人工光利用型植物工廠核心技術研究進展

崔佳維　陳智杰　鄭胤建　劉厚誠　雷炳富

【摘要】隨著對植物生長發育的深入了解和對環境控制技術的不斷探索，人們逐步掌握在完全密閉的環境中培育植物的技術，即在人工光利用型植物工廠中栽培作物。主要對人工光利用型植物工廠的產生與發展、優點與不足以及發展方向進行簡單介紹，并對人工光利用型植物工廠的核心技術：無土栽培技術、光照技術和環境控制技術進行整理歸納，總結出適合人工光利用型植物工廠的栽培管理方式，以期加深人們對人工光利用型植物工廠的認識和了解，為在人工光利用型植物工廠中栽培作物提供借鑒指導。

隨著人口的持續增長，耕地資源的不斷減少，食品安全和農業從業人口老齡化等問題的日益突出，植物工廠越來越受到人們的關注[1]。植物工廠分為太陽光利用型和人工光利用型兩種。人工光利用型植物工廠，又叫封閉型植物工廠，是使用保溫不透光材料作為圍護結構，在完全密閉可控的環境下采用全人工光為植物提供光源，運用現代化營養液栽培與物聯網環境調控等技術，進行植物周年生產的栽培設施[2]。人工光利用型植物工廠是植物工廠的高級形式，對國內的普通大眾來說是一個全新的概念，本文主要對人工光利用型植物工廠的研究進展進行總結和梳理，圍繞人工光利用型植物工廠的基本情況和核心技術開展介紹，以期加深人們對人工光利用型植物工廠的認識和了解。

人工光利用型植物工廠簡介

產生與發展

20世紀60年代，人工光利用型植物工廠產生于美國和奧地利，該階段屬于植物工廠的試驗研究階段。隨后在歐美地區開始出現各式各樣的植物工廠，開發了更多的栽培形式和環境控制技術，太陽光利用型植物工廠從試驗研究階段開始進入示范應用階段，而人工光利用型植物工廠仍處于試驗研究階段。自20世紀70年代日本開始著手人工光利用型植物工廠的研究以來，人工光利用型植物工廠的發展開始進入發展應用階段[3]。據統計，目前日本已經有近250個人工光利用型植物工廠用于商業化生產[4]，并將植物工廠作為高科技產品出售到中國香港、俄羅斯和蒙古國等地[5]。從2009年開始，韓國政府大力支持人工光利用型植物工廠的研發，僅僅幾年間，科研單位和企業就推出了10多個型號的植物工廠產品[6]。由于歐美國家多以垂直農場來定義植物工廠，統計缺乏一致性，因此尚未獲得確切數據。

中國人工光利用型植物工廠的研究起步較晚，但發展較快。2006年，中國農業科學院建成人工光利用型植物工廠試驗系統；2009年9月，商業化的人工光利用型植物工廠在吉林長春建成；2010年5月，中國科學家成功研制出“低碳·智能·家庭植物工廠”，并在上海世博會展出[7]；2013年，中國科學技術部于2013年以“863項目”形式啟動了“智能化植物工廠生產技術研究（2013AA103000）”專項[4]。在中國臺灣地區，人工光利用型植物工廠已形成產業且發展迅速，在2009～2015年間投入產業的企業數由不足10家成長到超過百家[8]。2016年6月，中國科學院植物研究所和福建三安集團合力打造大規模的植物工廠，建成了單體面積1萬m2植物工廠并正式投產，日產綠色無污染、高品質蔬菜1.5 t，成為中國商業化人工光利用型植物工廠的優秀代表[9]。

優勢

植物工廠生產作為設施生產的高級形式，在一定程度上進一步減弱了植物對自然環境的依賴程度，而人工光利用型植物工廠作為植物工廠的高級形式，與普通植物工廠相比有更多的優勢：①封閉程度高，環境可控能力強，可制定最優環境參數進行調控；②可實現無菌無蟲生產，避免農藥的使用，產品安全無污染；③完全采用人工光，有利于更好探索植物對光的反應機理，為不同植物制定更為適宜的光質配比；④因環境適宜作物生長，生產效率更高。大體估算得出，人工光利用型植物工廠葉菜生產效率是露地的108倍，生產效率的提高得益于多層立體栽培的實現和智能化人工光源的使用及其光環境調控[10]；⑤不受耕地限制，適用范圍更為廣泛。人工光利用型植物工廠可以建在廢舊廠房、地下室等地方，充分利用空間。室內微型植物工廠更是可以安插在都市的各個角落，極大地擴展了生產空間。

