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剖析|植物工廠發(fā)展前景在哪里,?

 溫室園藝 2022-02-11
|摘要|近年來,,隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的不斷探索,植物工廠產(chǎn)業(yè)也隨之快速發(fā)展,。本文介紹了植物工廠技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,、存在問題及發(fā)展對策,并對未來植物工廠的發(fā)展趨勢與前景進(jìn)行了展望,。
植物工廠國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

21世紀(jì)以來,,植物工廠的研究主要集中在光效能效提升、多層立體栽培系統(tǒng)裝備創(chuàng)制和智能化管控研發(fā)等方面,。21世紀(jì),,農(nóng)用LED光源創(chuàng)新取得了進(jìn)展,,為LED節(jié)能光源在植物工廠應(yīng)用提供了重要技術(shù)支撐。日本千葉大學(xué)在高效光源,、節(jié)能環(huán)控,、栽培工藝等方面取得多項創(chuàng)新。荷蘭瓦赫寧根大學(xué)采用作物-環(huán)境模擬與動態(tài)優(yōu)化技術(shù)開發(fā)植物工廠的智能化裝備系統(tǒng)使運(yùn)行成本大幅降低,,勞動生產(chǎn)率顯著提高,。

近年來植物工廠逐步實現(xiàn)了從播種、育苗,、移栽、收獲等生產(chǎn)過程的半自動化,。日本,、荷蘭、美國等走在前列,,其機(jī)械化,、自動化、智能化程度高,,正在向垂直農(nóng)業(yè)與無人化等方向發(fā)展,。

國內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

人工光植物工廠專用LED 光源及節(jié)能運(yùn)行技術(shù)裝備

針對植物工廠各種植物種類生產(chǎn)專用的紅藍(lán)LED光源陸續(xù)被研發(fā)出來,功率30~300 W不等,,照射光強(qiáng)為80~500 μmol/(m2·s),,可提供適當(dāng)閾值范圍的光強(qiáng)、光質(zhì)參數(shù),,達(dá)到高效節(jié)能適配植物生長光照需要的效果,。光源散熱管理方面,推出了光源風(fēng)扇主動散熱設(shè)計,,降低了光源的光衰速率,,保證了光源壽命。此外,,提出了通過營養(yǎng)液或水循環(huán)降低LED光源熱量的方法,。在光源空間管理方面,針對植物苗期和后期植株大小演變規(guī)律,,通過LED光源垂直空間移動管理,,實現(xiàn)近距離照射植物冠層,達(dá)到節(jié)能目標(biāo),。目前,,人工光植物工廠光源能耗可占到植物工廠總運(yùn)行能耗的50%~60%,雖然LED較熒光燈可節(jié)能50%,,但仍有研究節(jié)能降耗的潛力和必要性,。

多層立體栽培技術(shù)裝備

多層立體栽培的層間隙因LED取代熒光燈而變小,,提高了植物種植的立體空間利用效率。栽培床的底部設(shè)計研究較多,,通過凸起條紋設(shè)計以產(chǎn)生湍流,,可有利于植物根系均勻吸收營養(yǎng)液內(nèi)的養(yǎng)分,提高溶解氧濃度,。采納定植板,,出現(xiàn)了兩種定植方式,即大小各異的塑料定植杯或海綿圍莖定植模式,。出現(xiàn)了可滑動的栽培床系統(tǒng),,定植板及其上的植物可以用手動方式由一端向另一端推動,實現(xiàn)了栽培床一端定植,、一端采收的生產(chǎn)模式,。當(dāng)前,已開發(fā)出以營養(yǎng)液膜技術(shù)和深液流技術(shù)為基礎(chǔ)的多種立體多層無土栽培技術(shù)裝備,,基質(zhì)栽培草莓,、氣霧栽培葉菜和花卉技術(shù)裝備異軍突起,技術(shù)發(fā)展較快,。

