把握植物工廠技術產業的創新焦點

張瑜

周增產，教授級高級工程師，北京京鵬環球科技股份有限公司副總經理兼總工程師，北京市植物工廠工程技術研究中心主任，首都設施農業科技創新服務聯盟副理事長，從事設施農業工程技術研究。2005年獲國務院頒發的享受政府特殊津專家稱號，2014年獲首都勞動獎章稱號，2015年獲北京市勞動模范稱號。獲得農業部中華農業科技一等獎1項、全國農牧漁業豐收二等獎1項，機械工業科技二等獎1項、科技三等獎2項，北京市科技三等獎3項、推廣一等獎3項，遼寧省科技二等獎1項。在農業工程學報等刊物累計發表論文60多篇，參加編寫本科教材等書籍3部，參加編寫國家標準2項，地方、行業標準3項，獲得實用新型專利50多項，發明專利7項。

著工業化和城鎮化的快速發展，“菜籃子”問題以及未來農業的發展方向成為人們關心的話題，而植物工廠正是時代的新興產物。近年來，中國植物工廠1高新技術產業也在快速推進，以大型植物工廠和微型植物工廠（家庭植物工廠）為主要研發方向，但是成本高、研究作物種類少和智能化程度低成為阻礙植物工廠投入實際生產的主要原因。只有科技創新才是農業可持續發展的核心。因此，研究新材料、開發新能源、提高智能化程度成為解決植物工廠大規模投入生產的關鍵。

順應時勢，依托北京京鵬環球科技股份有限公司建設成立的“北京市植物工廠工程技術研究中心”（以下簡稱“研究中心”），經北京市科學技術委員會批準，于2012年8月正式掛牌。該研究中心主要是以提高農業現代化水平、加快都市型現代農業的快速發展為目的，以節能、減排、環保為原則，綜合運用節能、工程、生物技術、自動化等高新農業技術，開展植物工廠工程技術方面的研究開發、成果轉化及產業化推廣的工作，對于提高農業資源利用率、發展低碳經濟、提升我國設施農業整體技術水平和產業化進程，具有十分重要的戰略意義。

研究中心以北京通州農業示范園區為基地，組建了一支凝聚農機裝備智能化技術開發和應用創新的人才隊伍，北京市植物工廠工程技術研究中心主任周增產帶領這支團隊完成了一項又一項課題，研發了一項又一項的專利，創造了無數的“之最”，為中國植物工廠技術產業做出了巨大貢獻。

自主研發 碩果累累

自研究中心成立以來，周增產帶領其團隊針對當前我國設施生產的智能化程度、生產效率、能源利用、產品質量等水平低下的情況，重點在節約型溫室保溫蓄能材料與結構、可再生能源利用、環境控制、安全生產裝備等方面進行了研究，并取得了突破性成績。據介紹，截止目前，研究中心共形成新產品9項；獲得植物工廠相關專利30項，其中，發明專利5項；共編寫專著1本，發表文章32篇；參與制定國家標準和行業標準3項；獲得省部級和行業協會獎15項；承擔國家科技部及北京市項目12項。

研究中心非常重視科技成果轉化，根據市場需求不但進行了新產品研發及成果轉化，對早期研發成果也進行了孵化，對國外價格較為昂貴、運輸維修成本較高的產品進行了引進消化吸收再創新。在植物工廠低碳節能技術方面，研究中心研發了符合低碳、綠色、節能理念的光伏溫室（圖1）、鋁天溝溫室（圖2）、集裝箱植物工廠（圖3）、家庭植物工廠（圖4）等，實現了新產品的科技成果轉化，開發了雙層中空玻璃溫室，并進行了科研及成果轉化，與單層中空玻璃溫室相比，實現節能30%左右。如，光伏溫室的光伏組件鋪設與建筑一體化設計采用光伏采光頂的形式，即將薄膜太陽電池組件以采光頂形式安裝在溫室屋頂鋼架上，朝向南側，與地面傾角33°，在不改變原有建筑風格和外觀的前提下，設計了太陽能光伏陣列的結構和布局，增強屋頂使用功能。光伏溫室利用薄膜太陽能電池的光電效應將太陽的光能轉換成電能，以滿足溫室大棚中植物對光、溫的需要。再有，鋁天溝溫室是一種節能低碳型溫室，采用了一種新型鋁天溝，水槽與集露槽結合成一體，內部鋁材經過擠壓形成一個中空結構，將溫室和室外空氣隔離，與上部兩側玻璃形成V字型排水槽，具有較好的抗彎性能，此外該類型溫室的水槽和集露槽是一體化成形，結構緊湊，安裝便利，外型美觀。相比傳統溫室采用的鋼制天溝，既可以解決溫室內冷凝水的收集問題，又可大大減少熱量損失；同時，鋁天溝的截面寬度尺寸比鋼天溝小，具有遮光面積小、隔熱好、防集露等優點，可為溫室內喜光植物提供優質的生長環境。以上2項技術成果目前均已實現產業化。