缺點

目前大多數人工光利用型植物工廠處于試驗示范階段，普及程度較低，與其存在的問題有很大關系。人工光利用型植物工廠存在的缺點有：①植物工廠普遍存在投資大的問題，包括成本偏高和能源負荷大，植物工廠每平方米的最低造價在千元以上，最高達萬元[11]，具有完整植物環境監控技術和采用全人工光的植物工廠能耗更是驚人。②人工光利用型植物工廠受各種條件的限制一般比較小型，為充分利用空間也都是采用立體栽培，因此適宜人工光利用型植物工廠種植的植物相對小型，適種品種比較有限。目前人工光利用型植物工廠僅限于小型的蔬菜、水果、草藥和花卉的栽培與一些園藝作物的育苗[12]。③從目前看來，僅有部分作物具有相對標準化的生產技術指標，大多數的作物在實際生產中缺乏生產指導和數據支持。關于人工光利用型植物工廠的研究相對較少，在全人工光照條件下植物生長的機理尚未明確。這一問題會使部分未開發的作物在植物工廠中的生長效果和生產效率受到影響[13]。④經濟效益問題。由于初期投資大、運行成本高等原因，植物工廠產出的蔬菜成本比普通農場種植的蔬菜要高出50%～200%[7]。這就造成銷售價格過高，普通百姓難以接受，從而影響產品的銷售狀況，一些建成投產的人工光利用型植物工廠由于經營效果不佳，面臨破產的風險。

人工光利用型植物工廠發展方向

◎ 規模

人工光利用型植物工廠主要沿著兩個方向發展：一是生產規模化，即向大型植物工廠發展；二是家庭普及化，即向微型植物工廠發展[13-14]。人工光利用型植物工廠想要占領市場，獲得較好的經濟效益，就必須提高生產效率，而實現這一目的的方法之一就是擴大生產規模。隨著城市化的發展和人們對生活品質的提高，家庭植物工廠的出現讓都市生活的人們在工作之余感受田園樂趣的同時也能吃到放心的蔬菜，因此家庭植物工廠的概念一經提出就得到廣大都市白領的追捧。endprint

◎ 環境控制

作為農業生產集約化的代表，人工光利用型植物工廠的環境調控尤為重要。隨著無線控制技術和物聯網等技術的不斷發展，人工光利用型植物工廠向著全自動化的領域發展，不但可以節約成本，降低維護費用，還可以節省人力資源[13]。植物環境控制必將走向精準化，智能化。

◎ 生產成本

隨著材料科學的發展，新型材料逐漸運用到人工光利用型植物工廠的外部結構和內部設施上，降低了人工光利用型植物工廠的建設成本；隨著節能技術和可再生能源的融入，人工光利用型植物工廠的后期能耗投入將進一步降低。

◎ 產業結構

目前，人工光利用型植物工廠還沒有比較完善的產業結構，其產業結構必將向多方合作的方向發展。近年來，照明市場進入全紅海階段，半導體市場出現產能過剩的情況[15]，一大批LED企業轉向農業照明領域；高校對植物工廠方面的研究取得一定成果，但投入生產實踐的很少，高校與企業合作是植物工廠發展的契機；微型植物工廠作為一種新型家居，更是可以和家居家電生產廠家合作，吸納先進的微環境控制技術和銷售渠道。

人工光利用型植物工廠核心技術

人工光利用型植物工廠的核心技術包括無土栽培技術、光照技術和環境控制技術，三類技術彼此關聯，以植物高效生產為目標進行集成[16]。雖然不同作物所需的生長環境不盡相同，各地的人工光利用型植物工廠所采用的的技術也千差萬別，但由于植物生長具有一般規律性，通過大量試驗可以總結出一定的生產參數，只有在此基礎上發展創新才能生產出高效優質的產品。

