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　　引言

　　植物工廠為現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級(jí)階段，是一種高投入、高技術(shù)、精裝備的生產(chǎn)體系，集生物技術(shù)、工程技術(shù)和管理技術(shù)于一體，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從自然生態(tài)束縛中脫離出來(lái),按計(jì)劃周年性進(jìn)行植物產(chǎn)品生產(chǎn)的工廠化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，代表著未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

　　1 植物工廠機(jī)械與自動(dòng)化

　　植物工廠機(jī)械，是指適合植物工廠耕作、栽培、收獲等農(nóng)藝特點(diǎn)，并在各類設(shè)施中工作的農(nóng)業(yè)機(jī)械。國(guó)外植物工廠作物栽培己具備了成熟成套的技術(shù)，植物工廠機(jī)械及作業(yè)設(shè)備也齊全，生產(chǎn)比較規(guī)范，產(chǎn)量穩(wěn)定，質(zhì)量保證性強(qiáng)，并在向高層次、高科技和自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，已形成全新的技術(shù)體系。

　　近幾年來(lái)，我國(guó)植物工廠得到快速推進(jìn)。從單一品類向多品類轉(zhuǎn)變、從小型向中大型甚至特大型轉(zhuǎn)變、從人工光型向日光型甚至露天型多型并存轉(zhuǎn)變、從試驗(yàn)研究階段向示范應(yīng)用甚至商業(yè)化產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段轉(zhuǎn)變、從人工氣候模擬型向計(jì)算機(jī)智能控制型轉(zhuǎn)變、從單一技術(shù)向集成技術(shù)轉(zhuǎn)變，水平得到快速提升。

　　1.1研究意義

　　植物工廠技術(shù)的突破將會(huì)解決人類發(fā)展面臨的諸多瓶頸，甚至可以實(shí)現(xiàn)在荒漠、戈壁、海島、水面等非可耕地，以及在城市的摩天大樓里進(jìn)行正常生產(chǎn)。利用取之不盡的太陽(yáng)能和其它各種清潔能源，加上一定的種子、水源和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，就可源源不斷地為人類生產(chǎn)所需要的農(nóng)產(chǎn)品。因此被認(rèn)為是21世紀(jì)解決糧食安全、人口、資源、環(huán)境問題的重要途徑，也是未來(lái)航天工程、月球和其他星球探索過程中實(shí)現(xiàn)食物自給的重要手段。

　　1.2優(yōu)越性

　　(1)作物生產(chǎn)的計(jì)劃性，周年生產(chǎn)的均衡性，產(chǎn)量和品質(zhì)的穩(wěn)定性;

　　(2)作物生長(zhǎng)周期短，設(shè)施利用率高，單位面積產(chǎn)量高，產(chǎn)值高;

　　(3)機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，用工少，工作環(huán)境輕松;

　　(4)不施農(nóng)藥，產(chǎn)品無(wú)污染;

　　(5)多層式，立體栽培，大大節(jié)省土地;

　　(6)不受地理、氣候等自然條件的影響，甚至可在極端氣候區(qū)、外層空間及其它星球上進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn);

　　(7)與現(xiàn)代生物技術(shù)緊密結(jié)合，可以生產(chǎn)出稀有、價(jià)高、富含營(yíng)養(yǎng)的植物產(chǎn)品。

　　2歷史與發(fā)展

　　2.1植物工廠

　　1957年世界上第一家植物工廠 誕生在丹麥，1974年日本等國(guó)也逐步發(fā)展起來(lái)。美國(guó)猶他州立大學(xué)試驗(yàn)用植物工廠種植小麥，全生育期不到2月，一年可收獲4-5次。

　　2.2植物工廠發(fā)展的三個(gè)階段

　　(1)試驗(yàn)階段(20世紀(jì)40年代至60年代末)

　　①建設(shè)規(guī)模小，除個(gè)別規(guī)模較大之外一般僅為幾十平米到幾百平米;

　?、诜秶?，主要局限在實(shí)驗(yàn)室內(nèi);

　?、墼囼?yàn)作物品種單一，以芹菜和沙拉生菜為主;

　?、芏嗍侨斯す饫眯停捎萌斯夂蚴疫M(jìn)行控制，運(yùn)行成本較高。

　　(2)示范應(yīng)用階段(20世紀(jì)70年代至80年代中期)

　?、賾?yīng)用范圍較大;

　?、跔I(yíng)養(yǎng)液配方技術(shù)日臻成熟，自動(dòng)化控制系統(tǒng)逐漸完善;

　?、坶_發(fā)的力度加大，示范效果明顯。

　　(3)快速發(fā)展階段(20世紀(jì)80年代中期至今)

　　①發(fā)展速度快;

　?、谏婕暗降男袠I(yè)廣泛，規(guī)模不斷擴(kuò)大;

　?、蹏?guó)際學(xué)術(shù)活動(dòng)頻繁;

　　④高科技成果應(yīng)用多?！?/p>

植物工廠各發(fā)展階段及代表性企業(yè) 

