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【干货】植物照明工厂的发展现状及其战略

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-05-09 10:02   来源:温室园艺农业工程技术  浏览次数:287
  近年来,植物工厂在东亚、欧美,尤其在日本、中国、韩国、美国、新加坡等国家和地区发展迅速,一些国际知名企业(如飞利浦、GE、三菱等)也纷纷介入植物工厂的技术研发与产业推广,全球植物工厂呈现极为活跃的发展势头。
 
  植物工厂通常被定义为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长过程的温度、湿度、光照、CO2浓度以及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。根据笔者的理解,植物工厂的得名可能源于现代制造工厂的概念,即以生产货物或产品为目标的工业建筑物,在这种建筑物内按照一定的流程进行产品由初级零部件、组装件到成品化的生产。植物工厂的生产对象为园艺作物,按照工厂的定义应具备两个条件:
 
  一是作物的生产流程极为清晰,即播种、育苗、定植、收获、包装等分工明确;
 
  二是环境(温度、湿度、光照、CO2、气流以及营养元素等)相对可控,不受或少受外界气候的影响。
 
  根据这种理解,完全密闭环境下以人工光源与营养液栽培为核心的蔬菜多层工厂化生产应属于植物工厂范畴(狭义),可控温室环境下以营养液栽培(水培或基质培)为核心的蔬菜花卉工厂化生产也应属于植物工厂范畴(广义),只不过欧美(仅承认狭义的植物工厂)与亚洲的学者(承认广义、狭义均为植物工厂)对植物工厂定义的意见不一致,争论仍将会持续。由于植物工厂充分运用了现代装备、生物技术、营养液栽培与信息技术等手段,技术高度密集,多年来一直被国际上公认为设施农业的高级发展阶段,是衡量一个国家农业高技术水平的重要标志之一,受到世界各国的广泛关注。
 
  一、发展背景及意义
 
  植物工厂之所以受到世界各国的高度关注,原因是多方面的,概括起来主要有以下几个方面:一是全球人口的快速增长,可用耕地的不断减少,如何利用有限的耕地满足人们日益增长的对食物的需求已经成为全球性难题;二是随着城市化的快速发展和人们生活水平的不断提高,人们对洁净安全农产品的需求越来越迫切;三是农业从业人口老龄化,年轻人不愿务农的现象日趋严重,吸引年轻人务农已经成为全球面临的重大课题。植物工厂恰恰提供了解决上述问题的可能途径,其主要优势包括:
 
  ①作物生产过程不受外界环境的影响,可实现周年按计划均衡生产、稳定供给;
 
  ②单位面积产量和资源利用率高。叶菜1年可收获15~18茬,而且可多层立体栽培,LED植物工厂栽培层数可达18层以上,产量为露地栽培的40倍以上;
 
  ③机械化、自动化程度高,工作环境相对舒适;
 
  ④不施用农药,产品洁净安全无污染;
 
  ⑤可在非耕地上生产,不受或很少受土地的限制;
 
  ⑥建在城市周边或市区,就近生产、就近销售,大大缩短产地到市场的运输距离,减少物流成本和碳排放。植物工厂的这些显著特征为世界各国解决人口增长、资源紧缺、安全食品需求旺盛以及新时代劳动力不足等难题提供了有效的技术途径,因而受到广泛重视。
 
  二、发展现状
 
  从植物工厂数十年的发展历程来看,大致历经3个主要发展阶段,即早期的试验探索阶段、中期的示范应用阶段、目前的快速发展阶段,具体包括:
 
  1、试验探索阶段(20世纪40年代~70年代初)
 