無土栽培技術

◎ 無土栽培形式的選擇

無土栽培技術可分為固體基質培和非固體基質培，非固體基質培又可分為水培和霧培。由于人工光利用型植物工廠清潔性要求較高，目前比較常用的是平面多層立體栽培形式和與之相配套的營養液水培技術。還有一種是與多面體立體栽培形式配套的霧培技術，這種模式的使用相對較少[17]。

◎ 營養液配方的選擇

營養液是無土栽培技術的核心，不論哪一種栽培形式都離不開營養液配方的選擇，作為植物生長所需礦質營養的來源，配方的適用性直接影響到植物生長狀況。世界上營養液配方已有數百種，適用于不同的栽培形式和作物。研究發現，礦質元素的含量、形式以及濃度均可以影響植物的生長狀況，在營養液配方上要根據需求和對應性來選擇。當有某種作物對應的配方時，盡量采用對應配方。比如在番茄育苗試驗中，孫紅敏等[18]發現選用山崎番茄配方比通用配方更適宜番茄的生長。試驗發現，在葉菜無土栽培試驗中，使用荷蘭溫室配方和華南農業大學葉菜B配方總體表現較為良好。經霍格蘭和施耐德配方處理的葉菜，可溶性糖、可溶性蛋白、VC含量較高，具有良好的品質，但硝酸鹽含量比其他處理高，而使用含有銨態氮配方的作物硝酸鹽含量較低[19-23]。

◎ 營養液自毒物質清除技術

人工光利用型植物工廠中，營養液是循環利用的，因此營養液的消毒殺菌和自毒物質的清除十分必要。關于營養液的消毒殺菌方法目前國內外已有大量的研究報道，如紫外線消毒，紫外線-臭氧聯合消毒，高溫消毒，慢砂過濾等。而對營養液中累積的自毒物質的去除方法的研究較少。目前，營養液中自毒物質的去除方法，主要有活性碳吸附法和納米TiO2光催化法。活性炭吸附技術具有吸附飽和點，難以重復利用，TiO2光催化法是目前比較有效的方法，是利用其在紫外光照射下產生的強烈的氧化性來降解營養液中累積的自毒物質，試驗證明對6種典型自毒物質降解有效，可以利用在營養液處理系統中[24]。

光照技術

◎ 光源設備的選擇

生產實踐中，一般以白熾燈、高壓鈉燈、熒光燈作為植物補光和調整光周期的設備，但由于高耗能和與植物吸收光譜不吻合等原因逐漸被淘汰。LED作為一種新型光源，具有體積小、壽命長、光效高、可控性好、光譜可調和節能環保等優點，現已逐漸代替熒光燈成為人工光利用型植物工廠的理想光源[25]。

◎ 光環境調控技術

在人工光利用型植物工廠中，植物的光環境完全由人工光提供，LED作為可調光源，能夠實現對光環境的完全調控。根據多年的觀察和試驗，徐永[26]提出光在七個維度上調節植物生長，包括光強、光質、光照模式、均勻性、方向性、偏振性和相干性。光影響植物生長一般歸因于三個維度，即光強、光質和光照模式。現階段光影響植物生長發育的研究和應用也大多集中在這三個方面。

光強直接影響植物的光合作用的強弱，在植物的生產和研究中，光強通常由光合有效光量子通量（photosynthetic photon flux，PPF）來表示，PPF的單位為μmol/（m2·s）。根據生產經驗和一些試驗（表1）表明，一定范圍CO2濃度下葉菜類幼苗期以100～150 μmol/（m2·s）的光強為宜，后期300 μmol/（m2·s）左右的光強基本可以滿足產量和品質的要求；瓜類育苗以200 μmol/（m2·s）左右的光強為宜；茄果類的育苗以

300 μmol/（m2·s）左右的光強為宜。由于生產條件和作物種類需求的不同，大規模生產前應做小批量試驗，確定具體適宜光強。

在自然條件下，植物生長接受的是太陽光的全部光譜，但植物可以利用的光合有效輻射只占其中的50%，包括400～700 nm的光合有效光譜輻射、部分紫外輻射（UV-B或UV-A）和部分遠紅輻射（Fr）。紅光和藍光波段基本可以滿足植物生長發育的需求，同時也是植物的必需光質[38]。因此植物工廠中一般選擇紅藍復合光進行作物栽培。

