76 2023 年 4期 摘 要 植物工廠是農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種高級階段 通過生物技術(shù) 工程技術(shù)和自動化技術(shù) 實 現(xiàn)高效的作物選育和生產(chǎn) 將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與自然環(huán)境分離 不僅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量 同 時為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了更多的可能性 本次研究主要就植物工廠的背景 現(xiàn)狀 當前存在的問題及 發(fā)展建議進行了幾種討論 希望通過本文的閱讀 能夠給植物工廠相關(guān)領(lǐng)域的研究者或工作者提 供一定的幫助和啟發(fā) 關(guān)鍵詞 智能化 植物工廠 發(fā)展現(xiàn)狀 我國智能化植物工廠發(fā)展現(xiàn)狀與對策建議 紅河職業(yè)技術(shù)學院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)學院 許冬月 溥依然 陶金福 朱自坤 植物工廠是工業(yè)發(fā)展的一種高級階段 通過開辟 一種特殊的空間 利用生物技術(shù)對植物進行栽培 使 農(nóng)作物的生長脫離土壤 河流 陽光等自然條件的束 縛 解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地利用之間的矛盾 通過工 廠化的生產(chǎn)模式 實現(xiàn)集中 高效 智能化的作物生 產(chǎn) 對于作物的產(chǎn)量 質(zhì)量具有一定程度的保證 不 過植物工廠對于相關(guān)技術(shù)要求高 初始成本投入大 中期管理要求嚴格 當前我國的植物工廠發(fā)展尚處于 初級階段 規(guī)模小 效益不顯著且存在不少問題 若 不能給予解決 勢必會對我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展造成一定的 影響和阻礙 1 1 植物工廠的研究和發(fā)展背景 植物工廠是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種高級階段 從當前的 客觀條件來講 植物工廠的出現(xiàn)存在一定的必然性 一方面 是由于人口增加 土地利用問題越發(fā)矛盾 為了保證我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 我國在農(nóng)業(yè)用地的使用方 面有著較為嚴格的規(guī)定 雖然保證了耕地面積 但 是建筑用地的減少 一定程度上制約了經(jīng)濟的發(fā)展 本質(zhì)上并不利于人們生活水平的提高 2 另一方面 人口的持續(xù)增加 使得作為餐飲基礎(chǔ)的農(nóng)作物產(chǎn)品 需求量與日俱增 加上人們生活水平不斷提高的前 提之下 對于農(nóng)作物產(chǎn)品的需求 已經(jīng)從果腹發(fā)展 為綠色 營養(yǎng) 美味等 市場需求的不斷膨脹以及 對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量需要的多樣化 高級化 也給傳統(tǒng)農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)帶來了挑戰(zhàn) 最后 我國作為擁有數(shù)千年農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)歷史的農(nóng)耕大國 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗非常豐富 但是就當前而言 我國很多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式也已經(jīng)遇 到了不小的問題 土壤肥力的不斷下降 農(nóng)藥化肥 的泛用對環(huán)境帶來的污染 塑料地膜等農(nóng)具回收困 難 這些問題的匯集 對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量 質(zhì)量和 成本都造成了影響 植物工廠實際上就是將植物播種 育苗 移栽 管理和收獲等過程集中在一個空間內(nèi)進行 借助現(xiàn)代 工業(yè)生產(chǎn)模式 借助生物技術(shù) 工程技術(shù) 智能技 術(shù)和自動化技術(shù) 快速 高效地完成上述過程 因 為利用了各種自動化技術(shù)和智能技術(shù) 整個過程的 操作更加精確 控制管理更加可靠 對于人力的使 用相對減少 解放人力的同時 也避免了人工管理 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作中存在的誤差隱患 除此之外 植物 工廠應用大量生物技術(shù) 使得部分作物能夠脫離土 壤 河流 陽光等自然條件生長 這有效地提升了 土地的利用率 以較小的生產(chǎn)空間 完成了更高水 