把握植物工厂技术产业的创新焦点

张瑜

周增产，教授级高级工程师，北京京鹏环球科技股份有限公司副总经理兼总工程师，北京市植物工厂工程技术研究中心主任，首都设施农业科技创新服务联盟副理事长，从事设施农业工程技术研究。2005年获国务院颁发的享受政府特殊津专家称号，2014年获首都劳动奖章称号，2015年获北京市劳动模范称号。获得农业部中华农业科技一等奖1项、全国农牧渔业丰收二等奖1项，机械工业科技二等奖1项、科技三等奖2项，北京市科技三等奖3项、推广一等奖3项，辽宁省科技二等奖1项。在农业工程学报等刊物累计发表论文60多篇，参加编写本科教材等书籍3部，参加编写国家标准2项，地方、行业标准3项，获得实用新型专利50多项，发明专利7项。

着工业化和城镇化的快速发展，“菜篮子”问题以及未来农业的发展方向成为人们关心的话题，而植物工厂正是时代的新兴产物。近年来，中国植物工厂1高新技术产业也在快速推进，以大型植物工厂和微型植物工厂（家庭植物工厂）为主要研发方向，但是成本高、研究作物种类少和智能化程度低成为阻碍植物工厂投入实际生产的主要原因。只有科技创新才是农业可持续发展的核心。因此，研究新材料、开发新能源、提高智能化程度成为解决植物工厂大规模投入生产的关键。

顺应时势，依托北京京鹏环球科技股份有限公司建设成立的“北京市植物工厂工程技术研究中心”（以下简称“研究中心”），经北京市科学技术委员会批准，于2012年8月正式挂牌。该研究中心主要是以提高农业现代化水平、加快都市型现代农业的快速发展为目的，以节能、减排、环保为原则，综合运用节能、工程、生物技术、自动化等高新农业技术，开展植物工厂工程技术方面的研究开发、成果转化及产业化推广的工作，对于提高农业资源利用率、发展低碳经济、提升我国设施农业整体技术水平和产业化进程，具有十分重要的战略意义。

研究中心以北京通州农业示范园区为基地，组建了一支凝聚农机装备智能化技术开发和应用创新的人才队伍，北京市植物工厂工程技术研究中心主任周增产带领这支团队完成了一项又一项课题，研发了一项又一项的专利，创造了无数的“之最”，为中国植物工厂技术产业做出了巨大贡献。

自主研发 硕果累累

自研究中心成立以来，周增产带领其团队针对当前我国设施生产的智能化程度、生产效率、能源利用、产品质量等水平低下的情况，重点在节约型温室保温蓄能材料与结构、可再生能源利用、环境控制、安全生产装备等方面进行了研究，并取得了突破性成绩。据介绍，截止目前，研究中心共形成新产品9项；获得植物工厂相关专利30项，其中，发明专利5项；共编写专著1本，发表文章32篇；参与制定国家标准和行业标准3项；獲得省部级和行业协会奖15项；承担国家科技部及北京市项目12项。

研究中心非常重视科技成果转化，根据市场需求不但进行了新产品研发及成果转化，对早期研发成果也进行了孵化，对国外价格较为昂贵、运输维修成本较高的产品进行了引进消化吸收再创新。在植物工厂低碳节能技术方面，研究中心研发了符合低碳、绿色、节能理念的光伏温室（图1）、铝天沟温室（图2）、集装箱植物工厂（图3）、家庭植物工厂（图4）等，实现了新产品的科技成果转化，开发了双层中空玻璃温室，并进行了科研及成果转化，与单层中空玻璃温室相比，实现节能30%左右。如，光伏温室的光伏组件铺设与建筑一体化设计采用光伏采光顶的形式，即将薄膜太阳电池组件以采光顶形式安装在温室屋顶钢架上，朝向南侧，与地面倾角33°，在不改变原有建筑风格和外观的前提下，设计了太阳能光伏阵列的结构和布局，增强屋顶使用功能。光伏温室利用薄膜太阳能电池的光电效应将太阳的光能转换成电能，以满足温室大棚中植物对光、温的需要。再有，铝天沟温室是一种节能低碳型温室，采用了一种新型铝天沟，水槽与集露槽结合成一体，内部铝材经过挤压形成一个中空结构，将温室和室外空气隔离，与上部两侧玻璃形成V字型排水槽，具有较好的抗弯性能，此外该类型温室的水槽和集露槽是一体化成形，结构紧凑，安装便利，外型美观。相比传统温室采用的钢制天沟，既可以解决温室内冷凝水的收集问题，又可大大减少热量损失；同时，铝天沟的截面宽度尺寸比钢天沟小，具有遮光面积小、隔热好、防集露等优点，可为温室内喜光植物提供优质的生长环境。以上2项技术成果目前均已实现产业化。

