xiàng)目 甘肅 省 高 等學(xué) 校 創(chuàng)新 能力 提升 項(xiàng)目 項(xiàng)目編號(hào) 2019B 257 作者簡(jiǎn)介 李 冠 男 1980 男 漢族 甘肅 蘭 州人 博士 副教授 研究方向 蔬 菜生物技 術(shù) 蔬 菜 育種 蔬 菜栽培等 經(jīng) 驗(yàn) 交流 193 2021年第 04期 現(xiàn)代園藝 化 選擇 品 種 在 長(zhǎng) 季 節(jié) 栽培 中 選擇 耐 病性較 強(qiáng) 的 品 種 對(duì) 于 番 茄 來(lái) 說(shuō) 要 選擇 植 株 節(jié) 間 長(zhǎng) 冠 層 透 光 率 高 的 品 種 同 時(shí) 品 種 還 應(yīng) 具 有 單 性 結(jié) 實(shí) 的 特 性 2 2 育 苗技 術(shù) 育苗 決 定 了 栽培 的 成 敗 采 用 標(biāo) 準(zhǔn) 化 管 理 方 式 在 全 封 閉 育苗 室 以 立 體 栽培 的 方 式進(jìn)行育苗 控 制 內(nèi)部 光 環(huán) 境 溫 濕 度 氣 流 CO 2 濃度 等環(huán) 境 條件 全 天 候穩(wěn) 定 運(yùn) 行 選擇 較低 強(qiáng)度光 照 節(jié) 約 用 電 成本 比 如 適宜 光強(qiáng)度 在 100 400 moL m 2 s 采 用 水 環(huán) 式 供 應(yīng) 系統(tǒng) 減少水 肥 使 用量 實(shí)現(xiàn) 精 準(zhǔn) 管 理 和 控 制 2 3 栽培 技 術(shù) 采 用 營(yíng)養(yǎng)液 無(wú) 土 栽培 技 術(shù) 進(jìn) 一 步 提高 水 肥 利 用 率 在 栽培 種 實(shí) 時(shí) 對(duì) 植 株 的生 長(zhǎng) 狀態(tài) 比 如 莖 粗 葉面 積 葉 片 數(shù) 進(jìn)行定 期 監(jiān) 測(cè) 栽培 中 對(duì) EC值 篩 選 營(yíng)養(yǎng)液 配 方 光 照條件 溫 度及 空 氣 濕 度 等 相 關(guān) 參 數(shù) 進(jìn)行 優(yōu) 化 然 后 利 用 營(yíng)養(yǎng)液 自 動(dòng) 灌 溉 系統(tǒng) 灌 溉 以 少 量 高 頻 為 原 則 注 意 作 物 的 吸 收 量 根據(jù) 光 照 和 溫 度 的 變 化 而 變 化 在 栽培 中也 可 以 利 用 植 株 水 分 脅 迫 技 術(shù) 提高 果 實(shí) 品質(zhì) 2 4 光 照管 理 光 照 管 理 決 定 了 作 物能 否 高效 生 產(chǎn) 也 決 定 了 植 物 工 廠 成本 因此 要 對(duì) 光 環(huán) 境 進(jìn)行 精 準(zhǔn) 調(diào)控 充 分 利 用 太 陽(yáng) 能 雖 然 前 期 投 入較 大 但 后 期 成本 會(huì) 逐 漸 降 低 太 陽(yáng) 光 中 有 5 的 光 能 夠 被 作 物 利 用 因此 要 在 紅 光 和 藍(lán)光 的 基 礎(chǔ) 上 添 加 一 些特 殊 光 質(zhì) 成 分 生 產(chǎn) 中 注 意 不 要 一 味 提高 光 照 強(qiáng)度 因?yàn)?強(qiáng)度 過(guò)高會(huì)產(chǎn) 生 光 抑 制 現(xiàn) 象 既 浪 費(fèi) 能源 也 影響 作 物 生 長(zhǎng) 光 照 利 用 方 式 上 以 太 陽(yáng) 能 利 用 和 人 工光利 用 結(jié) 合 的 方 式 將 太 陽(yáng) 光 和 LED光 結(jié) 合 為 降 低能 耗 采 用 太 陽(yáng) 能發(fā) 電 技 術(shù) 結(jié) 合 風(fēng) 能發(fā) 電 等 清 潔 能源 技 術(shù) 實(shí)現(xiàn) 節(jié) 能目 的 