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专家解读植物工厂前景、问题及解决思路

导读: 2016年6月3日,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平参观国家“十二五”科技创新成就展,对中国农业科学院自主研发的智能LED植物工厂给予了高度重视,这标志着中国植物工厂将迎来产业蓬勃发展新阶段,相关领域的产业发展也将迎接巨大的机遇与挑战。

  2016年6月3日,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平参观国家“十二五”科技创新成就展,对中国农业科学院自主研发的智能LED植物工厂给予了高度重视,并指出“智能LED植物工厂颠覆了传统的农作方式,为未来食物保障提供了新思路,成果意义重大,应进一步加大智能LED植物工厂的研发力度,加快产业化步伐,以惠及更多民生。”这标志着中国植物工厂将迎来产业蓬勃发展新阶段,相关领域的产业发展也将迎接巨大的机遇与挑战,植物工厂也随之成为了业界关注的焦点。本期将带领大家看看业界专家刘文科在谈论植物工厂时,都在谈论什么。

  1、谈概念:到底什么才能称之为植物工厂?

  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、CO2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。

  分析而言,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。

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  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。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。在此建议,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。

  2、谈技术:植物工厂的关键技术有哪些?

  植物工厂的核心技术装备包括四个方面,即立体多层无土栽培技术装备、人工光照明技术装备、智能环境控制技术装备、植物生产空间自动化管控技术装备。近几年,这些核心技术装备得到了很大的发展,正在被逐渐地标准化和大规模应用。植物工厂的外围护结构设计、功能分区、各区域密闭性保证都很重要,直接关系到植物工厂初装成本和运行成本及能耗,也关系着生产效率。

  2.1 立体多层无土栽培技术装备

  立体多层无土栽培技术装备是指采用无土栽培方法,借助栽培床和层架管路装备,实现植物在多层立体栽培架上进行生产的技术装备。立体多层无土栽培技术装备是人工光植物工厂必要的本质装备,也是太阳光植物工厂需要迫切发展的技术装备。当前,以NFT和DFT技术为基础的多种立体多层无土栽培技术装备已经开发出来,适合叶菜、根茎类植物生产。立体多层无土栽培技术装备主要包括营养液储存供给系统(营养液池、泵动系统、供液回液管路、定植床、控制系统等)。

  2.2 人工光照明技术装备

  人工光照明技术装备是人工光植物工厂核心技术装备,为植物生产提供光合能量和光照信号。荧光灯是传统光源,LED是新型光源。两种光源的植物生理响应机制已经被广泛揭示,两种光源应用的生物学基础已非常明确。

  但是,LED作为新型固态半导体光源具有荧光灯无法比拟的光电优势,包括:(1)可按植物生长发育需求调制光谱,按需用光,生物光效高;(2)冷光源,可贴近植物照射,提高空间利用率;(3)可控性好,可精准调控光强、光质和光周期等,适宜工厂化生产;(4)节能、环保、长寿命、体积小、质量轻;(5)LED光源装置多样(灯板、灯带、灯管和灯泡),适用于设施园艺各领域。目前,已有面板灯、条灯、灯管、灯带等植物工厂用灯被开发出来并推广应用。同时,太阳光植物工厂多款LED补光灯也被开发出来,包括行间冠层补光灯、花期灯、条灯等。人工光照明技术装备主要包括光源灯具、悬挂系统、控制系统、电源等。

  2.3 智能环境控制技术装备

  智能环境控制技术装备由执行机构、检测机构、控制机构组成,控制因子包括温度、湿度、光照、CO2浓度、气流、营养液供给等多种生产要素,在很大程度上环境控制智能化水平的高低决定着植物工厂的运行效率。智能环境控制以植物环境控制为基础,特别需要以环境因子耦合控制下的植物生理响应效应作为依据,尚需深入地。

  系统研究。在环境控制要素中,最重要的是养分和光照。养分和光照是两个既具有数量属性,又具有质量属性的环境要素,智能控制难度较大,其控制策略具有时间和空间要求,也需要和其他环境要素耦合统筹控制,是今后研究开发的重点。

  2.4 植物生产空间自动化管控技术装备

  植物生产空间自动化管控技术装备包括植物移栽定植技术装备、植物空间水平垂直移动传输技术装备、光源灯具水平垂直移动传输装备,以及机械化自动升降机、自动收获等生产管理技术装备等。植物生产空间自动化管控技术装备是植物工厂流水线作业的主体装备,有利于提高生产效率和管控水平。

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