在植物工厂自动化装备方面，研究中心根据作物从育苗播种到收获各重要环节存在的问题，开发了多种自动化装备，可改善人工劳动强度大、劳动效率低下的现状。在育苗播种设备方面，工程中心研发的育苗播种成套设备（图5）具有多种功能，从基质原料的破碎、不同基质的混合到基质自动填盘、精量播种、覆料淋水，不仅使播种速度大大提高，播种质量也有所提升。研究中心委托北京市农业机械试验鉴定推广站对育苗播种生产线的空穴率、重播率及生产率进行了测试，测试结果表明，该机的空穴率为3.2%，重播率为3.4%，生产率为26170穴/h，且价格仅为国外的一半，目前已随温室工程实现配套销售。在移栽装置方面，自主研发的穴盘苗自动移栽机（图6）主要由穴盘输送装置、移植驱动机构、夹持机构、控制机构等4部分组成。可实现苗木幼苗由密穴盘移栽到疏穴盘或营养钵中的机械化操作。委托北京市农业机械试验鉴定推广站对穴盘苗移栽机的夹持爪数、移栽频率等进行了测试，测试结果表明：该机生产率为1528 穴/h，可实现苗木幼苗由密穴盘移栽到疏穴盘或营养钵中的机械化操作，目前已在通州植物工厂内进行了示范应用。在包装方面，具有自主知识产权的盆花套袋自动包装装置（图7）可与盆花分级机（图8）相配套，在花卉分级后进行自动包装，该设备可完成自动抓取、套袋、入穴等一系列连续动作，实现盆花包装的自动化。该盆花全自动套袋包装设备制造成本仅为国同类相似设备成本的一半，经济效益显著，现已示范推广。以上3项技术均已获得发明专利。

此外，研究中心还研发了基质蒸汽消毒机、循环栽培床、鲜花潮汐灌溉栽培一体化输送系统、草莓立体栽培装置、营养液循环利用装备、智能移动喷灌机、智能施药机、采摘车等智能化装备，这些设施装备不仅提高了植物工厂内自动化水平、解放了劳动力，同时也实现高投入高产出的目的。

落户基地 产业孵化

研究中心以通州植物工厂为产业孵化器，进行研发、示范、推广。通州植物工厂主体采用单层结构，整体造型像一艘航空母舰，预示着我国现代农业先进技术扬帆起航，在产学研的方向上驶向成功的彼岸。

据周增产介绍，通州植物工厂总建筑面积为1289 m2，其内部共分为组培播种区、育（炼）苗区、生产收获区和包装储藏区（图9、图10）。目前，通州植物工厂在环境控制方面，采用集成创新Zigbee和以太网技术，实现作物生长监测实时性与环境控制精确性。植物工厂利用计算机系统对植物工厂内部多个环境因子进行检测与控制，并利用基于Zigbee植物生长检测系统可实现对温室生产环境和植物信息进行实时动态监测，运用图像处理技术和通信技术进行远距离栽培管理。利用内嵌以太网PICNIC芯片开发基于有线/无线局域网的温室环境调控系统，利用获取的温室内外环境条件的实时数据和历史数据，建立能够同时反映能耗指标和环境调控结果的能耗与环境评价模型，确立以最低能耗和适度环境控制为控制目标的温室单环境因子/多环境因子的预测型环境调控战略，实现适用于温室生产的节能预测型温室环境智能调控。在自动化装备方面，植物工厂实现了从作物播种、移栽、灌溉、施肥、收获等环节的自动化生产。研究中心的研究成果在这里得到有效地示范和推广，大大提高了植物工厂现代化和自动化水平，有效地节约了时间、人力和物力。在栽培种植方面，植物工厂内完全采用无土栽培，不仅可以防止土传病虫害的传播，同时也可以节约耕地的使用。

发展新能源是改变农村能源使用结构，减少环境污染以及促进农村社会和谐发展的重要手段。因此，通州植物工厂积极引入新能源新技术，为北京新农村的发展起到带头示范的作用。为实现低碳生产，植物工厂内部采用了地源热泵系统和太阳能发电系统等新能源。其中，浅层地源热泵技术主要应用于植物工厂内的果菜生产车间、叶菜生产车间及走廊上；太阳能光伏发电技术主要应用于植物工厂的棚顶，较好的解决了植物工厂运行费用高的难题。