平的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作 植物工廠利用各種生物技術(shù)提 升作物的質(zhì)量和產(chǎn)量 在整個種植和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程 中 借助光照 水分 營養(yǎng)液等使用量的調(diào)節(jié) 有 效提升了產(chǎn)量 并且大量借助生物技術(shù)進行病蟲害的 防治 避免了農(nóng)藥和化肥的使用 符合當前對于農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)綠色無污染的要求 植物工廠內(nèi)部的光照 溫度 濕度 二氧化碳 濃度等都受到精準調(diào)控 為各生育階段提供最佳生長 環(huán)境 植物工廠的出現(xiàn) 既解決了當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與土 地利用之間的矛盾 釋放了大量的土地和勞動力 又 利用生物技術(shù) 有效提升了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量 進 一步滿足了消費者對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求 利用植物工 廠 可進行加代育種 使育種周期大幅縮短 為加速 作者簡介 許冬月 女 1986年出生 云南紅河州人 碩士研究生 講師 研究方向 種質(zhì)資源保護與利用 通訊作者 朱自坤 男 云南曲靖人 碩士研究生 研究方向 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣 DOI 10 15989 ki hbnjzzs 2023 04 020 2023 年 4期 77 作物育種 保障糧食安全提供了全新的技術(shù)途徑 在 生產(chǎn)過程中 也減少了對于環(huán)境的污染 進一步踐行 綠色農(nóng)業(yè) 對于我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實現(xiàn)具有十分 積極的意義 3 2 我國植物工廠的發(fā)展現(xiàn)狀 近年來 我國植物工廠發(fā)展速度很快 但是從整 體來看 仍舊處于起步階段 相較于當前相關(guān)技術(shù)已 經(jīng)發(fā)展非常成熟的美國 日本 瑞典 荷蘭等國家 尚有巨大的差距 這些差距集中體現(xiàn)在以下幾個方 面 一是規(guī)模 我國作為人口大國和農(nóng)業(yè)大國 雖 然當前植物工廠數(shù)量激增 但是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基數(shù) 大 目前植物工廠在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮的作用幾乎可 以忽略 規(guī)模難以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的真正需求 4 二 是硬件設(shè)施上 相關(guān)技術(shù)的自主研發(fā)和生產(chǎn)目前依 舊不足 部分核心技術(shù)依賴進口 這導致了很多植 物工廠的硬件設(shè)備不足 自動化水平低 部分植物 工廠仍舊依賴人工管理 導致了生產(chǎn)的效率和準確 性不足 三是數(shù)據(jù)和學術(shù)技術(shù)薄弱 由于我國在相 關(guān)的技術(shù)研究發(fā)展方面起步較晚 距離西方發(fā)達國 家存在一定程度的滯后 這導致了在很長一段時間 我國都是不斷向西方發(fā)達國家學習 這導致學術(shù)根 基相對比較薄弱 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際中 薄弱的學術(shù) 和應用技術(shù) 直接帶來的結(jié)果就是相關(guān)數(shù)據(jù)較少 不同作物甚至同一作物的不同品種 生產(chǎn)條件差別 較大 要想實現(xiàn)高效生產(chǎn) 必須提供最優(yōu)的生長條 件 由于缺少相關(guān)實驗數(shù)據(jù)的支撐 目前我國的植 物工廠生產(chǎn)的作物比較單一 并不能滿足市場消費者 多樣化的農(nóng)產(chǎn)品消費需求 3 現(xiàn)階段植物工廠發(fā)展存在的問題 3 1環(huán)境感知不能滿足預期 環(huán)境感知是植物工廠農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作的重中之重 簡而言之 就是通過布設(shè)傳感器對植物工廠周邊環(huán)境 及農(nóng)作物生長環(huán)境各項數(shù)據(jù)信息進行收集和處理 這 便于智能化的對植物生長條件進行調(diào)節(jié) 以便符合植 物生長的最佳環(huán)境 不過在實際的應用過程中 因為 環(huán)境感知工作需要布設(shè)大量的傳感器收集周邊環(huán)境是 信息 因此在前期極大程度地增加了治污工程的投入 成本 從部分植物工廠的環(huán)境感知實際情況來看 