  这一阶段是植物工厂的概念成型与试验探索阶段,其中2项技术的突破对植物工厂的发展起到了重要的支撑作用,一项被称之为“营养液栽培技术”,20世纪40年代以来以“矿物质营养学说”为理论基础的营养液栽培技术的应用,奠定了植物工厂的栽培技术基础;另一项为“人工模拟与控制环境技术”,以1949年美国植物生理和园艺学家Went教授在加州帕萨迪纳建立的第1座人工气候室为标志。1953年和1957年日本和前苏联相继建成大型人工气候室,进行植物栽培试验。1957年的丹麦约克里斯顿农场建成了世界上第1座植物工厂,面积1000m2,属人工光和自然光并用型,栽培作物为水芹,从播种到收获采用全自动的传送带流水作业,年产水芹400万袋,约合100万kg。1960年美国通用电气公司开始进行人工光植物工厂的研发。1963年奥地利的卢斯那公司建成了1座高30m的塔式植物工厂,利用上下传送带旋转式的立体式栽培,完全采用人工光源种植生菜。
 
  这一时期植物工厂的特点为:建设规模较小,仅为几十平米到几百平米;应用范围窄,主要局限在实验室和示范农场;光源为高压钠灯,光源与空调能耗大,运行成本较高。
 
  2、示范应用阶段(20世纪70年代~90年代末)
 
  水耕栽培和人工光源技术的突破是这一阶段植物工厂发展的重要标志。1973年营养液膜技术(NutrientFilmTechnique,NFT)的出现,以及随后的深液流栽培技术(DeepFlowTechnique,DFT)的发明为植物工厂栽培技术的发展奠定了基础。这一时期,美国通用食品公司、赛纳拉鲁米勒斯公司与依法德法姆公司等,以及荷兰的飞利浦、日本的日立、三菱重工等多家公司纷纷介入植物工厂的研发。1974年日本日立制作所中央研究所高正基等开始进行人工光植物工厂的研究,1983年在静冈三浦农场推出日本第1个真正意义上的人工光植物工厂,栽培方式采用三角板气雾培与平面式水耕培两种方式。1989年4月日本专门成立了植物工厂学会(2007年1月植物工厂学会与生物环境调节学会联合成立日本生物环境工学会),每年定期召开植物工厂研讨会,有力地推动植物工厂产业的发展。截止到20世纪90年代末,日本拥有约20座人工光植物工厂。
 
  这一阶段植物工厂的特点:人工光源不断改善,高压钠灯逐渐被荧光灯替代,红光LED开始应用,光源的能耗进一步降低;传感器与自动控制技术逐渐引入;示范应用面不断扩大。
 
  3、快速发展阶段(21世纪初至今)
 
  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是这一时期植物工厂发展的重要特征。随着LED的应用,植物工厂人工光源能耗显著降低,栽培层间距进一步缩短,能效比大幅度提升;同时,传感器、智能控制器以及物联网技术的应用为植物工厂智能化管控提供了可能。各国研发力度与产业化步伐不断加快,日本于2009年提出大力发展植物工厂、振兴现代农业计划,由农林水产省和经济产业省拿出500亿日元用于支援植物工厂的建设与研发,受此影响,一批大型企业如三菱、丰田、日立等纷纷介入,并计划输出植物工厂产品到中国、中东、欧美等国家或地区。2015年日本人工光植物工厂数量已达185座,其中位于宫城县多贺市的占地面积2300m 2、15层立体栽培架、日产叶菜10000棵的LED植物工厂(图1),以及大阪府立大学的占地面积550m2、18层栽培架、日产叶菜5300棵的LED植物工厂(图2),代表了日本近年来植物工厂的发展趋向;
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  韩国自2009年开始,在政府支持下科教单位与企业共同进行人工光植物工厂的研发,仅仅几年间推出了10多个型号的植物工厂产品,如占地面积560m2的韩国国际圣玛丽医院植物工厂(图3);
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  美国一方面通过植物工厂的研究希望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,希望从空间上突破资源瓶颈,先后出现了芝加哥大厦农场、新泽西州“空中农场”等模式(图4、图5);
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  欧洲各国也从节能和降低运行成本的角度进行植物工厂的研发,尤其是利用传感器与物联网技术实现植物工厂的智能化监控,使运行成本大为降低。我国从2002年开始植物工厂研发工作(图6),2005年研制出LED植物工厂实验系统,2009年推出LED植物工厂商业化应用(图7),2010年上海世博会首次展出“低碳、智能”家庭LED植物工厂(图8),2013年中国正式将“智能化植物工厂生产技术研究”项目列入863计划,由15家科教单位与企业联合进行技术研发。
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  目前,我国拥有不同规模的人工光植物工厂约80座(图9、图10)。这一时期植物工厂特点为:高新技术不断引入,LED逐渐替代荧光灯,光效与能效显著提升,应用范围不断扩大。
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  三、主要瓶颈及发展战略
 