　　日本植物工廠

　　3分類與特征

　　3.1植物工廠的分類

　　3.1.1從建設(shè)規(guī)模上來(lái)分可分為大型(1000m以上)、中型(300～1000m)和小型(300m以下)三種。

　　3.1.2從生產(chǎn)功能上來(lái)分可分為植物種苗工廠和商品菜、果、花植物工廠，還有一部分大田作物、食用菌等。

　　3.1.3從其研究對(duì)象的層次上又可分為以研究植物體為主的狹義的植物工廠、以研究植物組織為主的組培植物工廠、以研究植物細(xì)胞為主的細(xì)胞培養(yǎng)植物工廠。

　　3.1.4按光能的利用方式不同來(lái)劃分，共有三種類型，即太陽(yáng)光利用型(簡(jiǎn)稱太型)、人工光利用型或者叫完全控制性(簡(jiǎn)稱完型)、太陽(yáng)光和人工光并用型(綜合型)。

　　3.1.5人工光利用型被視為狹義的植物工廠，稱為密閉式植物工廠或者叫完全控制性(簡(jiǎn)稱完型)，它是植物工廠發(fā)展的高級(jí)階段。廣義上來(lái)說(shuō)，植物工廠由分為溫室型半天候的植物工廠和封閉式全天候的植物工廠，包含了豆芽菜、蘑菇、蘿卜纓等的生產(chǎn)工廠;半自動(dòng)控制的溫室水耕系統(tǒng);種苗繁育系統(tǒng)或人工種子生產(chǎn)系統(tǒng)。但目前，比較習(xí)慣的分類方法是按照植物生長(zhǎng)中最重要的條件之一光能來(lái)分類的。

　　3.1.6植物工廠LED燈照明長(zhǎng)

　　“完全不用陽(yáng)光”，在每個(gè)栽培架上，都裝有一塊燈板。不同的是左側(cè)是LED(發(fā)光二極管)燈，右側(cè)是熒光燈。兩種燈光都能滿足植物生長(zhǎng)的需要，只是LED比熒光燈更加節(jié)能。

　　LED燈板以紅燈為主，中間按一定距離均勻分布著藍(lán)燈，比例大概為8∶1到9∶1，太陽(yáng)光對(duì)于植物而言是全波段的，紅光、藍(lán)光、紫外線、紅外線等都包括，但實(shí)驗(yàn)顯示，植物吸收的光線波段主要是紅光和藍(lán)光，比例超過60%。因此將紅光和藍(lán)光按照一定配比制成光源，就能滿足植物生長(zhǎng)需求。

　　3.2植物工廠主要特征

　　3.2.1植物工廠的共同特征是：有固定的設(shè)施;利用計(jì)算機(jī)和多種傳感裝置實(shí)行自動(dòng)化、半自動(dòng)化對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間和CO?濃度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控;采用營(yíng)養(yǎng)液栽培技術(shù);產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量大幅度提高。

　　3.2.2植物工廠收獲快速

　　通過對(duì)工廠內(nèi)環(huán)境的高精度控制，植物的生長(zhǎng)在這里幾乎不受自然條件的制約，生長(zhǎng)周期加快?，F(xiàn)在工廠內(nèi)種植的生菜、小白菜等，20天左右就能收獲，而在普通的大田里，則需要一個(gè)月到40天的時(shí)間。除了收獲快，空間利用率高也是植物工廠的重要特點(diǎn)。在工廠內(nèi)看到的都是三層的栽培架，從面積上就相當(dāng)于同樣大小露天耕地的三倍，加上其種植密度大，因此，植物工廠的產(chǎn)量可以達(dá)到常規(guī)栽培的幾十甚至上百倍。菜種植之外，植物工廠在育苗上也有應(yīng)用。在黃瓜和番茄的育苗方面都做了實(shí)驗(yàn)。相比蔬菜生產(chǎn)，育苗的周期更短，一般為一周左右。雖然常規(guī)栽培的周期也不是很長(zhǎng)，但在育苗的整齊和健壯度上不如工廠的產(chǎn)品。畢竟大田的不可控因素太多，今天光照也許很好，但明天可能陰天，后天有可能降溫，而這些在工廠里都可以得到控制。

　　3.2.3植物工廠營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)

　　不靠太陽(yáng)不用土，這是營(yíng)養(yǎng)液在循環(huán)，用來(lái)固定植株的塑料泡沫板掀起，原來(lái)植物的根系根本不是生長(zhǎng)在土壤里，而是完全浸泡在營(yíng)養(yǎng)液中，土壤的作用是提供營(yíng)養(yǎng)元素和水分，而營(yíng)養(yǎng)液除了提供水分，也供了植物生長(zhǎng)所需的各種元素，包括氮磷鉀等大量元素及鋅鐵錳等微量元素，因此沒有必要使用土壤栽培。無(wú)土栽培的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，而且水栽比土栽的生長(zhǎng)周期要快很多，也是使用水栽的重要原因。墻上顯示器上有營(yíng)養(yǎng)液監(jiān)控的數(shù)據(jù)，那是對(duì)營(yíng)養(yǎng)液溫度控制的參數(shù)。在寒冷的天氣中，系統(tǒng)會(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行加熱，如果溫度很低，會(huì)對(duì)植物的根系造成傷害。

