植物工廠及其LED照明發展新動態

【摘要】植物工廠是設施園藝發展的高級階段，是顛覆性農作和土地利用方式，對解決21世紀農業資源和環境問題具有重要應用價值。LED光源是植物工廠的優選光源，具有傳統光源無法比擬的光電和農學應用優勢，正在快速進入商業化研發與應用層面，產業前景誘人。文章總結了植物工廠及其LED照明的發展新動態，指出了未來研發與應用重點。

根據日本千葉大學原校長古在豐樹教授所著《人工光型植物工廠》和中國學者楊其長研究員所著的《植物工廠概論》給出的植物工廠定義，植物工廠是一種通過設施內高精度環境控制，實現作物周年連續生產的高效農業系統，是由計算機對作物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度、營養液等環境要素進行自動控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產方式。植物工廠充分運用了現代裝備工程、生物技術、設施園藝技術、植物生理原理、植物栽培工程與環控信息技術等手段，屬于技術高度密集型產業，多年來一直被國際公認為是設施園藝的高級發展階段，是衡量一個國家農業高技術發展水平的重要標志之一。植物工廠的本質特征為生產要素的自動化控制，但植物工廠的自動化水平是有層次的，設施智能化水平也是有劃分的。因此，植物工廠定義應著力闡述其設施內的自動化控制本質特征。先前定義著眼于植物工廠高級階段和理想形式，而忽略了植物工廠發展過程賦存的多種形態，難以囊括當前所有植物工廠的過渡模式，建議進行修正。在此建議，植物工廠應是指與植物生長發育直接相關部分或全部生產要素（環境因子、水肥供給等）全程可自動化調控，并具有一定的植物生產流程的空間自動管理功能，實現規?；咝a，較少或不受外界環境干擾的種植設施?；谶@一定義，日光溫室、多層建筑形式的設施模式均可看作植物工廠，只要它具備定義的本質特征[1]。

植物工廠是設施園藝發展的

必然趨勢

在全球層面和中國國情條件下，植物工廠的發展存在其客觀原因和現實必然。在國際層面上，設施園藝發達國家荷蘭、日本、美國、以色列等競相研發太陽光植物工廠和人工光植物工廠，這是基于全球氣候變化危害、設施農業發展必然趨勢、農業資源環境承受力、食物安全、社會發展水平、技術裝備水平等各種相關背景綜合作用的耦合驅動結果。對中國而言，又存在自己的國情和社會條件。總之，植物工廠是現代農業發展的必然趨勢。

第一，全球氣候變化背景。①氣候變化導致極端天氣事件時有發生，氣候災害更加頻繁，使露地農田系統生產性能的穩定性降低；②氣候變化下溫度、CO2濃度等氣象因素的變化直接影響作物的生長發育和產量品質，人工調控必要性和迫切性增加，設施農業生產策略需要調整；③臭氧層破壞導致露地光輻射UV組分增強，影響露地及設施植物的生長發育。

第二，國際設施園藝發展背景。①設施農業是環境控制農業，環控是基本手段，生產要素的環控水平首先取決于設施類型的隔熱保溫、透光性能，塑料大棚、日光溫室、玻璃溫室、連棟溫室和植物工廠的環控水平逐級提高，是設施農業發展的必然趨勢；②國際設施園藝強國均在發展以水肥一體化管控、環境因子自動化管控為技術特征的現代設施園藝產業。

第三，農業資源環境背景。①農田環境污染嚴重（農藥、重金屬、抗生素等），食品安全問題日益突出；②農業資源（土地、水肥、電能等）短缺，質量下降。農業資源數量和質量，農業環境的承載力已無法支撐傳統粗放式設施農業發展，必需實施集約化、工廠化、規?；a方式，提高資源利用效率，減少環境廢棄物排放；③農業稀缺植物資源枯竭，需要植物工廠規?；a，保護種質資源。

第四，食物安全保障背景。①快捷高效、高附加值農業生物周年生產農業協同迫切需要；②無污染、安全、高保健價值植物產品需求增加。由于生長在干凈無塵的環境中，不使用殺蟲劑，植物工廠種植出來的蔬菜營養健全，口感不比露天蔬菜差，不需要清洗就能直接品嘗。