在植物工廠自動化裝備方面，研究中心根據作物從育苗播種到收獲各重要環節存在的問題，開發了多種自動化裝備，可改善人工勞動強度大、勞動效率低下的現狀。在育苗播種設備方面，工程中心研發的育苗播種成套設備（圖5）具有多種功能，從基質原料的破碎、不同基質的混合到基質自動填盤、精量播種、覆料淋水，不僅使播種速度大大提高，播種質量也有所提升。研究中心委托北京市農業機械試驗鑒定推廣站對育苗播種生產線的空穴率、重播率及生產率進行了測試，測試結果表明，該機的空穴率為3.2%，重播率為3.4%，生產率為26170穴/h，且價格僅為國外的一半，目前已隨溫室工程實現配套銷售。在移栽裝置方面，自主研發的穴盤苗自動移栽機（圖6）主要由穴盤輸送裝置、移植驅動機構、夾持機構、控制機構等4部分組成。可實現苗木幼苗由密穴盤移栽到疏穴盤或營養缽中的機械化操作。委托北京市農業機械試驗鑒定推廣站對穴盤苗移栽機的夾持爪數、移栽頻率等進行了測試，測試結果表明：該機生產率為1528 穴/h，可實現苗木幼苗由密穴盤移栽到疏穴盤或營養缽中的機械化操作，目前已在通州植物工廠內進行了示范應用。在包裝方面，具有自主知識產權的盆花套袋自動包裝裝置（圖7）可與盆花分級機（圖8）相配套，在花卉分級后進行自動包裝，該設備可完成自動抓取、套袋、入穴等一系列連續動作，實現盆花包裝的自動化。該盆花全自動套袋包裝設備制造成本僅為國同類相似設備成本的一半，經濟效益顯著，現已示范推廣。以上3項技術均已獲得發明專利。

此外，研究中心還研發了基質蒸汽消毒機、循環栽培床、鮮花潮汐灌溉栽培一體化輸送系統、草莓立體栽培裝置、營養液循環利用裝備、智能移動噴灌機、智能施藥機、采摘車等智能化裝備，這些設施裝備不僅提高了植物工廠內自動化水平、解放了勞動力，同時也實現高投入高產出的目的。

落戶基地 產業孵化

研究中心以通州植物工廠為產業孵化器，進行研發、示范、推廣。通州植物工廠主體采用單層結構，整體造型像一艘航空母艦，預示著我國現代農業先進技術揚帆起航，在產學研的方向上駛向成功的彼岸。

據周增產介紹，通州植物工廠總建筑面積為1289 m2，其內部共分為組培播種區、育（煉）苗區、生產收獲區和包裝儲藏區（圖9、圖10）。目前，通州植物工廠在環境控制方面，采用集成創新Zigbee和以太網技術，實現作物生長監測實時性與環境控制精確性。植物工廠利用計算機系統對植物工廠內部多個環境因子進行檢測與控制，并利用基于Zigbee植物生長檢測系統可實現對溫室生產環境和植物信息進行實時動態監測，運用圖像處理技術和通信技術進行遠距離栽培管理。利用內嵌以太網PICNIC芯片開發基于有線/無線局域網的溫室環境調控系統，利用獲取的溫室內外環境條件的實時數據和歷史數據，建立能夠同時反映能耗指標和環境調控結果的能耗與環境評價模型，確立以最低能耗和適度環境控制為控制目標的溫室單環境因子/多環境因子的預測型環境調控戰略，實現適用于溫室生產的節能預測型溫室環境智能調控。在自動化裝備方面，植物工廠實現了從作物播種、移栽、灌溉、施肥、收獲等環節的自動化生產。研究中心的研究成果在這里得到有效地示范和推廣，大大提高了植物工廠現代化和自動化水平，有效地節約了時間、人力和物力。在栽培種植方面，植物工廠內完全采用無土栽培，不僅可以防止土傳病蟲害的傳播，同時也可以節約耕地的使用。