由 于感知設(shè)備布設(shè)伴隨大量的線路 不僅僅增加了布設(shè) 的難度 與此同時 復雜線路也給其他的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工 作及運輸工作帶來了挑戰(zhàn) 最后是很多植物工廠開設(shè) 在遠離人煙的地區(qū) 再加上植物工廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很多 金屬框架 這導致了一些情況通信訊號不穩(wěn)定 致使 傳感器的數(shù)據(jù)收集工作出現(xiàn)斷點 非連續(xù)的信息收集 工作 影響了環(huán)境感知在植物工廠的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中 所應發(fā)揮的能效 5 3 2定位技術(shù)限制智能設(shè)備應用 植物工廠的一大特色就是使用智能設(shè)備代替人工 管理 增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精確性和智能化 但是在實 際的應用過程中 由于智能裝備所需要借助定位系統(tǒng) 實現(xiàn)精準操作和定位 但是目前發(fā)展較為成熟且精度 較高的衛(wèi)星定位系統(tǒng) GPS或北斗等 在室內(nèi)的應用 效果并不理想 而室內(nèi)定位技術(shù)多使用紅外線定位 藍牙定位 射頻定位等 這些定位技術(shù)都存在精度 低 建模難度大 抗干擾能力弱 穩(wěn)定性差等問題 這導致了智能設(shè)備的應用不盡如人意 未能在植物工 廠的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮應有的作用 6 3 3營養(yǎng)供給科學性不足 營養(yǎng)供給是植物生長所必需的 尤其是植物工廠 的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作 因為作物脫離了土壤 陽光 降水 等必要的生長條件 要想保證作物的正常生長發(fā)育 提升作物的產(chǎn)量和質(zhì)量 就必須保證作物的營養(yǎng)供給 充足 7 在實際的植物工廠生產(chǎn)過程中 主要通過調(diào) 節(jié)營養(yǎng)液 肥水配比來實現(xiàn)營養(yǎng)供給 但是從實際情 況來看 其效果并不能令人滿意 主要是營養(yǎng)供給的 精細化管理工作存在問題 在實際的生產(chǎn)工作中 需 要大量依賴人工進行肥水配比 營養(yǎng)液添加等工作 這導致了營養(yǎng)液供給的連續(xù)性和可靠性下降 部分植 物工廠為了確保作物產(chǎn)量和質(zhì)量 超量供應營養(yǎng)物 質(zhì) 一定程度上造成了資源的浪費 提升了生產(chǎn)成 本 而且給廢液的回收處理帶來一定的困難 從生產(chǎn) 和經(jīng)營角度來看 這都是十分不利的 3 4人才隊伍建設(shè)不足 當前我國植物工廠相關(guān)建設(shè) 管理和科研人員缺 口巨大 很多植物工廠的工作人員都非專業(yè)人士 在 實際的工作中 工作能力和經(jīng)驗難以應對植物工廠復 雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求 不僅導致了植物工廠智能 高效 的特點難以發(fā)揮 而且還因為人為操作和管理導致工 作準確度的下降 而目前制約我國植物工廠快速發(fā)展 的關(guān)鍵 還是相關(guān)技術(shù)的落后 核心技術(shù)依賴進口 自主研發(fā)人才儲備不足 限制了植物工廠的智能化水 平 從長遠角度來看 科研人員的數(shù)量和水平 決定 了植物工廠的發(fā)展上限 8 4 我國植物工廠未來發(fā)展的建議 4 1研制移動式感知設(shè)備 如上文所言 植物工廠的環(huán)境調(diào)節(jié)離不開環(huán)境 78 2023 年 4期 感知工作 而環(huán)境感知工作又十分依賴傳感設(shè)備 當 前傳感設(shè)備高投入成本 布線復雜以及穩(wěn)定性差等問 題 限制了植物工廠的發(fā)展 面對這種情況 應該著 力對傳感設(shè)備進行研究 研究方向可以將傳統(tǒng)的定點 布設(shè)感知設(shè)備向移動式智能感知設(shè)備發(fā)展 這樣就能 夠通過智能移動感知設(shè)備的全天移動巡視 覆蓋整個 植物工廠周邊 9 在一定程度上 節(jié)約了前期設(shè)備和 采購和布置的成本 也能夠降低復雜布線對農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 帶來的影響 但是同樣要注意巡檢路線的設(shè)定 避免 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中 運輸設(shè)備或者管理人員碰撞感知設(shè) 備造成損壞 4 2研制更加精準的室內(nèi)定位技術(shù)和智能化生產(chǎn)裝備 就目前而言 智能化裝備和室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展 在一定程度上限制了我國植物工廠的發(fā)展和進步 