營養(yǎng)液循環(huán)技術(shù)裝備

營養(yǎng)液使用一段時間后需要補(bǔ)充水分和礦質(zhì)元素,,一般通過測量EC和pH來確定補(bǔ)加新配營養(yǎng)液的量以及酸堿液的量。營養(yǎng)液中大顆粒沉淀物或根系脫落物需要通過過濾器去除,。營養(yǎng)液中的根分泌物可通過光催化方法去除,,避免水培連作障礙發(fā)生,但養(yǎng)分有效性存在一定的風(fēng)險,。

環(huán)境調(diào)控技術(shù)裝備

生產(chǎn)空間空氣潔凈度是植物工廠空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,,應(yīng)將動態(tài)條件下植物工廠生產(chǎn)空間內(nèi)的空氣潔凈度(懸浮粒子和沉降菌指標(biāo)) 控制在十萬級以上水平。材料消毒輸入,、進(jìn)入人員風(fēng)淋處理,、新風(fēng)循環(huán)空氣凈化系統(tǒng)(空氣過濾系統(tǒng)) 都是基本保障措施。生產(chǎn)空間空氣的溫濕度,、CO2濃度和氣流速度是空氣質(zhì)量調(diào)控的另一項重要內(nèi)容,。據(jù)報道,設(shè)置混氣箱,、風(fēng)道,、進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口等裝備可均勻地調(diào)控好生產(chǎn)空間中的溫濕度、CO2濃度和氣流速度,,使之達(dá)到較高的空間均勻性,,滿足不同空間位置的植物需求。溫濕度和CO2濃度調(diào)控系統(tǒng),、新風(fēng)系統(tǒng)有機(jī)融入循環(huán)氣流系統(tǒng),,3個系統(tǒng)需要共用風(fēng)道,、進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口,通過風(fēng)機(jī)提供動力,,實現(xiàn)氣流的循環(huán)流動,、過濾消毒和空氣質(zhì)量的更新和均勻化,保證了植物工廠植物生產(chǎn)無病蟲害發(fā)生,,無需農(nóng)藥施用,。同時,保障了生長環(huán)境要素溫度,、濕度,、氣流與CO2濃度冠層部位的均勻性,滿足植物生長需求,。

植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

國外植物工廠產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

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。2010年日本政府啟動500億日元支持技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)示范,,千葉大學(xué)、日本植物工廠研究會等8家機(jī)構(gòu)參與,,日本未來公司承接運(yùn)營了首例日產(chǎn)3000株植物工廠的產(chǎn)業(yè)化示范項目,。2012年,該植物工廠生產(chǎn)成本為700日元/kg,。2014年,,宮城縣多賀城未來植物工廠建成,成為世界上首例日產(chǎn)10000株的LED植物工廠,。2016年起,,LED 植物工廠在日本走向產(chǎn)業(yè)化快車道,收支平衡或盈利性企業(yè)陸續(xù)出現(xiàn),。2018年,,日產(chǎn)能5~10萬株的大型植物工廠陸續(xù)出現(xiàn),全球植物工廠向大型化,、專業(yè)化,、智能化發(fā)展。同時東京電力,、沖繩電力等領(lǐng)域開始投資植物工廠,。2020年,日本植物工廠生產(chǎn)生菜市場份額占整個生菜市場的10%左右,。目前在運(yùn)營的250余座人工光型植物工廠中,,其中20%處于虧損階段,50%保持持平,,30%處于盈利階段,,涉及栽培植物種類有生菜,、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,,機(jī)械化、自動化,、智能化,、無人化程度高,現(xiàn)已將全套技術(shù)和設(shè)備作為強(qiáng)項產(chǎn)品出口至中東,、非洲,、中國等國家。美國AeroFarms農(nóng)場位于美國新澤西州紐瓦克市,,面積6500 m2,,主要種植蔬菜和香料,產(chǎn)量約為900 t/年,。

美國 AeroFarms 垂直植物工廠

美國Plenty公司垂直植物工廠采用LED照明,、6 m高垂直種植架。植物從種植架的側(cè)面長出來,。依靠重力澆灌,,這種種植方式不需要額外的水泵,比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更省水,。Plenty稱自家農(nóng)場的產(chǎn)量是傳統(tǒng)農(nóng)場的350倍,,用水量卻僅為傳統(tǒng)農(nóng)場的1%。

