智能化植物工廠的發(fā)展現(xiàn)狀與展望 任如冰 1 聶茹霞 1 陳小文 1 劉魯江 1 張?zhí)熘?2 1北京中農(nóng)富通園藝有限公司 北京海淀 100083 2中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院 摘 要 近些年 隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的不斷探索 智能化植物工廠產(chǎn)業(yè)取得快速發(fā)展 在材料 裝置和技術(shù)方面都取得了快速進步 在介紹植物工廠的發(fā)展歷史 主要類型 特點及優(yōu)勢的基礎(chǔ)上 著重分析了植物工廠的國家分布 技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 并指出存 在問題及發(fā)展對策 最后對未來植物工廠的發(fā)展前景進行了展望 關(guān)鍵詞 植物工廠 主要類型 發(fā)展現(xiàn)狀 展望 筑結(jié)構(gòu)為半封閉式 光源為自然光與人工光源 用電較 少 受氣候影響較小 作物生產(chǎn)較穩(wěn)定 實用性強 有利 于推廣應(yīng)用等特點 1 3 植物工廠發(fā)展歷史 植物工廠的發(fā)展大概分為3個階段 第1個階段 為20世紀40年代至60年代末的試驗階段 以丹麥約 克里斯頓植物工廠 1957年 1000m 2 奧地利盧斯那 植物工廠 1963年 216m 2 等為代表 具有規(guī)模小 采 用人工氣候室進行控制 運行成本較高等特點 第2個 階段為20世紀70年代至80年代中期的示范應(yīng)用階 段 以美國波里達卡植物工廠 1980年 3000m 2 日本 日立公司中央研究所植物工廠 1985年 660m 2 等為 代表 具有應(yīng)用范圍廣 技術(shù)開發(fā)力度大 示范效果明 顯等特點 第3個階段為20世紀80年代中期至今的 快速發(fā)展階段 以瑞典愛伯森植物工廠 20世紀80年 代中期 6100m 2 日本神內(nèi) 21植物工廠 2001年 3000m 2 等為代表 具有技術(shù)發(fā)展快 規(guī)模擴大 多行業(yè) 融合 高科技成果得到充分應(yīng)用等特點 1 4 植物工廠的優(yōu)勢 近年來 隨著世界環(huán)境 資源等問題日漸突出 植 物工廠的發(fā)展優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn) 表現(xiàn)為 作物生產(chǎn)周期性 1 植物工廠概述 1 1 定義 是指通過計算機對設(shè)施內(nèi)作物生產(chǎn)過程中的溫 度 濕度 光照 水肥等生產(chǎn)要素進行自動控制 使植物 不受或很少受自然條件的影響 而實現(xiàn)作物周年生產(chǎn) 的高效生產(chǎn)方式 1 1 2 主要類型及特點 按照光源來源分為人工光型植物工廠 太陽光型 植物工廠 太陽光與人工光并用型植物工廠 1 2 1人工光型植物工廠 是指完全使用人工光源進行 植物生產(chǎn)的設(shè)施 具有建筑結(jié)構(gòu)為全封閉式 只利用人 工光源 光源特性好 采用營養(yǎng)液水耕栽培方式 實現(xiàn) 無污染生產(chǎn) 對環(huán)境參數(shù)可進行精密控制 設(shè)施 裝備 成本高 能源消耗大等特點 1 2 2 太陽光型植物工廠 是指利用太陽光 不補光 進 行植物生產(chǎn)的溫室設(shè)施 具有建筑結(jié)構(gòu)為半封閉式 光 源為自然光 配備多種環(huán)境因子的監(jiān)測和調(diào)控設(shè)備 采 用營養(yǎng)液水耕栽培與基質(zhì)栽培 主要生產(chǎn)葉菜類和茄 果類蔬菜等特點 1 2 3太陽光與人工光并用型植物工廠 是指利用太陽 光與人工光并用型進行植物生產(chǎn)的溫室設(shè)施 2 具有建 林管理已成為必然工作 林業(yè)部門應(yīng)對采伐區(qū)的管理 工作落實監(jiān)管 定期檢查采伐區(qū) 杜絕過度采伐 嚴懲 違反采伐制度的行為 其次 必須檢查樹木的質(zhì)量 嚴 格控制采伐程序 并建立樹木保護系統(tǒng) 除了合理調(diào)節(jié) 采伐量外 還應(yīng)合理培育苗木 使林區(qū)的樹苗保持恒定 的生態(tài)平衡 4 結(jié)語 在社會經(jīng)濟發(fā)展中過程中 由于經(jīng)濟發(fā)展需求 對 林業(yè)資源進行不合理開發(fā)和利用 造成資源的過度浪 費 進而給生態(tài)文明建設(shè)造成一系列問題 對林業(yè)生態(tài) 資源的可持續(xù)發(fā)展造成一定阻礙 