光照模式一般指光照周期，即一天之內光期暗期模式的設置，包括光期暗期各自的時間長短和間隔頻率等。在自然環境下一天之內光期和暗期完全分隔開來，在人工光條件下可以實現光期頻率自由調節。研究證明光波動環境可提高植物的光合能力，單位功耗產量要高于固定光周期[39-40]。endprint

在實際生產中，光強、光質、光照模式是相互影響的，不同作物、不同生長時期的最優光環境是不同的。目前研究中主要關注作物的產量品質、生長發育和生理生化，而對分子生物學機理研究較少，植物工廠中光環境的調控一般靠經驗，植物光質生物學的研究有待進一步發展[16]。

◎ 紅藍光質對植物生長品質的影響及最優配比的選擇

葉片的光合量子效率與波長相關，且峰值在紅光波段（620～670 nm），在光質對蔬菜生長影響的試驗中可以看出，紅光有助于植物生物量的積累，在鮮重、干重、株高、葉片數等方面改善植物生長，可提高產量。研究發現，以紅光為主的光源處理的葉菜株高明顯高于以藍光為主的處理，并且在周華[41]和徐文棟[42]的試驗中，純紅光處理的葉菜，株高最大。在番茄育苗試驗中發現，隨著紅光比例增加，株高、莖粗、干鮮重有增大的趨勢[43]。總結發現紅光是植物光合作用和生長最有效的光，然而單一的紅光并不能滿足植物正常生長和營養物質的積累。

Govert[44]在探究單純紅光照射后黃瓜苗光合作用的可塑性的試驗中發現，紅光對光合系統的建立和葉片的生長均有害，對CO2同化速率和Fv/Fm抑制更為嚴峻。并且紅光傷害后氣孔導度和形態不可恢復。Yuta[45]的研究也證明了雖然紅光對生菜光合作用最有效，但葉片形態達不到商品標準，只有當紅藍兩種光配合使用，作物才能正常生長和達到良好的形態。在以藍光為主的復合光處理下，青菜具有較高的根冠比和根系活力，且有利于可溶性蛋白、VC、類胡蘿卜素、類黃酮和總酚的形成[46]。藍光處理的番茄果實轉色時間最短；VC含量和可溶性蛋白質含量顯著增加，硝酸鹽含量降低[47]。藍光比例增加會促進干物質向地下部分分配[48]，莖粗顯著高于其他處理[49]，游離氨基酸含量提高[50]。因此紅光有助于植物干物質的積累，可提高產量，藍光具有抑制莖的伸長、提高作物品質的作用，大量試驗表明，紅藍復合光處理，植物生長狀態最佳[51-57]。

人工光利用型植物工廠一般以培育蔬菜和生產種苗為主，通過上文的分析可知，生產過程中要根據需要選擇適合的光質配比。如果以增產為目的，那么應該選擇紅光比例高的光質，如果以提高品質為目的，則應適當增加藍光比例。但應以紅光為主，才能達到最佳效果。通過分析大量文獻可知，萵苣屬的光質配比以R：B=3：1或4：1為最優，各項參數綜合效應最佳。而在瓜類茄果類育苗試驗中，會因試驗環境和所用LED類型的不同，導致未得出統一的標準，有待進一步探索。

環境控制技術

植物工廠，顧名思義就是要實現植物的工廠化生產。工廠化生產有2個主要特點：標準化和高速度，因此一要量化環境和植物生長的關系，二要研究通過環境控制促進植物生長的方法[58]。因此環境控制技術是人工光利用型植物工廠的又一大核心技術。植物工廠環境控制技術即利用計算機和多種傳感器裝置對植物生長發育所需的溫度、濕度、光照時間和CO2濃度等進行自動化或半自動化的調控。該技術是通過制冷與加熱雙向調溫控濕系統、均勻送風系統、光環境調節系統、CO2增施系統、環境數據采集與自動監控系統的應用，來實現植物工廠的全程監控及周年連續生產[59]。

◎ 控制系統結構

目前多數植物工廠所采用的控制系統結構一般包括環境因子數據采集功能模塊、中央處理器模塊、執行控制輸出模塊[60-61]。一些系統中還增設了SD卡數據存儲功能模塊和人機交互功能模塊[62-65]。