美國 Plenty 公司垂直植物工廠

國內(nèi)植物工廠產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

2009年,,國內(nèi)首家以智能控制為核心的生產(chǎn)型植物工廠在長春農(nóng)博園建成并投入運(yùn)行,。該植物工廠是由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所和北京中環(huán)易達(dá)設(shè)施園藝科技有限公司共同研發(fā)完成。建筑面積為200 m2,,可實時對植物工廠的溫度,、濕度,、光照、CO2和營養(yǎng)液濃度等環(huán)境因子進(jìn)行自動監(jiān)控,實現(xiàn)智能化管理,。

2010年,,由北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所和北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司共同設(shè)計建成的通州植物工廠,,主體結(jié)構(gòu)采用單層輕鋼結(jié)構(gòu),總建筑面積為1289 m2,形狀像一艘航空母艦,象征著中國農(nóng)業(yè)率先向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)最先進(jìn)技術(shù)揚(yáng)帆起航。開發(fā)了葉菜生產(chǎn)部分作業(yè)的自動化裝備,提高了植物工廠生產(chǎn)自動化程度和生產(chǎn)效率,。該植物工廠采用地源熱泵系統(tǒng)和太陽能發(fā)電系統(tǒng),,較好解決了植物工廠運(yùn)行費(fèi)用高的難題。

通州植物工廠內(nèi)外景

2013年,陜西旭田光電農(nóng)業(yè)科技有限公司成立于陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新示范區(qū),。建設(shè)運(yùn)營的植物工廠項目大部分位于農(nóng)業(yè)高新技術(shù)示范園區(qū)內(nèi),主要用于科普示范和休閑觀光,。這些科普類植物工廠由于其功能性限制,很難達(dá)到產(chǎn)業(yè)化所要求的高產(chǎn)高效,,未來也難以成為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主流形式。

2015年,,作為中國LED芯片大廠的福建三安集團(tuán)與中國科學(xué)院植物研究所合作,,共同發(fā)起成立了“福建省中科生物股份有限公司”,建設(shè)中科三安植物工廠,,從光電產(chǎn)業(yè)跨界到“光生物”產(chǎn)業(yè),,成為中國LED 生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)業(yè)化投資建設(shè)植物工廠的先例。中科三安植物工廠的定位為集科研,、生產(chǎn),、示范、孵化等多功能于一體的新興光生物產(chǎn)業(yè)投資,,注冊資金1億元。2016年6月,占地面積為3000 m2的3層式建筑,、栽培面積超過10000 m2 的中科三安植物工廠建成投產(chǎn),到2017年5月日產(chǎn)規(guī)模為1500 kg葉菜,,折合日產(chǎn)15000株生菜,。

中科三安植物工廠

植物工廠發(fā)展面臨的問題與對策

存在問題

建設(shè)成本高

植物工廠需要在封閉環(huán)境下進(jìn)行作物生產(chǎn),,因此需要構(gòu)建包括外維護(hù)結(jié)構(gòu),、空調(diào)系統(tǒng)、人工光源,、多層栽培系統(tǒng),、營養(yǎng)液循環(huán)以及計算機(jī)控制系統(tǒng)在內(nèi)的配套工程與裝備,建設(shè)成本相對較高。

運(yùn)行成本高

植物工廠所需的光源大部分來自LED燈,,LED燈在為不同農(nóng)作物生長提供相應(yīng)光譜的同時需要消耗大量的電。植物工廠生產(chǎn)過程中的空調(diào),、通風(fēng)、水泵等設(shè)備也需要消耗電能,,因此電費(fèi)是一筆很大的開支。據(jù)統(tǒng)計,植物工廠生產(chǎn)成本中,,電力成本占29%,,勞動力成本占26%,,固定資產(chǎn)折舊占23%,,包裝運(yùn)輸占12%,,生產(chǎn)資料占10%。

