植物工厂项目建设的价值及关键技术和创新探究

李冠男，郭奇梅，高峰，秦冬梅，张庆霞

（甘肃农业职业技术学院，甘肃兰州 730030）

植物工厂农业现代化、机械化和智能化发展的高级阶段，是目前最先进的农业栽培技术。植物工厂就是采用高精度环境控制的智能技术，给植物创造最适宜生长的人工环境。高智能植物工厂不仅能够对作物生长的温湿度、光照、二氧化碳浓度、肥料营养液等环境条件进行控制，作物的生产流程高度清晰，即播种、育苗、定植、收获、包装等分工明确，而且利用高度密集的现代装备、生物技术、营养液栽培与智能信息技术等手段，实现高精度的智能化控制，将会颠覆传统农业种植对自然条件的依赖，甚至未来在外星球进行植物栽培也成为可能。

1 植物工厂建设的价值

1.1 带来了超高的农业生产率

植物工厂的作物生长周期大大缩短，能够一年四季不间断生产，比如，生菜、小白菜等20d就能收获，比露天栽培节省了一半时间。一般作物如果以生长周期按照2个月来计算，每年最多能够收获6次，可有效解决全球食品供给问题。基于此，植物工厂技术在日本得到了快速发展，日本借鉴丹麦和荷兰的植物工厂应用经验，早在20世纪80年代，日本就曾经展览了单株13000多个果实的西红柿王。在奥地利的一家番茄工厂，仅30名员工，番茄日常产量就超过13.7t，且耗电量仅有传统生产方式的60%。植物工厂的西红柿单株产量可过千斤，水稻一年能够生产6季，黄瓜产量可提高200多倍。

1.2 推动绿色生态农业的发展

植物工厂通过配置循环营养液来满足作物生长，营养液集合了植物生长所必须的各种营养物质、矿物元素和微量元素，能够在无土栽培环境下实现快速生长。并且将作物生长完全进行数字化和智能化控制，从生长发育的每一个周期到收获日期都是确定的。植物工厂可以生产大量无公害蔬菜，其产品无污染、无残留，而且营养价值更高，更快更好而且具有经济效益地实现绿色农业。比如，使用LED补光技术生产的生菜，Vc和Va分别提高4倍和12倍。在植物工厂模式下生产的作物不仅不受到外界自然条件的限制和影响，而且不受自然病虫侵害与土壤污染。

1.3 改变了传统农业生产模式

植物工厂集合了多种高新技术，能大大节约人力，改变了传统农业靠天吃饭的生存模式，实现了农业生产的颠覆性创新，甚至能改变城乡经济发展不平衡的现状。植物工厂在荒漠、戈壁、海岛、水面、城市、建筑，甚至是外太空等不同的非耕作环境下，都能实现种植，而且大量利用清洁能源，给人类带来了源源不断的食品供给。通过立体栽培方式，能大大提升空间利用率和单位面积产能，加高栽培模组层数，比如，在中科三安植物工厂每年可进行20多次叶菜生产，单位面积产量是露天栽培的100倍以上。目前，日本等发达国家的植物工厂已经实现地下生产，可充分利用城乡地下室空间。

1.4 具有重要社会实践价值和科研意义

植物工厂不仅是重要的农产品供给基地，也是科研、旅游和商业交流的重要场所。作为目前最先进的种植模式，目前发达国家的很多植物工厂已经成为了都市人认识农业、认识自然与植物的教育窗口，很多学生来到植物工厂进行生物技术兴趣实践，很多都市人来到植物工厂进行参观休闲。植物工厂还能够按照人工研究的农艺参数为生长创造仿真最佳生长模式，为农业专家系统的研究与运用创造出最好的平台。尤其是在基因工程方面效果最为显著，可以利用植物工厂的精准控制技术最大化表达植物基因，实现目标基因最优的目的。

2 植物工厂栽培的关键技术

2.1 品种选择

引进优秀园艺作物进行植物工厂培养，品种要适应植物工厂生产栽培条件，高质高产，市场需求大。比如，日本安濃交系列西红柿品种，年产量可达55 t/1000 m2。番茄在无土栽培中，地上部烟草花叶病毒和黄化卷叶病毒等较为频繁出现。因此，在育种中要充分考虑地上部的抗病性。在低段高密度周年栽培中，根据季节变化选择品种，在长季节栽培中选择耐病性较强的品种，对于番茄来说，要选择植株节间长、冠层透光率高的品种，同时，品种还应具有单性结实的特性。