◎ 環境控制方法

溫室控制技術比較先進的國家是荷蘭和日本。日本植物工廠環境控制的方法主要有以下兩大類：①計算機控制-分布式控制，分時集中控制，分層網絡化控制，最適化、適應化和智能化控制。②過程控制-反饋控制、ON-OFF控制、PID控制。綜合國內外的研究發現，溫室環境控制技術主要包括控制硬件及控制算法2個方面[59]。

◎ 無線數據傳輸網絡的應用

植物工廠控制系統需要將大量檢測數據傳入控制中心，而控制中心的指令也需要通訊網絡傳輸給執行組件。傳統上，數據傳輸常使用工業總線技術，由于植物工廠通訊節點多，就會造成復雜的布線問題，同時增加建設成本[62]。新型無線通訊傳輸技術的應用可以解決這一問題。ZigBee是一種基于 IEEE 802.15.4標準的低功耗、低成本、低速率、支持大量節點、可靠安全的無線通信協議[60]，非常適合多數據采集和傳輸的植物工廠使用。研究證明基于ZigBee的數據傳輸網絡可以實現數據傳輸的可靠性和準確性，并且降低了系統成本和能耗[59-60，66-68]。WiFi技術已植入到生活的各個領域，它的可移動性和價格低廉的優點是有線技術的補充，傳輸速度快又是ZigBee技術無法企及的[69]，因此將WiFi技術運用到植物工廠中是目前研究的熱點。

◎ 遠程監控系統的實現

2015年7月1日，國務院印發了《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》，明確提出利用互聯網提升農業生產、經營、管理和服務水平，促進農業現代化水平明顯提升的總體目標，部署了構建新型農業生產經營體系、發展精準化生產方式、提升網絡化服務水平、完善農副產品質量安全追溯體系等4項具體任務[70]。將互聯網技術運用到農業上是現代化農業發展的必然趨勢，植物工廠作為智能化農業的代表，未來一定能夠滿足用戶遠程訪問和監控的需要。利用嵌入式Web服務器可以實現遠程監測植物工廠內各種環境參數和圖像信息并可對連接在服務器上的執行機構遠程控制[71]。劉彤[72]、周曼麗[73]、王冠[74]等在Linux系統中移植了Boa嵌入式服務器，將嵌入式Web服務器運用到植物工廠中，實現了對植物工廠的遠程移動控制。

◎ 節能環境調控技術

高能耗是阻礙人工光利用型植物工廠發展與推廣的重要原因之一，能耗成本約占生產總成本的20%[75]，因此尋找節能生產模式一直是國內外研究重點。人工光利用型植物工廠中的能耗主要來源于人工光源和溫度調節系統。endprint

人工光源 一是選擇使用節能燈具LED，實驗發現，為植物提供必要的質量跟強度的光，LED比熒光燈節省40%的電力[76]。二是通過改善照明布局、選擇光質最優配比和合適光照強度等光照模式提高光能利用率，李坤等發現用變焦鏡改善光的分布，可以節省52.06%的電量[77]。

溫度調節系統 可以采用新型能源和調溫技術減少空調及加熱器的能耗。目前比較熱門的有太陽能光伏發電技術、熱泵調溫技術和光溫耦合調溫技術[7，78]。太陽能光伏發電為植物工廠空調負荷的試驗中，最大可負荷5.52%的電量[79]。蓄能型地源熱泵式供能系統對于冷水機組與燃氣鍋爐配套和直燃式溴化鋰冷熱水機組空調系統的節能率分別為73.9%和82.9%，每年二氧化碳減排量分別為66、61 t，節能減排效益顯著[80]。室外空氣溫度在-4～12℃變化時，應用光溫耦合技術進行植物工廠的溫度調控，明暗期節省的降溫耗電量分別為24.6%～63.0%和2.3%～33.6%[81]。

結語

2013年，中國正式把植物工廠列入國家“863”科技發展計劃，隨著人們對人工光利用型植物工廠各方面的探索，將各項高新技術運用到人工光利用型植物工廠，人工光利用型植物工廠一定能更加集約化、產業化、智能化、網絡化、多功能化。人工光利用型植物工廠是未來農業的發展方向，但以目前情況來看，并不是所有地方都適合發展人工光利用型植物工廠，人工光利用型植物工廠的全面發展還需要很長的時間，與其他農業領域一樣，都需因地制宜，合理規劃，才能展現市場活力，發揮其最大優勢。

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