同 時(shí) 利 用 光 導(dǎo) 技 術(shù) 實(shí)現(xiàn) 光 能 的 充 分 利 用 不 斷 優(yōu) 化 光 配 方 提 高 工 廠 化生 產(chǎn) 水 平 2 5 環(huán)境 控制 技 術(shù) 植物 工 廠 對(duì) 栽培 空 間 的 潔 凈 度要 求 較高 采 用 智 能 化 裝 置對(duì)營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行 精 確 配置 滅菌 輸 送 回 收 除 定 量 自 動(dòng)供 應(yīng) 和 補(bǔ) 液 外 還要 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 控營(yíng)養(yǎng)液 濃 度 成 分 酸 堿 度 變 化 確 保作 物 處 于 最 佳 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 地 上 部 環(huán) 境 控 制 方 面采 用 太 陽(yáng) 能 集 熱 技 術(shù) 熱 泵 調(diào) 溫 節(jié) 能 技 術(shù) 噴 霧 降 溫 技 術(shù) CO 2 施 用技 術(shù) 結(jié) 合 物 聯(lián)網(wǎng) 等 技 術(shù) 全 面 分 析 作 物 生 長(zhǎng) 狀 況 針 對(duì)每 種作 物 在不 同 發(fā) 育 階段 的 光 需量 進(jìn)行調(diào) 節(jié) 此 外 目前 機(jī) 器 人 采 收 技 術(shù) 在 本 基 地的 應(yīng) 用 條件 還 不 夠 成 熟 但 逐 漸 在 考 慮 引 入 通 過(guò)機(jī) 器 人 采 收 不 僅 可 以 減少 勞 動(dòng)力 投 入 還 能將機(jī) 器 人 和 智 能 控 制 系統(tǒng)結(jié) 合起 來(lái) 提 升 智 能 監(jiān) 測(cè) 水 平和 管 理的 精 確 性 3 基于 次 生 代謝 的植 物工 廠 技術(shù) 創(chuàng) 新 我國(guó) 目前 建 設(shè) 了 多 個(gè) 大 型 中 型 小 型 微 型 植物 工 廠 生 產(chǎn) 了 大量 苗 木 蔬菜 水 果 花 卉 食 用 菌 糧 食 作 物 中 藥 等 但 在技 術(shù) 創(chuàng) 新上 仍 然 有 待 提高 本 研 究 針 對(duì) 日 常 栽培 經(jīng) 驗(yàn) 提 出 了 一 條 創(chuàng) 新建 議 即 在 培 育 過(guò)程 中 充 分 利 用 植物 的 次 生 代謝 功 能 提高 作 物抗 逆 性 讓 植 物 在 艱 苦 的 環(huán) 境 中 培 育 出 優(yōu) 良 品質(zhì) 雖 然 利 用 次 生 代謝 功 能培 育 的作 物產(chǎn) 量 較低 但 品質(zhì)較 好 因此 可 以通 過(guò) 對(duì) 植物 工 廠 的 環(huán) 境 控 制 開 啟 作 物 次 剩 代謝 的必 要 條件 如 給 植物 創(chuàng) 造 逆 境 對(duì) 植物 進(jìn)行 生理 脅 迫 根據(jù) 各 種作 物 次 生 代謝 特 點(diǎn) 運(yùn) 用 智 能 技 術(shù) 加以 引 導(dǎo) 誘 導(dǎo) 共同 基 因 傳遞 不 同 的 逆 境 信 號(hào) 調(diào)控共 同 的 酶 和 功 能 蛋 白 產(chǎn) 生 共同 的 代謝 物質(zhì) 構(gòu) 建 高效 的 抗 逆 防 御 體 系 其 中 要 采 用 誘 導(dǎo) 脅 迫 方 式 將 營(yíng)養(yǎng)液 控 制 和誘 導(dǎo) 脅 迫 結(jié) 合起 來(lái) 讓 植物 早 期 就 具 有 免 疫 力 具 體 可 采 用 營(yíng)養(yǎng) 拌 種 種 子 抗性 鍛 煉 及 作 物 生 