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一文详解LED植物工厂的过去、现在及未来

导读: 近十多年来,得益于蓝光LED的出现与红蓝LED组合光源的研制成功,以及基于网络的智能控制技术的应用,植物工厂人工光源能耗得到显著降低,栽培层间距进一步缩短,能效比大幅度提升。与此同时,传感器、智能控制器以及物联网技术的应用也为植物工厂智能化管控提供了可能。

  近十多年来,得益于蓝光LED的出现与红蓝LED组合光源的研制成功,以及基于网络的智能控制技术的应用,植物工厂人工光源能耗得到显著降低,栽培层间距进一步缩短,能效比大幅度提升。与此同时,传感器、智能控制器以及物联网技术的应用也为植物工厂智能化管控提供了可能。

  我们可以看到,在这一时期内,全国多个国家加快了对植物工厂的研发力度与产业化步伐。例如,自2009年开始,日本就提出大力发展植物工厂、振兴现代农业计划。同年,韩国政府也开始支持科研机构与企业共同进行人工光植物工厂的研发。美国则一方面通过植物工厂的研究为空间站和星球探索提供食物保障,另一方面提出了“摩天大楼农业”的构想,欲从空间上突破资源瓶颈……

  同样在2009年,中国农科院环发所植物工厂的研发团队就与北京中环易达设施园艺科技有限公司就研发出了国内第一例智能型植物工厂。目前,该技术成果已推广到北京、上海、山东等20多个省区市。

  事实上,中国从上世纪90年代已开始植物工厂研发工作,2002年成功研发自然光植物工厂,2005年研制出LED植物工厂实验系统,并在2010年上海世博会首次展出家庭LED植物工厂。2013年国家正式将“智能化植物工厂生产技术研究”项目列入“863”计划,目前拥有不同规模的人工光植物工厂约100座。

  植物工厂如火如荼的发展势头,逐渐也吸引了众多LED照明行业中人的注意,加上今年国家主席习近平在参观国家“十二五”科技创新成就展上,对中国农业科学院自主研发的智能LED植物工厂显现出了一定的关注度,尤其让有意投身这一行业的人士欢喜雀跃,对其未来的发展更平添了诸多信心。

  在本文中,将由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员、博士、博士生导师刘文科,为大家对植物工厂进行多方面的解读,或有助于大家更多了解这个领域的发展现状与前景。

  定义篇

  根据日本学者古在丰树教授的《人工光型植物工厂》和中国学者杨其长研究员的《植物工厂概论》给出的植物工厂定义:植物工厂是一种通过设施内高精度环境控制,实现作物周年连续生产的高效农业系统,是由计算机对作物生育过程的温度、湿度、光照、CO?浓度、营养液等环境要素进行自动控制,不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式。

  植物工厂充分运用了现代装备工程、生物技术、设施园艺技术、植物生理、植物栽培工程与环控信息技术等手段,属于技术高度密集型产业,多年来一直被国际公认为设施园艺的最高级发展阶段,是衡量一个国家农业高技术发展水平的重要标志之一。

  然而,刘文科博士表示,起源于日本学者的植物工厂概念均存在一定的不足,主要表现在定义概括性过强,边界条件较为模糊,未涉及设施类型、设施密闭性和控制因素及其精度的差异性。这阻碍了人们对植物工厂的统一认识,混淆了系统技术研发方向和产业化应用方向。植物工厂应具备“工厂”的基本属性。密闭式植物生产系统与自动化程度是衡量植物工厂现代化和工厂化生产潜力的核心指标。

  从定义概括性和权威性角度,植物工厂环境控制本质上包括三类:水肥自动化控制、环境因素自动化控制、植物产品生产流水线自动化平台。

  植物工厂应是具有一定自动化程度的流水线式植物生产设施。自动化的流水线分为产前(育苗)、产中(移栽定植、栽培与运移)、产后(采收、包装)三个阶段,重点是产前与产中阶段。

  植物工厂的本质特征为生产要素的自动化控制,但植物工厂的自动化水平是有层次的,设施智能化水平是有划分的。植物工厂的推荐定义应着力阐述其设施内的自动化控制本质特征。刘文科博士指出,先前定义着眼于植物工厂最高阶段和理想形式,而忽略了植物工厂发展过程赋存的多种形态,难以囊括当前所有植物工厂的过渡模式,建议进行修正。

  为此,他提出建议,植物工厂应是指植物生长发育直接相关的部分或全部生产要素(环境因子、水肥供给等)全程可自动化调控,并具有一定的植物生产流程的空间自动管理功能,实现植物规模化高效生产,较少或不受外界环境干扰的设施植物生产系统。基于这一定义,日光温室、多层建筑形式的设施模式均可看作植物工厂,只要它具备定义的本质特征。

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