2021年第04期 現(xiàn)代園藝 植物工廠項(xiàng)目建設(shè)的價值及關(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 植物工廠是通過智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對作物生長環(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)國家的技術(shù)經(jīng)驗(yàn) 分析了植物工廠項(xiàng) 目建設(shè)的價值 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 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 的人工環(huán)境 高智能植物工廠不僅能夠?qū)ψ魑锷L的溫 濕度 光照 二氧化碳濃度 肥料營養(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 將會顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植對自然條件的 依賴 甚至未來在外星球進(jìn)行植物栽培也成為可能 1 植物工廠建設(shè)的價值 1 1 帶來了超高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率 植物工廠的作物生長周期大大縮短 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)省了一半時間 一般作物如果以生長周期按照 2個月來計算 每年最多能夠收獲6次 可有效解決全 球食品供給問題 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 推動綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展 植物工廠通過配置循環(huán)營養(yǎng)液來滿足作物生長 營養(yǎng)液集合了植物生長所必須的各種營養(yǎng)物質(zhì) 礦物 元素和微量元素 能夠在無土栽培環(huán)境下實(shí)現(xiàn)快速生 長 并且將作物生長完全進(jìn)行數(shù)字化和智能化控制 從 生長發(fā)育的每一個周期到收獲日期都是確定的 植物 工廠可以生產(chǎn)大量無公害蔬菜 其產(chǎn)品無污染 無殘 留 而且營養(yǎng)價值更高 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 給人類帶來了源源不斷的食品供 給 通過立體栽培方式 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 具有重要社會實(shí)踐價值和科研意義 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)交流的重要場所 作為目前最先進(jìn)的種 植模式 目前發(fā)達(dá)國家的很多植物工廠已經(jīng)成為了都市 人認(rèn)識農(nóng)業(yè) 認(rèn)識自然與植物的教育窗口 很多學(xué)生來 到植物工廠進(jìn)行生物技術(shù)興趣實(shí)踐 很多都市人來到植 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)為生長創(chuàng)造仿真最佳生長模式 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 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 2019B 257 作者簡介 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 DOI 10 14051 ki xdyy 2021 04 084 2021年第04期現(xiàn)代園藝 化選擇品種 在長季節(jié)栽培中選擇耐病性較強(qiáng)的品種 對于番茄來說 要選擇植株節(jié)間長 冠層透光率高的品 種 同時 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) 采用營養(yǎng)液無土栽培技術(shù) 進(jìn)一步提高水肥利用 率 在栽培種實(shí)時對植株的生長狀態(tài) 比如 莖粗 葉面 積 葉片數(shù)進(jìn)行定期監(jiān)測 栽培中對EC值 篩選營養(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 然后利用營養(yǎng)液自動灌溉系統(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 要對光環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控 充分利 用太陽能 雖然前期投入較大 但后期成本會逐漸降 低 太陽光中有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)閺?qiáng)度過高會產(chǎn)生光抑 制現(xiàn)象 既浪費(fèi)能源 也影響作物生長 光照利用方式 上 以太陽能利用和人工光利用結(jié)合的方式 將太陽光 和LED光結(jié)合 為降低能耗 采用太陽能發(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 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) 植物工廠對栽培空間的潔凈度要求較高 采用智 能化裝置對營養(yǎng)液進(jìn)行精確配置 滅菌 輸送 回收 除 定量 自動供應(yīng)和補(bǔ)液外 還要實(shí)時監(jiān)控營養(yǎng)液濃度 成分 酸堿度變化 確保作物處于最佳生長環(huán)境 地上 部環(huán)境控制方面采用太陽能集熱技術(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) 全面分析作物生長狀況 針對每種作物在不同發(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 通過機(jī)器人采收不僅可以減少勞動力投入 還能將機(jī) 器人和智能控制系統(tǒng)結(jié)合起來 提升智能監(jiān)測水平和 管理的精確性 3 基于次生代謝的植物工廠技術(shù)創(chuàng)新 我國目前建設(shè)了多個大型 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 日常栽培經(jīng)驗(yàn)提出了一條創(chuàng)新建議 即在培育過程中 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 對植物工廠的環(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 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 將營養(yǎng)液控制和誘導(dǎo)脅迫結(jié)合起 來 讓植物早期就具有免疫力 具體可采用營養(yǎng)拌種 種 子抗性鍛煉及作物生長時期不間斷地進(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 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)害到來之前開啟次生代謝 抗逆性是植物與生俱來的特性 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 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 植物工廠是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向 描繪了人類未 來農(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 提高產(chǎn)量 而 且還能夠控制作物生長形態(tài) 因此 在未來研究中 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)國家都市農(nóng)業(yè) 家庭園藝生產(chǎn)和前店后場等模 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)光對生 菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響 J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 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)計與應(yīng)用 J 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 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 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