長(zhǎng)時(shí) 期不 間 斷 地 進(jìn)行 略 帶 傷 害 性 的 操 作 包 括 間 苗 鏟 趟 耘 剪枝 打 叉 采 摘 等 都 是 開 啟 次 生 代謝 的 良 好 途 徑 在生 長(zhǎng) 階段 不 使 用農(nóng) 藥 激 素 和 除 草 劑 而 是 使 用 有 益 微生 物 菌 劑 進(jìn)行噴施 讓 作 物產(chǎn) 生內(nèi) 源 激 素 同 時(shí) 也 可 以 利 用 智 能 控 制 系統(tǒng) 模 擬 災(zāi) 害 天 氣 和 特 殊 氣 候 給 作 物 施加 約 束 條件 既 能 讓 作 物更 好 地 產(chǎn) 生 抗 逆 性 又 能 讓 作 物病 蟲 草 和 其 它 災(zāi) 害 到 來(lái) 之 前開 啟 次 生 代謝 抗 逆 性 是 植物 與生 俱 來(lái) 的 特 性 不需 轉(zhuǎn)基因 只 需 要 脅 迫 和 背 養(yǎng) 就 可 以 提 升 農(nóng)作 物品質(zhì) 次 生 代謝 功 能和 全 營(yíng) 養(yǎng)液 材 料 完 美 匹 配 是生態(tài)農(nóng) 業(yè) 的 首 選 結(jié) 合 植物 的化 感 作用 能 夠 有效 抑 制 病 蟲 害 比 如 使 用 EDTA和植物 氨 基 酸液肥 能 夠 控 制 作 物 的生理 性病 害 和 土傳 病 害 4 結(jié) 語(yǔ) 植物 工 廠 是 未 來(lái) 農(nóng) 業(yè) 的 發(fā) 展 方 向 描繪 了 人 類未 來(lái) 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 形 態(tài) 當(dāng) 前 已 經(jīng) 從 傳統(tǒng) 光 生 物產(chǎn) 業(yè) 發(fā) 展 到 智慧 控 制 階段 不 僅 能 夠節(jié) 約 人 力 勞 動(dòng) 提高產(chǎn) 量 而 且 還 能 夠 控 制 作 物 生 長(zhǎng) 形 態(tài) 因此 在 未 來(lái)研究 中 要 結(jié) 合 基 地 試驗(yàn)成 功 經(jīng) 驗(yàn) 改 進(jìn) 植物 工 廠 家 庭 化 技 術(shù) 學(xué) 習(xí) 發(fā) 達(dá) 國(guó) 家 都 市農(nóng) 業(yè) 家 庭 園藝生 產(chǎn)和前 店 后 場(chǎng) 等 模 式 不 斷 創(chuàng) 新 提 升工 廠 化 水 平 參 考 文 獻(xiàn) 1 劉 慶 鑫 方 慧 李 宗 耕 等 自 然 光 植 物工 廠 多 層 立 體 栽培 補(bǔ) 光 對(duì) 生 菜 產(chǎn) 量 和 品質(zhì)的影響 J 中國(guó) 農(nóng) 業(yè) 大學(xué)學(xué)報(bào) 2019 24 01 98 105 2 鞠 紅 艷 李 季 孫 藝 哲 等 微型 植 物工 廠 LED多 光 譜 補(bǔ) 光 系 統(tǒng) 的 設(shè)計(jì) 與應(yīng)用 J 吉 林 農(nóng) 業(yè) 大學(xué)學(xué)報(bào) 2020 42 1 113 118 3 魏 軼 凡 毛 罕 平 左 志 宇 家 用 微型 植 物工 廠 結(jié) 構(gòu) 設(shè)計(jì) 與 生 菜 栽培 試驗(yàn) J 農(nóng) 機(jī) 化 研究 2019 41 11 104 109 4 楊 澤 文 賈 鶴 鳴 宋 文龍 等 基 于 能 量 角 度的 植 物工 廠 優(yōu) 化 控 制 J 江 蘇 農(nóng) 業(yè) 科學(xué) 2018 46 14 238 241 5 曾祥河 雷 濤 林 光 耀 等 一種 智 能 家 庭 式 植 物工 廠 的 創(chuàng) 新 設(shè) 計(jì) J 機(jī) 電 信 息 2018 27 138 139 責(zé)任編輯 舒丹丹 經(jīng) 驗(yàn) 交流 194