發展新能源是改變農村能源使用結構，減少環境污染以及促進農村社會和諧發展的重要手段。因此，通州植物工廠積極引入新能源新技術，為北京新農村的發展起到帶頭示范的作用。為實現低碳生產，植物工廠內部采用了地源熱泵系統和太陽能發電系統等新能源。其中，淺層地源熱泵技術主要應用于植物工廠內的果菜生產車間、葉菜生產車間及走廊上；太陽能光伏發電技術主要應用于植物工廠的棚頂，較好的解決了植物工廠運行費用高的難題。

目前，植物工廠內主要栽培葉菜和果菜，其中，葉菜主要為生菜，栽植在人工光栽培車間及葉菜太陽光生產車間，人工光栽培車間面積74 m2，采用全封閉結構，內部環境完全人工控制，內部布置3組4層人工光栽培架，單位面積年產量為145 kg/m2；太陽光型植物工廠葉菜生產車間面積156 m2，內部設置有21組固定式單層栽培床和1套霧培生產裝置，采用水培方式進行葉菜類蔬菜生產。果菜栽培車間面積為156 m2，主要生產設施是8組槽式巖棉栽培單元，上方配有生長線及吊鉤，主要進行高品質、高產量的西紅柿、彩椒等茄果類蔬菜的種植。

展望未來 發展推廣

中國植物工廠與歐、美、日等設施農業發達國家相比，起步較晚，建設發展速度較快。我國自20世紀以來，已在中國農業科學院、浙江麗水農業科學研究院、中國科技大學、西藏自治區農牧科學院、新疆生產建設兵團，以及山東壽光、北京通州、長春農博會、江蘇無錫、江蘇湯山翠谷、江蘇南京江寧臺創園、福建平潭、山東高清、陜西楊凌、江西宿州等地進行了植物工廠建設，其內部以水培、霧培、基質培為主，且霧培技術為我國自主創新技術，比國外的營養液水培技術更先進，營養液水培技術只能對植物進行水、肥同補，霧培技術對植物進行水、肥、氣同補，植物生長更快。而且，在節能方面，無論是營養液水培、霧培技術中養分的利用率，還是水資源的利用率均已經達到較高水平。

周增產表示，雖然我國植物工廠技術發展很快，且霧培技術優于國外營養液水培技術，但相比其他植物工廠技術發達的國家，我國在植物工廠硬件及軟件技術方面還有一定的差距。硬件方面，由于作物生長過程的復雜性，植物工廠內自動化裝備與設施農藝的結合方面還需要進一步提升；軟件方面，不同作物的生長所需要的光照、溫度、濕度和營養液等都不相同，同種作物在不同時期不同環境下的生長需求也不相同，但目前在實際生產過程中，由于缺乏大量的試驗數據支持，在作物栽培方面，目前國內大部分植物工廠主要基于人工經驗進行內部調控，其合理性及準確性有待進一步提高。

對于植物工廠技術產業未來的發展，周增產信心十足，并提出了愿景。植物工廠應立足于自主開發和集成創新，未來將以“低碳節能技術、自動化裝備技術”為重點，開展植物工廠系列化產品開發、植物工廠生產自動化裝備技術、以及植物工廠低碳節能設施的研究。

在植物工廠自動化裝備的研究與應用方面，應積極開展植物工廠內物流系統裝備的研究，將植物工廠內果蔬產品的育苗、移栽、栽培管理、采收、運輸的自動化智能化集于一體，全面提高植物工廠的空間利用率，提高果蔬產量，實現植物工廠內果蔬栽培管理的無人化、無污染、高清潔、全智能；進行省力化光源可調式立體栽培裝置的研制，開發新型多層可移動式立體栽培床，通過機械設備實現栽培床的運送，實現省力化生產；盡可能減少苗床間的過道，提高設施內面積的利用率和作業效率。

在植物工廠低碳節能設施的研究與應用方面，重點開展溫室生產信息管理平臺的研究、與熱泵系統聯用的低溫相變儲能裝置、電熱相變儲能裝置的研究，實現植物工廠化生產設施的低碳化、節能化。

結束語

植物工廠作為技術高度密集、資源高效利用的省力型生產方式，已經在中國大部分地區得到了快速的發展，人們可以告別“面朝黃土背朝天”的耕作方式，以“過程自動化、形式立體化、資源節能化、生產工廠化、管理標準化”的模式，真正實現高產、高效、優質的目標。通過不斷地科技創新，在未來將會有更多品種的植物在植物工廠中生產，會有更多的新能源、新材料、新技術在植物工廠中應用，會有更多的人才在植物工廠中工作……

科研創新是一條沒有終點的道路，還需要聯合一切可以聯合的力量協同創新發展，讓植物工廠在新經濟常態下，可以更適應現代農業發展的需要，成為真正意義上的都市型生態農業。