第五，社會發展水平背景。①全球人口在21世紀持續增長，對糧食和農產品的數量和質量需求逐年增漲；②城市化進程加快，農業勞動力短缺，必然需要提高設施農業自動化管控水平；（3）城市人口劇增，城市農業發展趨勢明顯，植物工廠就地產銷優勢明顯，減少碳足跡和碳排放。

第六，技術裝備水平背景。科技發展驅動耦合的產物。植物工廠是建立在人們對植物生理學規律全面認知，以及對蔬菜水培技術、LED照明技術、智能控制等技術、太陽能光伏發電發展耦合的產物。

植物工廠的優勢與LED光源

應用優勢

植物工廠應用優勢

植物工廠不僅極大地擴大和延長了農業生產的空間和時間，提高了土、肥、水、光、熱等農業資源的利用率和集約化程度，使單位土地面積的生產能力、生產效率、經濟效益成倍增長，還能克服傳統土壤栽培中常見的連作障礙、土傳病害的發生、土壤肥力下降及因化學肥料流失而造成的環境問題的發生。植物工廠作為一種生產要素高度可控、產能倍增的顛覆性農作方式，單位面積食物（蔬菜等）生產效益可達露地生產的40～108倍，被認為是解決食物安全難題的有效途徑之一，受到世界各國的高度重視。中國設施農業一直是以北方日光溫室和南方塑料大棚為主體的園藝設施，陷入了低投入-低產出-低效益的惡性循環中，單產不高，資源環境代價偏大，迫切需要利用工程手段進行變革，實施“環境替代資源”發展戰略，發展現代農業。只有在生產要素高精度條件下，才可改善農業生物的產量、品質、生長周期，提高生產效益。中國農業發展正面臨著人口、資源、環境的巨大壓力和社會需求持續增長的嚴峻挑戰。以工業化生產理念構建工廠化農業正是擺脫耕地、水、氣候等資源和環境的制約，實現產出高效、產品安全、資源節約、環境友好的現代可持續農業的必由之路。國際上，設施園藝強國爭相發展植物工廠產業，以應對各種農業可持續發展的挑戰。

植物工廠LED光源應用優勢

人工光照明系統是人工光植物工廠核心技術裝備，為植物生產提供光合能量和光照信號。熒光燈是傳統光源，LED是新型光源。2種光源的植物生理響應機制已經被廣泛揭示，2種光源應用的生物學基礎已非常明確。但是，LED作為新型固態半導體光源具有熒光燈無法比擬的光電優勢[2]，包括：①可按植物生長發育需求調制光譜，按需補光，生物光效高；②冷光源，可貼近植物照射，提高空間利用率；③可控性好，可精準調控光強、光質和光周期等，適宜工廠化生產；④節能、環保、長壽命、體積小、質量輕；⑤LED光源裝置多樣（燈板、燈帶、燈管和燈泡），適用于設施園藝各領域。目前，已有面板燈、條燈、燈管、燈帶等植物工廠用燈被開發出來并推廣應用。同時，太陽光植物工廠多款LED補光燈也被開發出來，包括行間冠層補光燈、花期燈、條燈等。人工光照明技術裝備主要包括光源燈具、懸掛系統、控制系統、電源等。

LED在植物工廠中的應用發展

LED植物工廠發展新動態

中國植物工廠研發與產業發展已有10余年，取得了輝煌的成果，產業化雛形初步形成。尤其是在2013年國家863項目“智能化植物工廠生產技術研究”的支持下，植物工廠技術裝備發展提速?？v觀植物工廠技術裝備和產業發展，有以下幾個方面的新動態。

（1）立體多層無土栽培技術裝備新動態。立體多層無土栽培技術裝備是人工光植物工廠必要的本質裝備，也是太陽光植物工廠需要迫切發展的技術裝備。當前，以營養液膜技術（NFT，Nutrient Film Technique）和深液流技術（DFT，Deep Flow Technique）為基礎的多種立體多層無土栽培技術裝備已經開發出來，適合葉菜類植物生產。當前，基質栽培草莓、氣霧培栽培葉菜技術裝備異軍突起，技術發展較快。

（2）智能控制技術日新月異。智能環境控制技術裝備水平的高低決定著植物工廠的運行效率。智能環境控制以植物環境控制原理為基礎，特別需要以環境因子耦合控制下的植物生理響應效應作為依據，已有很大發展。植物環控生理機制正逐步被揭示，耦合控制策略逐漸成熟，出現一批相關企業和產品。

