植物工厂的定义与分类方法辨析

刘文科

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京　100081)



植物工厂的定义与分类方法辨析

刘文科

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京100081)

LED光源植物工厂是当前设施园艺技术发展的前沿和研究热点，植物工厂产业发展对保障农产品的有效供给具有重大意义。然而，源于日本的植物工厂定义及分类较为简单，缺乏自动化管控的本质性内涵规定。本文综述了已有植物工厂的定义和分类方法，提出并建立了基于生产要素自动化管控水平的植物工厂定义和分类新方法，新方法将为植物工厂技术研发、产业化发展和标准制定提供科学依据。

定义；植物工厂；分类；研发；产业化

引言

发展现代农业，保障粮食安全和农产品有效供给是国家的长期方针政策，也是应对人口增长、资源减少、环境污染、气候变化等问题的重要举措。设施农业是技术密集型产业和高效生产系统，其半密闭或密闭生态系统中的光、温、水、气、水、养分等生产要素可以被人为调控，能实施周年高效生产，生产效率通常是露地的几倍或数十倍以上，是替代传统大田露地农业的现代农业生产方式，也是工程技术集成应用的生产方式。目前，设施农业设施多样，系统密闭性各异，主要包括太阳光利用型和人工光利用型两类。前者包括连栋温室、日光温室、塑料大棚、玻璃温室等，后者包括人工光植物工厂、食用菌工厂、植物组培苗工厂等。诚然，植物工厂是设施农业中最为现代化的规模化生产设施，生产要素的可控性与生产效能高均于其他设施类型，基本摆脱了自然环境的束缚。植物工厂的雏形出现于上世纪，发明应用已有几十年的历史。当前，随着人口的激增，食物供给需求的数量与质量提高，而农业资源环境问题日益严重，气候变化导致极端天气事件频发的背景下，植物工厂产业发展更加紧迫地提到日程上来，关键技术研发方兴未艾。迄今，我国人工光植物工厂约有20余家，从事植物工厂及其LED光源研发单位超过30家，有意向采纳植物工厂技术的农业生产企业逐年增多。预计，我国“十三五”期间，植物工厂研发与产业将呈现出快速发展迹象，国内相关产值将达到1～5亿元人民币。

光照是设施农业动植物生长发育和优质高产的关键环境要素，与矿质营养相同，光照是同时具有数量和质量属性的生产要素，需要耦合协同控制。而且，光照又区别与温度、湿度、CO2浓度等环境要素，在设施条件下存在绝对零值。随着LED电光源的发明与发展使得设施农业得以彻底全面地调控光环境(光强、光质和光周期)条件，实现了人工光设施园艺及其光环境调控的革新，引发了设施农业光环境智能精准调控革新，造就了设施农业半导体照明研发领域与产业市场，也催生了新型设施园艺系统-LED光源植物工厂的出现。LED半导体照明赋予了LED光源植物工厂更多技术内涵、生产目标和调控机制，弥补了植物工厂环境智能调控的短板，使之真正意义上在理论和实践上实现了生产要素的全生产过程按需精准控制，具有里程碑式和划时代的贡献。正如LED照明扩展了照明工程学科范畴和内涵一样，LED光源植物工厂变革了设施园艺的类型、科技装备水平和产业形态，LED光源植物工厂具有广泛的应用前景。

1　植物工厂的发展

植物工厂是现代农业的重要组成部分，是科学技术发展到一定阶段的必然产物，被誉为设施园艺发展的最高阶段。植物工厂依托在设施园艺、建筑工程、环境控制、材料科学、生物技术、信息学和计算机人工智能、模拟与控制)等学科的基础上，是知识与技术密集的集约型农业生产方式。植物工厂最早源于欧洲，1957年世界上第一家植物工厂诞生在丹麦。1964年奥地利开始试验一种塔式植物工厂，后推广到俄罗斯及北欧、中东国家采用。1971年丹麦也建成了叶菜工厂，快速生产独行菜、鸭儿芹、莴苣等[1-2]。日本在植物工厂(尤其是人工光植物工厂)发展中起到重要作用。1974年日本建成一座电子计算机调控的花卉蔬菜工厂，此后相关技术装备(环境控制生物学、环境控制技术、生产设施与执行机构等)得以快速全面发展。20世纪80年代至2000年，日本在植物工厂中生产蔬菜、小麦、水稻、植物组培苗等培育领域获得成功，引领推进了产业的发展方向。同时，荷兰在太阳光植物工厂及LED补光领域发展较快，技术传播到世界各国。我国从2000年开始研发植物工厂技术，主要集中于人工光植物工厂。大致估算，到2015年底国际上人工光植物工厂多达200余座，主要分布于日本、中国、韩国等东亚国家和地区。植物工厂生产的对象包括蔬菜、花卉、水果、药材、食用菌以及一部分粮食作物等。