植物工廠生產(chǎn)成本構(gòu)成

自動化程度低

目前應(yīng)用的植物工廠中自動化程度低,,育苗,、移栽、定植,、收獲等過程仍需要人工作業(yè),,導(dǎo)致人工成本高。

可種植作物品種有限

當(dāng)前植物工廠適用的作物種類十分有限,,以生長迅速,、容易接受人工光源、植株低矮的綠葉類蔬菜為主,,對于種植要求復(fù)雜(如需要進(jìn)行授粉的作物等)無法進(jìn)行大規(guī)模種植,。

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(yùn)營等多方面開展研究,。針對當(dāng)前存在的問題,應(yīng)對措施如下,。

(1)加強(qiáng)植物工廠智能化技術(shù)研究,,提升集約化、精細(xì)化管理水平,。開發(fā)智慧管控系統(tǒng),,有助于實現(xiàn)植物工廠集約化、精細(xì)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(diǎn)。

(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。

植物工廠發(fā)展趨勢與前景

技術(shù)發(fā)展趨勢

作業(yè)全程智能化

基于作物-機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)藝融合與防損機(jī)制,,創(chuàng)建高速柔性無損種收末端執(zhí)行器,、分布式多維空間準(zhǔn)確定位和多模態(tài)多機(jī)協(xié)同控制方法,創(chuàng)制高層植物工廠無人化高效無損播種-分栽-采收-裝箱等智能機(jī)器人及配套裝備,,實現(xiàn)全流程無人化作業(yè),。

生產(chǎn)管控智慧化

基于作物生長發(fā)育對光輻射、溫度,、濕度,、CO2濃度及營養(yǎng)液養(yǎng)分濃度、EC 的響應(yīng)機(jī)制,,構(gòu)建作物-環(huán)境反饋定量模型,;創(chuàng)立策略核心模型,動態(tài)解析葉菜生命信息及生產(chǎn)環(huán)境參數(shù),,建立環(huán)境在線動態(tài)辨識診斷與過程調(diào)控體系,,創(chuàng)建高容積率垂直農(nóng)業(yè)工廠生產(chǎn)全流程多機(jī)協(xié)同人工智能決策系統(tǒng)。

低碳生產(chǎn)節(jié)能化

建立能源管理系統(tǒng),,利用太陽能,、風(fēng)能等可再生能源完成電力輸送,控制能耗,,達(dá)到優(yōu)化能源管理目標(biāo),,捕獲和重新利用CO2排放,以幫助作物生產(chǎn),。

特優(yōu)品種高值化

選育不同的高附加值品種進(jìn)行種植試驗,,構(gòu)建栽培工藝專家數(shù)據(jù)庫,并進(jìn)行栽培工藝,、密度選擇,、茬口安排、品種與裝備適應(yīng)性等研究,,形成標(biāo)準(zhǔn)的栽培技術(shù)規(guī)范,。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景

植物工廠可擺脫資源與環(huán)境的束縛,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的工業(yè)化生產(chǎn),,吸引新生代勞動力從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn),,被世界各國列為農(nóng)業(yè)高技術(shù)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向,中國植物工廠關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化正在躋身世界領(lǐng)先行列,。隨著LED光源,、數(shù)字化、自動化,、智能化技術(shù)在植物工廠領(lǐng)域應(yīng)用步伐加快,,植物工廠將吸引更多的資金投入和人才集聚及更多新能源,、新材料、新裝備的使用,,實現(xiàn)信息技術(shù)與設(shè)施裝備的深度融合,提升設(shè)施裝備的智能無人化水平,,通過持續(xù)創(chuàng)新使系統(tǒng)能耗與運(yùn)行成本的不斷下降,、專業(yè)化市場的逐漸培育,智能植物工廠將迎來發(fā)展的黃金期,。

根據(jù)市場調(diào)研報告顯示,,2020年全球垂直農(nóng)業(yè)的市場規(guī)模僅為29億美元,預(yù)計到2025年,,全球垂直農(nóng)業(yè)的市場規(guī)模將達(dá)到300億美元,。綜上所述,植物工廠具有廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展空間,。

引用信息

周增產(chǎn),董微,李秀剛,等.植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù),2022,42(1):18-23.

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