（3）產業發展異常迅猛。就中國而言，從事植物工廠及相關技術裝備研發的企業不少于200家。依舊是以珠三角地區、長三角地區和環渤海地區的大中城市為爆發地，但呈現出輻射全國，逐步分散的發展趨勢。目前，新疆、陜西、四川等地均有植物工廠產業萌發，發展勢頭強勁。涌現出了深圳市智慧未來農業科技有限公司、河南精農科技股份有限公司、富昌電子（上海）有限公司和寧波綠脈農業開發有限公司等知名植物工廠從業單位。

（4）產業細分市場逐步完成。當前，植物工廠企業發展模式分為技術裝備型，植物產品銷售型兩種，前者復制工程，推廣植物工廠系統裝備；后者，應用植物工廠生產植物產品，尤其是高附加值植物產品。從銷售產品的種類來看，蔬菜產品、家庭園藝產品是主流。

（5）植物工廠配套裝備制造也發展迅速。植物工廠所需要的LED光源、層架、營養液、控制系統供應商逐年增多。比如，以深圳市添光彩植物光源科技有限公司為代表的光源供應商，可提供植物工廠主流波長的燈珠產品，為LED光源創制提供了基礎。

（6）太陽光植物工廠補光產品日益豐富。按照植物光環境需求理論和基本閾值，結合LED的光照優勢，LED補光燈研發如火如荼，產品不斷推出，性價比逐年提高。以深圳市博萊凱半導體照明有限公司為代表的水冷式LED補光燈具有市場前景。

（7）高附加值保健型植物成為新寵。普通蔬菜產品因價格低，投入產出比率大，盈利空間有限，故此植物工廠業主傾向于進行高附加值保健型植物生產，甚至進行鮮品的深加工，提高附加效益。

（8）國家及各級政府更加支持。隨著國家“十二五”科技創新成就展，國家領導人對中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所研發的智能LED植物工廠給予了高度重視和肯定后，植物工廠作為顛覆性的農作方式，受到各級政府、行業學會協會政策的利好誘導和資金支持，興業科研機構和企業單位呈遞增趨勢，全國呈現快速發展態勢。

LED植物工廠光源及其照明研發新動態

光照是LED光源植物工廠實施高效植物生產的主要驅動因素，在調控植物生長發育、產量品質形成方面具有不可或缺的作用。采納適宜高性價比的LED照明產品在一定程度既決定了LED光源植物工廠的生產效率，也決定著產品商品價值，其重要性不言而喻。

（1）LED光源產品日益豐富。用于植物工廠的LED光源從無到有，從劣質到精良，從不能控制到智能控制，從高成本到低價位，LED光源正在全面滿足植物工廠的需求。目前，已有多重型號、系列的LED面板燈，T5和T8規格的LED燈管和燈條，水冷式大功率LED燈板，大功率LED補光燈，雙向照射LED燈條，這些產品有多家企業可以提供，產品設計自由度大，可很好地滿足市場需求。但是，LED光源方面依舊缺乏標準，亟待盡快完善制定。

（2）LED節能高效應用技術正在解決。從LED光源光質、光強和光周期設置與控制角度，通過合理的光質、光強和光周期協同耦合調控，可以在保證植物生長發育基礎上，提高栽培效率。目前，通過光質、光強、光周期的調控技術研究成為探討重點。比如，余意等[3]提出了利用生菜的弱光適應性，利用LED弱光提高生產效率。國際上，有關植物工廠LED光環境調節提高蔬菜品質的研究很多，Bian等[4]做了系統的綜述。

（3）LED連續光照成為熱點。連續光照是縮短植物生育周期，提高產量，改善品質的重要光照方法，對特定植物種類具有應用前景[5]。中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所在國家自然科學基金面上項目“LED紅藍光連續照射對高氮水培生菜AsA代謝網絡影響機理及其節律效應”和青年項目“短期連續LED光照下水培生菜硝酸鹽代謝規律及影響機理研究”的資助下開展了長期的研究工作。該研究將揭示連續光照的作用機制，植物響應及其節律效應策略，最終為連續光照在植物工廠中的應用提供依據。