2　植物工厂定义辨析

2.1已有定义

植物工厂的概念最早是由日本学者提出来的，是日本植物工场学会创办人高辻正基教授在1979年提出的，当时的概念比较偏重于人工光植物工厂。此后，2009年日本农商工联盟研究报告书里提出的定义，植物工厂定义为在可控环境下培育植物的园艺设施中，以环境信息和植物生长监测为前提进行高度的环境调控和生长预测，从而实现蔬菜等植物的计划性周年生产。现在，以日本千叶大学古在丰树教授提出的定义较为主流，并得到中国学者的认同。植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约的省力型生产[3-6]。根据该定义，植物工厂的核心技术并不是把自动化和无人化作为必要条件，但定义中强调了高精度环境控制的首要性。杨其长和张成波所著《植物工厂概论》和杨其长等所著《植物工厂系统与实践》均采纳了此定义。

2.2定义本质

分析而言，起源于日本学者的植物工厂概念均存在一定的不足，主要表现在定义概括性过强，边界条件较为模糊，未涉及设施类型、设施密闭性和控制因素及其精度的差异性。这阻碍了人们对植物工厂的统一认识，混淆了系统技术研发方向和产业化应用方向，是有害的。植物工厂应具备“工厂”的基本属性。首先，密闭式植物生产系统，自动化程度是衡量植物工厂现代化和工厂化生产潜力的核心指标。从定义概括性和权威性角度，植物工厂环境控制本质上包括三类：水肥自动化控制技术、环境因素自动化控制、植物产品生产流水线自动化平台。其次，流水线条件上的植物产品自动化生产。植物工厂应是具有一定自动化程度的流水线式植物生产设施。自动化的流水线分为产前(育苗)、产中(移栽定植+栽培)、产后(采收、包装)三个阶段，重点是产前与产中阶段。

植物工厂的本质特征为生产要素的自动化控制，但植物工厂的自动化水平是有层次的，设施智能化水平是有划分的，不是一致的。基本内涵包括：①植物工厂是一种植物生产设施，具有隔离或控制物质与能量外界的交换；②生产空间的生长要素采纳了不同控制程度的自动化管理。比如水肥一体化，温度、光照、湿度、二氧化碳浓度、气流速率等的控制；③控制的自动化程度不同。既有开闭控制，又有自动化动态控制。人工控制和智能自动化控制结合，关键是控制措施可扩展并覆盖到植物工厂整个生产空间，而非局部；④判定植物工厂的指标重要性图谱：水肥一体化、环境要素(温度、光照、气流、湿度、二氧化碳浓度等)、操作管理(定植移栽、采收操作)。因此，植物工厂推荐定义应着力阐述其设施内的自动化控制本质特征。先前定义着眼于植物工厂最高阶段和理想形式，而忽略了植物工厂发展过程赋存的多种形态，难以囊括当前所有植物工厂模式，建议需要进行修正。植物工厂是指植物生长发育直接相关的部分或全部生产要素(环境因子和水肥供给等)全程可自动化调控，并具有一定的植物生产流程的空间自动管理功能，实现植物规模化高效生产，较少或不受外界环境干扰的设施生产方式。基于这一定义，日光温室、多层建筑形式的设施模式均可看植物工厂，只要它具备定义本质特征。