2.2 育苗技术

育苗决定了栽培的成败，采用标准化管理方式，在全封闭育苗室以立体栽培的方式进行育苗，控制内部光环境、温湿度、气流、CO2浓度等环境条件，全天候稳定运行。选择较低强度光照，节约用电成本，比如，适宜光强度在100～400μmoL/（m2·s）。采用水环式供应系统减少水肥使用量，实现精准管理和控制。

2.3 栽培技术

采用营养液无土栽培技术，进一步提高水肥利用率，在栽培种实时对植株的生长状态，比如，茎粗、叶面积、叶片数进行定期监测。栽培中对EC值、筛选营养液配方、光照条件、温度及空气湿度等相关参数进行优化，然后利用营养液自动灌溉系统灌溉，以少量高频为原则。注意作物的吸收量根据光照和温度的变化而变化，在栽培中也可以利用植株水分胁迫技术提高果实品质。

2.4 光照管理

光照管理决定了作物能否高效生产，也决定了植物工厂成本，因此，要对光环境进行精准调控。充分利用太阳能，虽然前期投入较大，但后期成本会逐渐降低。太阳光中有5%的光能够被作物利用，因此，要在红光和蓝光的基础上添加一些特殊光质成分。生产中注意不要一味提高光照强度，因为强度过高会产生光抑制现象，既浪费能源，也影响作物生长。光照利用方式上，以太阳能利用和人工光利用结合的方式，将太阳光和LED光结合。为降低能耗，采用太阳能发电技术，结合风能发电等清洁能源技术，实现节能目的。同时，利用光导技术实现光能的充分利用，不断优化光配方，提高工厂化生产水平。

2.5 环境控制技术

植物工厂对栽培空间的洁净度要求较高，采用智能化装置对营养液进行精确配置、灭菌、输送、回收，除定量、自动供应和补液外，还要实时监控营养液浓度、成分、酸碱度变化，确保作物处于最佳生长环境。地上部环境控制方面采用太阳能集热技术、热泵调温节能技术、喷雾降温技术、CO2施用技术。结合物联网等技术，全面分析作物生长状况，针对每种作物在不同发育阶段的光需量进行调节。此外，目前，机器人采收技术在本基地的应用条件还不够成熟，但逐渐在考虑引入，通过机器人采收不仅可以减少劳动力投入，还能将机器人和智能控制系统结合起来，提升智能监测水平和管理的精确性。

3 基于次生代谢的植物工厂技术创新

我国目前建设了多个大型、中型、小型、微型植物工厂，生产了大量苗木、蔬菜、水果、花卉、食用菌、粮食作物、中药等，但在技术创新上仍然有待提高。本研究针对日常栽培经验提出了一条创新建议，即在培育过程中，充分利用植物的次生代谢功能，提高作物抗逆性，让植物在艰苦的环境中培育出优良品质。虽然利用次生代谢功能培育的作物产量较低，但品质较好，因此，可以通过对植物工厂的环境控制开启作物次剩代谢的必要条件。如给植物创造逆境，对植物进行生理胁迫，根据各种作物次生代谢特点，运用智能技术加以引导，诱导共同基因，传递不同的逆境信号，调控共同的酶和功能蛋白，产生共同的代谢物质，构建高效的抗逆防御体系。其中要采用诱导胁迫方式，将营养液控制和诱导胁迫结合起来，让植物早期就具有免疫力。具体可采用营养拌种、种子抗性锻炼及作物生长时期不间断地进行略带伤害性的操作，包括间苗、铲、趟、耘、剪枝、打叉、采摘等，都是开启次生代谢的良好途径。

在生长阶段不使用农药、激素和除草剂，而是使用有益微生物菌剂进行喷施，让作物产生内源激素。同时，也可以利用智能控制系统模拟灾害天气和特殊气候，给作物施加约束条件，既能让作物更好地产生抗逆性，又能让作物病、虫、草和其它灾害到来之前开启次生代谢。抗逆性是植物与生俱来的特性，不需转基因，只需要胁迫和背养就可以提升农作物品质。次生代谢功能和全营养液材料完美匹配，是生态农业的首选，结合植物的化感作用能够有效抑制病虫害，比如，使用EDTA和植物氨基酸液肥能够控制作物的生理性病害和土传病害。

4 结语

植物工厂是未来农业的发展方向，描绘了人类未来农业生产形态。当前已经从传统光生物产业发展到智慧控制阶段，不仅能够节约人力劳动，提高产量，而且还能够控制作物生长形态。因此，在未来研究中，要结合基地试验成功经验，改进植物工厂家庭化技术，学习发达国家都市农业、家庭园艺生产和前店后场等模式，不断创新，提升工厂化水平。