  〖主要瓶颈〗
 
  植物工厂虽然拥有众多优势以及广泛的社会需求,但在实际发展过程中也面临诸多“瓶颈”,如初期建设成本过高、光源与空调能耗较大以及经济效益不高等,突破这些瓶颈是实现植物工厂持续健康发展的关键。
 
  1、初期建设成本相对较高
 
  植物工厂需要在封闭环境下进行作物生产,因此需要构建包括外维护结构、空调系统、人工光源、多层栽培系统、营养液循环以及计算机控制系统在内的配套工程与装备,投资成本相对较高,一般建设费用(中国)在4000~10000元/m2(美国、日本是中国的2~3倍)。
 
  2、光源与空调能耗较大
 
  能耗一直是影响植物工厂发展的关键制约因素,植物工厂的能耗包括:照明(约占80%)、空调(占16%)、其他(占4%),能耗成本约占全部生产成本(包括折旧、能耗、人工及资材等)的25%左右,节能降耗需求迫切。
 
  3、经济效益和盈利面还不高
 
  由于植物工厂初期建设成本较高、能耗较大,设备折旧与运行成本较高,其产量与品质必须高于其他生产方式,才能获得较高的效益。目前,日本植物工厂仅有30%实现赢利、50%持平,仍有20%亏损,经济效益问题已成为植物工厂发展必须面对的现实难题。
 
  〖发展战略〗
 
  虽然植物工厂面临诸多“瓶颈”,但植物工厂的总体发展趋势不会因此而改变。为加快植物工厂的发展,笔者认为应从以下几方面重点突破:
 
  1、大幅降低初期建设成本
 
  植物工厂的建设与设备成本主要包括建筑、照明设备、电器设备、空调设备、给排水设备、水耕栽培设备、配套机械以及工程费用等,其中建筑、照明及栽培设备等费用约占全部成本的70%以上。在降低建筑成本方面,可以利用废弃厂房、建筑物地下室等进行建设;在栽培设备方面,尽可能选用标准化民用材料和装备,如采用标准化货架等;LED的选用应从满足植物生产需要出发,研发出简单实用但不一定美观的专用灯具。
 
  2、显著提升系统光效与能效
 
  光效与能效提升是大幅减少运行费用的关键,采用LED替代荧光灯以及根据植物从苗期到收获期的光配方需求进行光环境的动态优化调节,甚至设计出上下可移动光源、可调节光斑大小的聚光光源等,降低光源能耗;同时,采用引进室外新风的光-温耦合节能降温方法以及智能环境控制系统,减少空调能耗。
 
  3、大幅提高植物工厂产量、品质与经济效益
 
  产量与品质的大幅度提升是获得经济效益的关键。在提高产量方面,一方面可以通过精准调控环境与营养要素,提升植物产量,另一方面可以根据植物的发育特征,分阶段、分区域进行培育,以提高各阶段的生产效率和产量;在提高品质方面,可以通过营养调控和光调控等手段,提高VC、可溶性糖以及其他功能品质。此外,可以通过选用一些功能性蔬菜或药用植物等进行种植,提高植物工厂产值。
 
  4、注重植物工厂与城市生活的结合
 
  城市居民既有对洁净安全蔬菜的物质需求,也有对构建“绿色空间”的精神需求。植物工厂可以与城市家庭、社区、学校、医院、宾馆、餐厅、购物广场和超市等相结合,形成不同规格、不同形式的植物工厂产品,让植物工厂在城市中无所不在,形成分布式、网络化的都市植物工厂应用体系,在为城市居民就近提供新鲜蔬菜的同时,还能营造舒缓心情的绿色生态空间。植物工厂与现代城市的结合,必将会显著提升植物工厂的经济效益和社会效益。
 
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关键词: 植物照明工厂
 
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