3　植物工厂分类辨析

3.1现有分类

关于植物工厂的分类，因所持的角度不同，其划分方式也各异。方法一，从建设规模上来分可分为大型(1 000 m以上)、中型(300～1 000 m)和小型(300m以下)三种；方法二，从生产功能上来分可分为植物苗工厂、叶菜工厂、果菜工厂、果树工厂、组培苗工厂、中药材工厂等；方法三，按光能的利用方式不同来划分，共有两种类型，即太阳光利用型、人工光利用型。其中，人工光利用型被视为狭义的植物工厂，称为人工光植物工厂，以连栋温室为代表的视为太阳光植物工厂。目前，第三种分类方法被普遍认同。该分类方法是按照植物生长中最重要的条件光能的来源来分类的，仅与光源类型有关，与生产要素管控自动化水平无关。因此，该分类体系无法评价植物工厂的现代化水准，无法评价生产效率水平、投资等，与植物工厂定义联系松散。而且，局部性特征的定义将误导公众对植物工厂的理解和认同。

3.2分类建议

生产要素管控自动化水平是判定设施系统是否是植物工厂的根本依据。自动化控制是指采用计算机或控制器，利用执行机构可按照需求将生产要素稳定或控制到一定水平的能力，是一种主动非被动过程。按照植物工厂生产要素的自动化程度法分为四类。其一，环境要素部分控制型。控制生产要素包括温度、气流、光照等部分环境要素。其二，环境要素完全环境控制型。控制生产要素包括温度、湿度、CO2浓度、气流、光照等全部环境要素；其三，生长要素部分控制型。部分或全部环境要素、水肥要素、植物产品从育苗到采收空间管理实现了自动化水平。其四，生长要素完全控制型。环境、水肥以及植物产品从育苗到采收的完全实现了自动化管控，是植物工厂发展的最高级阶段。

4　结语

当前，植物工厂的发展类型主要是第三类，即生长要素部分控制型植物工厂。缺乏其他三类植物工厂的开发研制工作。为此，我国应着力做好多种类型植物工厂的研发工作，构建不同类型植物工厂设施技术装备体系，提升植物工厂研发、产业及应用化水平。植物工厂定义和分类方法的明确对建立植物工厂技术体系，确立植物工厂学科、产业地位，推进标准化进程均具有重大意义。

[1] 杨其长，张成波.植物工厂概论[M]. 北京:中国农业科学技术出版社,2005.

[2] 杨其长，魏灵玲，刘文科,等. 植物工厂系统与实践[M]. 北京:化学工业出版社,2012.

[3] KOZAI T. Plant factory with artificial light[M]. Tokyo: Ohmsha Ltd.,2012.

[4] KOZAI T. Solar assisted plant factory[M]. 1st ed. Tokyo: Ohmsha Ltd.,2009.

[5] 古在丰树. 人工光型植物工厂:向世界传播的日本农业革命[M]. 贺冬仙，钮银花，马承伟，译. 北京：中国农业出版社， 2014.

[6] 古在丰树. 太阳光利用型植物工厂-植物工厂的可持续性与设计[M]. 张成波，尚庆茂，译. 北京：中国农业出版社， 2010.

[7] 刘文科，杨其长. 设施园艺半导体照明[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2016.

[8] 刘文科，杨其长，魏灵玲. LED光源及其设施园艺应用[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2012.

Definition and Classification Method Discrimination of Plant Factory

LIU Wenke

(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences;KeyLab.ofEnergyConservationandWasteManagementofAgriculturalStructures,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China)

Currently, plant factory (PF) with artificial LED lighting is the cutting edge field and research focus of protected horticulture. PF will play important roles in ensuring the efficient supply of agricultural produce in the future. However, definition and classification of PF is not defined exactly, lacking intrinsic essential characteristics of PF. In this paper, the traditional definition and classification method of PF were collected, and the novel methods about definition and classification of PF were put forward based on automatic control level of direct-relative production factors in PF. New definition and classification of PF will provide scientific basis for technological development, industrialization, standardization progresses of PF.

definition; plant factory; classification; research & development; industrialization

“十二五”国家高技术研究发展计划(863计划)课题(2013AA103001)

刘文科，E-mail: liuwenke@caas.cn

TM923

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.017