植物工廠技術：種植不靠天地？

楊其長

數九寒天，如果嫌天氣冷，或者嫌菜價貴，又或者擔憂蔬菜安全和品質問題，不妨在自家陽臺或者客廳里放置一臺冰箱大小的“家庭植物工廠”，種植自己喜歡的葉類蔬菜，實現自給自足。這，不是科學幻想，而是不久就能享受到的高新技術服務，讀者朋友們趕緊來先睹為快吧！

何為植物工廠？

植物工廠是一種通過設施內高精度的環境控制，實現農作物周年連續生產的高效農業系統，是由計算機對植物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養液等環境條件進行自動控制，不受或很少受自然條件制約的全新生產方式。植物工廠的生產脫離了天（太陽），由人工光源代替；也脫離了地（土壤），由營養液代替，實現了可控環境下的高效生產。

由于智能植物工廠充分運用了現代工業、生物工程和信息技術等手段，技術高度密集，一直被國際上公認為是設施農業發展的最高級階段，也成為衡量一個國家農業高技術水平的重要標志之一。此前，僅有日本、美國、荷蘭等少數發達國家掌握這項技術。

植物工廠的多重優勢

智能植物工廠不占用農用耕地，產品安全無污染，操作省力，機械化程度高，單位面積產量可達露地的幾十倍甚至上百倍，因此被認為是21世紀解決人口、資源、環境問題的重要途徑，也是未來航天工程以及對月球和其他星球的探索過程中，實現食物自給的重要手段。

該技術的突破，將有助于解決人類發展面臨的諸多困惑，甚至可以實現在荒漠、戈壁、海島、水面等非可耕地，以及城市的摩天大樓里進行作物生產。通過利用取之不盡的太陽能，加上一定的水分和礦質營養，就可源源不斷地為人類生產所需要的食品。近年來，一些耕地資源緊缺的發達國家正在加大資金與技術的投入，加緊智能植物工廠的研發和推廣。

為植物工廠找“光源”

植物工廠是技術高度集成的農業系統，也是未來快速發展的重大農業產業形式，已擁有該項技術的國家及相關企業，是不會輕易讓其他潛在的商業競爭對手掌握其核心技術。因此，我國智能植物工廠的發展，必須依靠自主研發，掌握核心技術，擁有自主知識產權。

早在15年前，中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所的科研人員就把植物工廠作為科研選題的重要方向之一，通過開展密閉式人工光植物生產系統以及水耕栽培營養液在線檢測和控制系統的研究，為智能植物工廠的發展奠定了重要基礎。

2005年，我國的科研人員通過查閱資料，發現LED是一種非常好的節能光源，紅藍光LED組合，可為植物光合作用提供理想的光譜，是未來農業與生物領域重要的人工光源。科研人員馬上把這一信息與植物工廠聯系起來，并設想，如果將LED用于植物工廠，代替當時的熒光燈，將是一個重要的發展方向。在大家的共同努力下，他們建設了一座20平方米的小型LED植物工廠試驗系統。

由于當時民用LED與植物所需要的光譜成分差距很大，這些科研人員先后與中國科學院半導體研究所等國內的多個相關科研單位聯系，花費了數倍于民用LED的價格，終于共同開發出4套LED植物光源板系統，保證了試驗的順利進行。在之后的2年多時間里，科研人員利用LED光源，先后進行了植物育苗、葉用蔬菜栽培、藥用植物栽培以及植物組培等試驗研究，取得了一大批原始數據，獲得了大量的植物光配方參數，促進了LED植物工廠的發展。

植物工廠環境可控

環境控制是植物工廠的重要子系統之一，包括對植物工廠的溫度、相對濕度、CO2濃度、光照強度和光照周期等根上部環境因子，以及根際環境因子（EC、pH、DO和液溫）的綜合控制。環境控制系統由傳感器、控制器和執行機構等三部分組成。其中傳感器是獲取環境信息的重要工具，植物工廠傳感器類型一般根據所需采集的環境因子來選定。

由于植物工廠是在完全環境控制的條件下進行生產，所產出的葉菜產品不僅具有外觀整潔、一致性好、無污染和營養品質高等優點，而且由于生產環境密閉、潔凈，微生物污染和病蟲害很少發生，無需使用農藥，因此也不用擔心農藥污染。另外，由于全部采用營養液栽培方式，嚴格控制肥料質量及水質管理，也不會出現土壤栽培時發生的重金屬污染。因此，可以肯定的是，植物工廠生產的蔬菜是無公害的、可鮮食的、安全程度很高的農產品。

智能植物工廠如何生產？

2009年，我國第一例智能型植物工廠成功建成，下面我們就以它為例，來看看植物工廠究竟是怎么進行生產的？

該植物工廠建筑面積為200平方米，由植物育苗工廠和蔬菜工廠兩部分組成，以節能植物生長燈和LED為人工光源，采用“制冷-加熱”雙向調溫控濕、光照-CO2耦聯光合調控、空氣均勻循環與流通、營養液在線檢測與控制（EC、pH、DO和液溫等）、圖像信息傳輸、環境數據采集與自動控制等13個相互關聯的控制子系統，可實時對植物工廠的溫度、濕度、光照、氣流、CO2濃度以及營養液等環境要素進行自動監控，實現智能化管理。

其中，植物育苗工廠由雙列五層育苗架組成，種苗均勻健壯，品質好，單位面積育苗效率可達常規育苗的40倍以上，育苗周期可縮短40%以上。蔬菜工廠采用五層栽培床立體種植，栽培方式選用DFT（深液流）水耕栽培模式，所栽培的葉用萵苣從定植到采收僅用20天左右，比常規大田栽培周期縮短40%，單位面積產量為露地栽培的25倍以上，產品清潔無污染，商品價值高。

智能植物工廠的應用范例

目前，智能植物工廠已經形成普及型植物工廠、島礁植物工廠、家庭低碳智能植物工廠等系列產品。

普及型植物工廠主要作為量產型的植物工廠模式，以追求較高的蔬菜等作物產量，并付出相對較少的運行成本為目標。其特點是規模較大，主要適用于農業園區、農業生產企業等。

島礁植物工廠主要作為特殊環境下的植物工廠模式，在島礁等沒有土壤、淡水缺乏的環境下進行植物生產，其特點是移動性強，主要適用于島礁、哨所等場地。尤其是島礁蔬菜工廠，已成功解決了我國南海島礁部隊吃新鮮菜的難題，為國防事業做出了突出貢獻。

家庭低碳智能植物工廠是家庭應用的箱體式植物工廠，占地空間小，方便搬運，外形美觀，智能管控水平高，適用于家庭客廳、廚房或陽臺等室內空間，也可用于商場、超市等。主要為家庭提供安全、高品質的蔬菜作物。

我國首例智能植物工廠

2009年，是中國植物工廠發展值得紀念的一年。8月31日，在離第七屆中國國際農產品交易會與第八屆中國長春國際農業食品博覽（交易）會開幕僅剩一周時，中國農業科學院植物工廠的研發團隊與北京中環易達設施園藝科技有限公司建設的國內第一例智能型植物工廠終于宣告成功。該智能型植物工廠在長春農博會一經亮相，就受到170多萬觀眾的高度關注；同時，也標志著我國在智能植物工廠領域已經取得重大技術突破，成為世界上少數掌握數字植物工廠高新技術的國家。

未來，植物工廠技術還將在節能環境管理、資源高效利用以及智能化管控等關鍵技術領域不斷突破，形成一批具有國際領先水平的重大科技成果，在我國現代農業的發展中起到更大的作用。