存 在定位技術(shù)不可靠 智能化設(shè)備不智能的問題 導致 我國植物工廠生產(chǎn)過程中仍舊會依賴大量人工管理 自動化和精確化水平不足 面對這種情況 應該加強 對室內(nèi)定位技術(shù)以及植物工廠智能化設(shè)備方面的研 究 這能夠在一定程度上 增強植物工廠農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的 精確性和穩(wěn)定性 提升自動化水平 減少人工管理和 人為干預 提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準度 10 4 3加強對應該供給系統(tǒng)的研制 為了保證營養(yǎng)液和肥水供給的持續(xù) 充足同時避 免浪費 精準地為植物的生長發(fā)育提供最為適宜的 生長條件 應該進一步加強對營養(yǎng)供給系統(tǒng)的研究 利用潮汐灌溉 噴灌 微噴灌 滴灌等方式 在保 證水分供給的同時 提升水資源利用率 應設(shè)置更 加合理的營養(yǎng)供給回路 便于營養(yǎng)物質(zhì)的多次利用 應在作物端設(shè)置傳感器 了解作物的生長發(fā)育程度 這便于對植物的實際營養(yǎng)需求進行計算 精確調(diào)節(jié)營 養(yǎng)供給 4 4強化人才隊伍建設(shè) 首先從國家層面來講 人才的隊伍的建設(shè) 應該 加大相關(guān)科研經(jīng)費的投入 各大農(nóng)業(yè)院校或綜合院校 的農(nóng)學專業(yè) 應該增設(shè)相關(guān)專業(yè)或增強專業(yè)的垂直深 度 從各級相關(guān)部門來講 應該鼓勵從事植物工廠相 關(guān)生產(chǎn)建設(shè)工作 政策上給予一定的優(yōu)惠 便于其吸 引更多的人才 從植物工廠本身來講 應提升相關(guān)人 才的專業(yè)性 通過培訓和招聘等手段 積極強化人才 隊伍的建設(shè)水平 從相關(guān)人才本身來講 應該進一步 認清農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢 扎根基層 投身植物工廠的建設(shè) 和管理工作中來 為我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展和進步 注入新 鮮血液 帶來新的契機 5 結(jié)語 總而言之 植物工廠是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級階 段的重要方向之一 解決了用地 綠色農(nóng)業(yè) 高品質(zhì) 農(nóng)產(chǎn)品需求等方面的問題 但是就目前的實際情況來 看 我國的植物工廠建設(shè)與發(fā)展還處于初級階段 雖 然近年來經(jīng)歷了高速發(fā)展時期 但是由于軟硬件技術(shù) 差 水平低 穩(wěn)定性不足 很多核心技術(shù)并未掌握 缺少自主研發(fā) 與此同時 由于實驗數(shù)據(jù)不足等原 因 目前植物工廠適宜生產(chǎn)的作物種類和品種并不豐 富 這些問題如果不能加以解決 我國的植物工廠在 農(nóng)業(yè)發(fā)展當中 并不能發(fā)揮真正的作用 因此需要繼 續(xù)不斷投入科研力量和經(jīng)費 助力植物工廠騰飛 參考文獻 1 毛毛 劉東 宋睿治 集裝箱植物工廠氣流組織特 性及優(yōu)化研究 J 制冷 2022 41 03 20 24 35 2 連效乾 耿一超 韓旭 張華 李永 高天飛 人 工光型植物工廠光溫環(huán)境調(diào)控節(jié)能技術(shù)研究 J 節(jié) 能 2022 41 08 69 72 3 張瑞潔 賀忠群 李春燕 莫建超 謝永東 植物工 廠中光周期對番杏光合特性及品質(zhì)的影響 J 應用與環(huán) 境生物學報 2022 28 04 989 994 4 季涵涵 謝忠堅 辜美章 初麒 楊艷麗 劉厚誠 辜 松 植物工廠種植板物流輸送系統(tǒng)設(shè)計與試驗 J 農(nóng)機 化研究 2023 45 05 78 82 5 張瑞潔 賀忠群 劉雨杭 謝永東 王海霞 李春 燕 植物工廠中光強對番杏生長發(fā)育及品質(zhì)的影響 J 西北農(nóng)業(yè)學報 2022 31 07 886 892 6 卞中華 李宗耕 王森 楊其長 植物工廠水稻快速 繁育技術(shù)探究 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2022 42 19 60 62 7 董微 馬鐵 張棟 周增產(chǎn) 姚濤 張浩文 牧草集裝 箱植物工廠研發(fā)與應用 J 農(nóng)業(yè)工程 2022 12 06 71 74 8 徐文棟 李春蘭 密閉式植物工廠內(nèi)大黃育苗技 術(shù)研究 J 南方農(nóng)機 2022 53 12 25 27 31 9 李宗耕 楊其長 沙德劍 馬偉 植物工廠水培 葉菜生產(chǎn)全程機械化研究進展 J 中國農(nóng)業(yè)大學學 報 2022 27 05 12 21 10 楊學坤 鄭士朝 氣霧栽培式家庭植物工廠設(shè)計 J 中國農(nóng)機化學報 2022 43 04 38 45