不利于我國社會經(jīng) 濟的發(fā)展 因此 各地區(qū)林業(yè)管理部門應(yīng)樹立正確管理 理念 加大管理力度 實現(xiàn)林業(yè)資源的合理開發(fā) 提高 利用率 通過建立健全的規(guī)章制度 對環(huán)境效益和經(jīng)濟 2020年第7期 現(xiàn)代園藝 產(chǎn)業(yè)謀劃 效益進行有效協(xié)調(diào) 對林業(yè)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化 提高林業(yè)管 理水平 完善管理體系促進林業(yè)生態(tài)資源的可持續(xù)發(fā) 展 收稿 2019 11 11 參考文獻 1 林壽珣 林業(yè)生態(tài)保護的可持續(xù)發(fā)展及實現(xiàn)策略闡釋 J 綠色科技 2018 3 2 孫麗函 以生態(tài)文明為基礎(chǔ)的林業(yè)管理與可持續(xù)發(fā)展探析 J 山西 農(nóng)經(jīng) 2017 2 77 3 陳學福 生態(tài)文明下林業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性探究 J 現(xiàn)代園藝 2018 368 20 176 4 彭陳鳳 生態(tài)文明視角下的林業(yè)管理及可持續(xù)發(fā)展 J 農(nóng)民致富之 友 2018 23 183 5 杜小勇 生態(tài)文明視角下的林業(yè)管理及可持續(xù)發(fā)展分析 J 農(nóng)業(yè) 與技術(shù) 2018 38 12 171 172 作者簡介 于洋 1986 滿族 河北圍場人 本科 工程師 研究方 向 森林經(jīng)營與資源管護 輪輷訛 DOI 10 14051 ki xdyy 2020 07 036 強 可達到周年生產(chǎn) 不施農(nóng)藥 產(chǎn)品安全無污染 多層 立體栽培 資源 土地 水肥 空間等 利用率高 作物生 長周期短 單位面積產(chǎn)量高 機械化 自動化程度高 勞 動強度低 不受或很少受地理 自然環(huán)境的影響 甚至 可在極端氣候區(qū) 外層空間等地區(qū)進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等 3 4 2 植物工廠發(fā)展現(xiàn)狀 2 1 國家分布 目前 植物工廠的發(fā)展以日本 荷蘭 中國最具代 表性 其中 日本在人工光型植物工廠方面研發(fā)與產(chǎn)業(yè) 化較快 居領(lǐng)先水平 目前在運營的250余座人工光型 植物工廠中 僅有20 處于虧損階段 其余80 保持 持平及盈利階段 涉及植物種類有生菜 藥草 種苗等 荷蘭在太陽光及其與人工光并用型植物工廠技術(shù)領(lǐng)域 是真正的世界領(lǐng)先 最高產(chǎn)量高達90kg m 2 中國是植 物工廠研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化最活躍的國家 通過引進消化 自 主研發(fā)創(chuàng)新 應(yīng)用推廣3個階段 各類型植物工廠正在 快速 均衡發(fā)展 3 2 2 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 2 2 1 栽培形式與栽培技術(shù) 目前 平面多層立體栽培 多面體立體栽培 幕墻式立體栽培 圓柱形立體栽培等 栽培形式與之配套的營養(yǎng)液水培 基質(zhì)培 潮溪培 霧 培等栽培技術(shù) 因為其作物生產(chǎn)效率高 水肥 空間 土 地等利用率高等優(yōu)勢在各國植物工廠被廣泛應(yīng)用 5 2 2 2 人工光照明技術(shù) LED光源因為其節(jié)能 環(huán)保 壽命長 光強 光質(zhì)和光周期可控性強 冷光源 可貼近 植物照射 空間利用率高 可按植物生長發(fā)育需求調(diào)制 光譜等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用 目前在人工光型植物工廠中 被開發(fā)應(yīng)用的有面板燈 條燈 燈管 燈帶等 同時 行 間冠層補光燈 花期燈 條燈等多款LED補光燈在太 陽光型植物工廠中也被開發(fā)應(yīng)用 2 2 3 智能環(huán)境控制及自動化管控技術(shù) 智能環(huán)境控制 及自動化管控技術(shù)是通過控制設(shè)施內(nèi)溫度 光照 CO 2 濃度 營養(yǎng)液供給等多種生產(chǎn)要素 而達到節(jié)能高效 優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的 