國(guó)外植物工廠發(fā)展?fàn)顩r 

　　美國(guó)LED植物工廠 　　

　　韓國(guó)太陽(yáng)能植物工廠

　　國(guó)外植物工廠

　　5相關(guān)農(nóng)機(jī)與自動(dòng)化

　　大粒種子精密定向播種技術(shù)、基于檢測(cè)與調(diào)控技術(shù)的育苗技術(shù)、自動(dòng)供苗技術(shù)、瓜科幼苗的外形尺寸與變形的應(yīng)對(duì)技術(shù)、茄科幼苗抓取切苗技術(shù)、瓜茄幼苗通用抓取與切苗技術(shù)、連續(xù)自動(dòng)供夾技術(shù)、嫁接苗自動(dòng)栽植技術(shù)、嫁接苗自動(dòng)管理技術(shù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了嫁接生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、智能化。 

　　6中國(guó)制造

　　我國(guó)政府提出”四化同步”、“工業(yè)反哺農(nóng)業(yè)”，連續(xù)多年把農(nóng)業(yè)列為“重中之中”，不

　　斷加大對(duì)農(nóng)業(yè)的投入，尤其對(duì)高科技農(nóng)業(yè)加大投入和扶持。并在2013年正式把植物工廠列入國(guó)家863科技發(fā)展計(jì)劃”。

　　由于植物工廠技術(shù)不斷完善和提高，微型化迷你型植物工廠已應(yīng)用人們生活各種環(huán)境，光仙子歺廳、咖啡館、酒店植物工廠，辦公室、居室植物工廠、廚房植物工廠實(shí)現(xiàn)了蔬菜從生產(chǎn)到舌尖零距離。微型植物工廠無(wú)處不在。

　　恒大集團(tuán)準(zhǔn)備投資超過1000億打造中國(guó)民族品牌，現(xiàn)已投資近70億建設(shè)和并購(gòu)了22個(gè)生產(chǎn)基地。以此提升中國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和盈利水平，開創(chuàng)全球產(chǎn)業(yè)新格局。

　　東苑、廣州、香港、浙江勿忘農(nóng)等多家財(cái)團(tuán)紛紛投巨資建設(shè)植物工廠。截止目前我國(guó)已建植物工廠達(dá)80多家。

　　據(jù)日本株式會(huì)社專家預(yù)計(jì):中國(guó)植物工廠未來(lái)有望達(dá)到日本植物工廠10倍以上的規(guī)模。

中國(guó)（部分）植物工廠發(fā)展?fàn)顩r

　　7總結(jié)與討論

　　植物工廠作為新型的農(nóng)業(yè)形式，具有良好的發(fā)展前景、空間及潛力，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，具有更高的效益和更強(qiáng)的可控性。它是脫離“經(jīng)驗(yàn)”的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的新型“科學(xué)”農(nóng)業(yè)，是不受任何約束，為求利益*化的。具有工業(yè)化，栽培方式定量化，數(shù)值化得特點(diǎn)。如今，植物工廠被稱為“農(nóng)業(yè)的第四選擇”。

　　盡管植物工廠在產(chǎn)量和效率方面優(yōu)點(diǎn)突出，但存在的問題也同樣明顯，那就是高昂的成本，在一定程度上影響了它的推廣。一個(gè)一般規(guī)模的植物工廠，建成需要十幾萬(wàn)元的投入，后期的運(yùn)行和維護(hù)也是一筆花銷，因此如何降低成本是下一步所要面對(duì)的問題。

　　通過論述植物工廠的概念技術(shù)及其衍生產(chǎn)品，對(duì)其有了一定的認(rèn)識(shí)和了解，隨著研究的深入，越來(lái)越多的科學(xué)技術(shù)被運(yùn)用于植物工廠，使其技術(shù)和管理越來(lái)越完善，同時(shí)也帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益，可以預(yù)見，植物工廠可能成為未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流方向。

　　更多高產(chǎn)、高抗、高質(zhì)的蔬菜、花卉、香草、藥材、苗木、糧食作物、珍稀植物、瀕危植物等植物在植物工廠中生產(chǎn);更多個(gè)人、企業(yè)、財(cái)團(tuán)投入到植物工廠中來(lái)、形成資金聚集、人才集中、技術(shù)集成、建設(shè)更多更大的植物工廠;更多新能源、新材料、新裝備在植物工廠中使用，使植物工廠成本更低、品質(zhì)更好、效益更高;植物工廠將更加集約化、產(chǎn)業(yè)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化。我國(guó)植物工廠已經(jīng)迎來(lái)*發(fā)展機(jī)遇期。