目前，植物工厂内主要栽培叶菜和果菜，其中，叶菜主要为生菜，栽植在人工光栽培车间及叶菜太阳光生产车间，人工光栽培车间面积74 m2，采用全封闭结构，内部环境完全人工控制，内部布置3组4层人工光栽培架，单位面积年产量为145 kg/m2；太阳光型植物工厂叶菜生产车间面积156 m2，内部设置有21组固定式单层栽培床和1套雾培生产装置，采用水培方式进行叶菜类蔬菜生产。果菜栽培车间面积为156 m2，主要生产设施是8组槽式岩棉栽培单元，上方配有生長线及吊钩，主要进行高品质、高产量的西红柿、彩椒等茄果类蔬菜的种植。

展望未来 发展推广

中国植物工厂与欧、美、日等设施农业发达国家相比，起步较晚，建设发展速度较快。我国自20世纪以来，已在中国农业科学院、浙江丽水农业科学研究院、中国科技大学、西藏自治区农牧科学院、新疆生产建设兵团，以及山东寿光、北京通州、长春农博会、江苏无锡、江苏汤山翠谷、江苏南京江宁台创园、福建平潭、山东高清、陕西杨凌、江西宿州等地进行了植物工厂建设，其内部以水培、雾培、基质培为主，且雾培技术为我国自主创新技术，比国外的营养液水培技术更先进，营养液水培技术只能对植物进行水、肥同补，雾培技术对植物进行水、肥、气同补，植物生长更快。而且，在节能方面，无论是营养液水培、雾培技术中养分的利用率，还是水资源的利用率均已经达到较高水平。

周增产表示，虽然我国植物工厂技术发展很快，且雾培技术优于国外营养液水培技术，但相比其他植物工厂技术发达的国家，我国在植物工厂硬件及软件技术方面还有一定的差距。硬件方面，由于作物生长过程的复杂性，植物工厂内自动化装备与设施农艺的结合方面还需要进一步提升；软件方面，不同作物的生长所需要的光照、温度、湿度和营养液等都不相同，同种作物在不同时期不同环境下的生长需求也不相同，但目前在实际生产过程中，由于缺乏大量的试验数据支持，在作物栽培方面，目前国内大部分植物工厂主要基于人工经验进行内部调控，其合理性及准确性有待进一步提高。

对于植物工厂技术产业未来的发展，周增产信心十足，并提出了愿景。植物工厂应立足于自主开发和集成创新，未来将以“低碳节能技术、自动化装备技术”为重点，开展植物工厂系列化产品开发、植物工厂生产自动化装备技术、以及植物工厂低碳节能设施的研究。

在植物工厂自动化装备的研究与应用方面，应积极开展植物工厂内物流系统装备的研究，将植物工厂内果蔬产品的育苗、移栽、栽培管理、采收、运输的自动化智能化集于一体，全面提高植物工厂的空间利用率，提高果蔬产量，实现植物工厂内果蔬栽培管理的无人化、无污染、高清洁、全智能；进行省力化光源可调式立体栽培装置的研制，开发新型多层可移动式立体栽培床，通过机械设备实现栽培床的运送，实现省力化生产；尽可能减少苗床间的过道，提高设施内面积的利用率和作业效率。

在植物工厂低碳节能设施的研究与应用方面，重点开展温室生产信息管理平台的研究、与热泵系统联用的低温相变储能装置、电热相变储能装置的研究，实现植物工厂化生产设施的低碳化、节能化。

结束语

植物工厂作为技术高度密集、资源高效利用的省力型生产方式，已经在中国大部分地区得到了快速的发展，人们可以告别“面朝黄土背朝天”的耕作方式，以“过程自动化、形式立体化、资源节能化、生产工厂化、管理标准化”的模式，真正实现高产、高效、优质的目标。通过不断地科技创新，在未来将会有更多品种的植物在植物工厂中生产，会有更多的新能源、新材料、新技术在植物工厂中应用，会有更多的人才在植物工厂中工作……

科研创新是一条没有终点的道路，还需要联合一切可以联合的力量协同创新发展，让植物工厂在新经济常态下，可以更适应现代农业发展的需要，成为真正意义上的都市型生态农业。