（4）LED照明節律研發成為焦點。晝夜節律是植物生長發育所具有的生理特征，但是在植物工廠恒定光照下植物的節律會如何變化已成為研究焦點。在充分揭示植物工廠LED紅藍光條件下植物節律特征及演變規律，將為LED光源高效應用提供科學基礎。

（5）LED光源時空控制技術完成。LED作為冷光源，可接近植物冠層進行有效照射，提高光能利用效率[6]。然而，植物從苗期到營養生長階段，甚至生殖生長階段其植株高度有明顯差異。因此，為了提高植物整個生育期的光能利用效率，有必要將LED的光源進行垂直高度的調控，使得LED光源距離冠層位置相對恒定，達到節能高效的目的。

（6）LED光配方日益豐富。目前，植物工廠所能栽培的植物種類十分有限，必需不斷擴展植物工廠可生產的植物種類，增加葉菜、根菜、莖菜、藥用植物、花卉等種類和品種。驗證新植物種類、品種可在植物工廠里規模化生產的基礎是光配方的建立，只有建立高效的光配方，才能實現光環境智能管控，才能生產出高商品性的植物產品。

（7）植物工廠蔬菜優質高產光照技術完善。優質高產是植物工廠生產的目標，光環境調控是實現植物優質高產的主要途徑之一。通過光質、光強和光周期調控可以改變植物的養分吸收、初級代謝和次級代謝過程，調控植物體內糖、維生素、類黃酮、酚酸等物質的合成、代謝和累積，最終影響植物可食部分的保健功能。目前，除光合有效輻射外，紫外輻射在調控品質方面作用獨特，合理的紫外輻射劑量將是研究的重點。

結語

植物工廠發展前景廣闊，未來5～10年將達到普及應用水平。植物工廠發展的推動力主要來源于以下幾個方面。

首先，國家和企業加大了對植物工廠研究與開發的投入與力度，業界信心倍增。國家層面對植物工廠發展十分認可，具體體現在以下軍3個事件上。①2013年國家“十二五”863計劃項目“智能化植物工廠生產技術研究”在中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所立項啟動，表明了國家層面對植物工廠研發與產業化前景的認可，具有里程碑式的意義。②2016年6月3日，由中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所“設施植物環境工程團隊”自主研發的“智能LED植物工廠”成果亮相國家“十二五”科技創新成就展，受到了國家領導人的高度關注，這對植物工廠產業化具有積極的推進作用。③2016年6月17日中國照明學會農業照明專業委員會成立，成為以LED植物工廠照明為主導的植物工廠推進的全國性組織平臺。以上3件大事均突出表現了國家層面對植物工廠及其相關技術裝備研發的認可和持續支撐，奠定了植物工廠及其相關技術研發的可持續性。國家層面的認可與支持，從關鍵共性技術、產學研平臺、公共認知等方面，推動了植物工廠及LED照明產業的發展。

其次，植物工廠發展的基礎技術儲備已經成熟，產業雛形已經形成，將很快進入產業快速發展期。目前，已有200家以上的企業涉獵到植物工廠產業領域，推出了整體或部分組件產品。因此，在眾多利好條件的推動下，在社會發展迫切需求的促進下，在跨界創新的不斷創造中，中國的植物工廠研發與產業化發展必將大放異彩，躋身世界植物工廠產業強國之列。

參考文獻

[1] 劉文科.植物工廠定義與分類方法辨析[J].照明工程學報，

2016，27（5）：83-86.

[2] 劉文科，楊其長.設施園藝半導體照明[M].北京：中國農業科

學技術出版社，2016.

[3] 余意，楊其長，劉文科.弱光條件下光質與光周期對水培生菜

生長與品質的影響[J].中國農業氣象，2015，36（6）：739-745.

[4] Bian Z H，Yang Q C， Liu W K. Effects of light quality on

the accumulation of phytochemicals in vegetables

produced in controlled environments： a review[J].Journal

of the Science of Food and Agriculture，2015，95（5）：869-877.

[5] 余意，楊其長，劉文科.LED短期連續光照提高不同氮營養水

培生菜品質的影響[J].應用生態學報，2015，26（11）：3361-3366.

[6] 劉文科.設施園藝半導體照明系統及其光效提升途徑[J].中國

照明電器，2015（8）：26-28.