智能化植物工厂的发展现状与展望

任如冰 聂茹霞 陈小文 刘鲁江 张天柱

摘要：近些年，随着现代农业科技的不断探索，智能化植物工厂产业取得快速发展，在材料、装置和技术方面都取得了快速进步。在介绍植物工厂的发展历史、主要类型、特点及优势的基础上，着重分析了植物工厂的国家分布、技术与产业发展现状，并指出存在问题及发展对策，最后对未来植物工厂的发展前景进行了展望。

关键词：植物工厂;主要类型;发展现状;展望

1植物工厂概述

1.1定义

是指通过计算机对设施内作物生产过程中的温度、湿度、光照、水肥等生产要素进行自动控制，使植物不受或很少受自然条件的影响，而实现作物周年生产的高效生产方式。

1.2主要类型及特点

按照光源来源分为人工光型植物工厂、太阳光型植物工厂、太阳光与人工光并用型植物工厂。

1.2.1人工光型植物工厂。是指完全使用人工光源进行植物生产的设施。具有建筑结构为全封闭式;只利用人工光源，光源特性好;采用营养液水耕栽培方式;实现无污染生产;对环境参数可进行精密控制;设施、装备成本高，能源消耗大等特点。

1.2.2太阳光型植物工厂。是指利用太阳光（不补光）进行植物生产的温室设施。具有建筑结构为半封闭式;光源为自然光;配备多种环境因子的监测和调控设备;采用营养液水耕栽培与基质栽培;主要生产叶菜类和茄果类蔬菜等特点。

1.2.3太阳光与人工光并用型植物工厂。是指利用太阳光与人工光并用型进行植物生产的温室设施。具有建筑结构为半封闭式;光源为自然光与人工光源;用电较少;受气候影响较小，作物生产较稳定;实用性强，有利于推广应用等特点。

1.3植物工厂发展历史

植物工厂的发展大概分为3个阶段：第1个阶段为20世纪40年代至60年代末的试验阶段，以丹麦约克里斯顿植物工厂（1957年，1000m²）、奥地利卢斯那植物工厂（1963年，216m²）等为代表。具有规模小、采用人工气候室进行控制、运行成本较高等特点。第2个阶段为20世纪70年代至80年代中期的示范应用阶段，以美国波里达卡植物工厂（1980年，3000m²）;日本日立公司中央研究所植物工厂（1985年，660m²）等为代表。具有应用范围广、技术开发力度大、示范效果明显等特点。第3个阶段为20世纪80年代中期至今的快速发展阶段，以瑞典爱伯森植物工厂（20世纪80年代中期，6100m²）;日本神内一21植物工厂（2001年，3000m²）等为代表。具有技术发展快、规模扩大、多行业融合、高科技成果得到充分应用等特点。

1.4植物工厂的优势

近年来，随着世界环境、资源等问题日渐突出，植物工厂的发展优势逐渐显现，表现为：作物生产周期性强，可达到周年生产;不施农药，产品安全无污染;多层立体栽培，资源（土地、水肥、空间等）利用率高;作物生长周期短，单位面积产量高;机械化、自动化程度高，劳动强度低;不受或很少受地理、自然环境的影响，甚至可在极端气候区、外层空间等地区进行农业生产等。

2植物工厂发展现状

2.1国家分布

目前，植物工厂的发展以日本、荷兰、中国最具代表性。其中，日本在人工光型植物工厂方面研发与产业化较决，居领先水平;目前在运营的250余座人工光型植物工厂中，仅有20%处于亏损阶段，其余80%保持持平及盈利阶段;涉及植物种类有生菜、药草、种苗等。荷兰在太阳光及其与人工光并用型植物工厂技术领域是真正的世界领先，最高产量高达90kg/m²。中国是植物工厂研发与产业化最活跃的国家，通过引进消化、自主研发创新、应用推广3个阶段，各类型植物工厂正在快速、均衡发展。

2.2技術发展现状

2.2.1栽培形式与栽培技术。目前，平面多层立体栽培、多面体立体栽培、幕墙式立体栽培、圆柱形立体栽培等栽培形式与之配套的营养液水培、基质培、潮溪培、雾培等栽培技术，因为其作物生产效率高，水肥、空间、土地等利用率高等优势在各国植物工厂被广泛应用。

2.2.2人工光照明技术。LED光源因为其节能、环保、寿命长;光强、光质和光周期可控性强;冷光源，可贴近植物照射，空间利用率高;可按植物生长发育需求调制光谱等优势被广泛应用。目前在人工光型植物工厂中被开发应用的有面板灯、条灯、灯管、灯带等。同时，行间冠层补光灯、花期灯、条灯等多款LED补光灯在太阳光型植物工厂中也被开发应用。

2.2.3智能环境控制及自动化管控技术。智能环境控制及自动化管控技术是通过控制设施内温度、光照、C02浓度、营养液供给等多种生产要素，而达到节能高效，优质高产的目的。智能环境控制及自动化管控技术难度较大，需要和其他环境要素统筹控制，是今后研究开发的重点。

2.3产业发展现状

近年来，我国植物工厂产业蓬勃发展。但是，植物工厂规模偏小;生产植物单一;智能环境控制技术装备水平参差不齐;且示范、展示性植物工厂居多，达到商业化运行的植物工厂较少，亟待大力推进。

3存在问题与发展对策

3.1存在问题

植物工厂是未来设施园艺发展的趋势，发展前景广阔。但不可否认，当前植物工厂的发展面临诸多问题。①投入成本高，主要包括人工光源、营养液设备和智能环境调控、监控系统等投入，而这些设备等成本比较高;②运行成本较高，能耗较大，其中电能消耗巨大;③栽培作物种类较少，主要以叶菜为主;④植物工厂智能化程度低，高成本，低产出;⑤自动化程度低，育苗、移栽、定植、收获等人工成本高;⑥商业化模式日渐成熟，但赢利点需要探索。

3.2发展对策

针对植物工厂产业面临的问题，需要从技术、运营等多方面开展研究。针对当前存在的问题，应对措施如下：（1）加强植物工厂自动化、智能化技术的研究，提升集约化、精细化的管理水平。自动化、智能化水平的提升，有助于实现植物工厂集约化、精细化管理，可大幅度缩减劳动成本，节约劳动力。（2）开发集约高效的植物工厂技术装备，实现周年优质高产。开发高效的栽培设施装备、节能的照明技术装备、智能的环控装备等，提升植物工厂智能化水平，有利于实现周年高效生产。（3）开展药用植物、保健植物、珍稀特蔬菜等高附加值植物工厂化栽培技术研究，增加植物工厂栽培作物种类，拓宽盈利渠道，提高盈利起点。（4）开展家用型、商用型等植物工厂研究，丰富植物工厂类型，实现多种功能持续盈利。

4发展前景与展望

政府和企业更加重视。政府层面：植物工厂资源高效利用关键技术被列为农业部“十三五”农业科技发展规划中;植物工厂项目被列入中科院“十三五”重点培育方向;植物工厂项目也列入了福建省重点支持项目。企业方面：不仅是科研界，电子、医疗、能源、材料、房地产等产业界和企业也大量投资研究开发植物工厂技术。植物工厂研发类型多样，应用范围广阔，符合多元的市场需求。植物工厂发展的技术储备已经成熟，产业雏形已经形成，将很快进入商业化快速发展期。

（收稿：2019—11—08）