智能環(huán)境控制及自動化管控技術(shù)難 度較大 需要和其他環(huán)境要素統(tǒng)籌控制 是今后研究開 發(fā)的重點 2 3 產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 近年來 我國植物工廠產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展 但是 植物 工廠規(guī)模偏小 生產(chǎn)植物單一 智能環(huán)境控制技術(shù)裝備 水平參差不齊 且示范 展示性植物工廠居多 達到商 業(yè)化運行的植物工廠較少 亟待大力推進 3 存在問題與發(fā)展對策 3 1 存在問題 植物工廠是未來設(shè)施園藝發(fā)展的趨勢 發(fā)展前景 廣闊 但不可否認 當前植物工廠的發(fā)展面臨諸多問 題 投入成本高 主要包括人工光源 營養(yǎng)液設(shè)備和 智能環(huán)境調(diào)控 監(jiān)控系統(tǒng)等投入 而這些設(shè)備等成本比 較高 運行成本較高 能耗較大 其中電能消耗巨大 栽培作物種類較少 主要以葉菜為主 植物工廠智 能化程度低 高成本 低產(chǎn)出 自動化程度低 育苗 移栽 定植 收獲等人工成本高 商業(yè)化模式日漸成 熟 但贏利點需要探索 4 3 2 發(fā)展對策 針對植物工廠產(chǎn)業(yè)面臨的問題 需要從技術(shù) 運營 等多方面開展研究 針對當前存在的問題 應(yīng)對措施如 下 1 加強植物工廠自動化 智能化技術(shù)的研究 提升 集約化 精細化的管理水平 自動化 智能化水平的提 升 有助于實現(xiàn)植物工廠集約化 精細化管理 可大幅 度縮減勞動成本 節(jié)約勞動力 2 開發(fā)集約高效的植 物工廠技術(shù)裝備 實現(xiàn)周年優(yōu)質(zhì)高產(chǎn) 開發(fā)高效的栽培 設(shè)施裝備 節(jié)能的照明技術(shù)裝備 智能的環(huán)控裝備等 提升植物工廠智能化水平 有利于實現(xiàn)周年高效生產(chǎn) 3 開展藥用植物 保健植物 珍稀特蔬菜等高附加值 植物工廠化栽培技術(shù)研究 增加植物工廠栽培作物種 類 拓寬盈利渠道 提高盈利起點 4 開展家用型 商 用型等植物工廠研究 豐富植物工廠類型 實現(xiàn)多種功 能持續(xù)盈利 4 發(fā)展前景與展望 政府和企業(yè)更加重視 政府層面 植物工廠資源高 效利用關(guān)鍵技術(shù)被列為農(nóng)業(yè)部 十三五 農(nóng)業(yè)科技發(fā)展 規(guī)劃中 植物工廠項目被列入中科院 十三五 重點培 育方向 植物工廠項目也列入了福建省重點支持項目 企業(yè)方面 不僅是科研界 電子 醫(yī)療 能源 材料 房地 產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)界和企業(yè)也大量投資研究開發(fā)植物工廠技 術(shù) 植物工廠研發(fā)類型多樣 應(yīng)用范圍廣闊 符合多元 的市場需求 植物工廠發(fā)展的技術(shù)儲備已經(jīng)成熟 產(chǎn)業(yè) 雛形已經(jīng)形成 將很快進入商業(yè)化快速發(fā)展期 收稿 2019 11 08 參考文獻 1 余錫壽 劉躍萍 中國植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及展望 J 農(nóng)業(yè)展望 2014 10 12 50 55 2 賀冬仙 植物工廠的概念與國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2016 36 10 13 15 3 劉文科 植物工廠的發(fā)展現(xiàn)狀與展望 J 中國照明電器 2016 12 5 9 4 邱兆美 趙龍 賈海波 植物工廠發(fā)展趨勢與存在問題分析 J 農(nóng)機 化研究 2013 35 10 230 233 5 余錫壽 劉躍萍 封閉型植物工廠發(fā)展現(xiàn)狀與展望 J 農(nóng)業(yè)展望 2015 11 07 46 49 作者簡介 任如冰 1990 男 山西聞喜人 碩士研究生 園藝作物 栽培方向 聶茹霞 1990 女 山西稷山人 碩士研究生 園藝作物 栽培方向 通信作者 張?zhí)熘?1968 男 教授 現(xiàn)主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能 源工程等教學與科研工作 產(chǎn)業(yè)謀劃 現(xiàn)代園藝 2020年第7期 輫輮訛