封閉型LED植物工廠的設(shè)施分類及技術(shù)比較

　　經(jīng)過多年探索和發(fā)展，我國(guó)封閉型植物工廠無論在材料、裝置和技術(shù)都取得了快速進(jìn)步，生產(chǎn)產(chǎn)量成數(shù)倍增長(zhǎng)。隨著植物工廠技術(shù)不斷完善和提高，甚至有微型化、迷你型植物工廠已應(yīng)用于人們生活的各種環(huán)境，植物工廠已無處不在。

　　1、封閉型植物工廠設(shè)施分類

　　1.1 閑置的廠房和地下室

　　當(dāng)前，幾乎每個(gè)地方都出現(xiàn)了閑置的房屋、廠房、停車場(chǎng)和地下室， 植物工廠是利用這些閑置資源并創(chuàng)造更高價(jià)值的最佳選擇。把這些閑置地資源改造成封閉型植物工廠，進(jìn)行高產(chǎn)量、高品質(zhì)、高效益植物生產(chǎn)，既盤活了閑置資源又降低了成本，并且創(chuàng)造出很高的價(jià)值，可謂一舉多得。

　　1.2 廢舊的集裝箱

　　我國(guó)每年都有大量集裝箱淘汰棄用，把這些廢舊的集裝箱改造成人工光封閉型植物工廠，也是提高資源利用率的新舉措。集裝箱有各種不同規(guī)格，長(zhǎng)度一般5～12 m，高和寬相差無幾，一般都在2～3 m。利用廢舊集裝箱改建的人工光封閉型植物工廠，具有密封性好、安全度高、景觀性、整體性、結(jié)構(gòu)性好，溫度便于控制、移動(dòng)方便、使用期長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。單箱可以成為獨(dú)立的植物工廠，多個(gè)也可以組成大型植物工廠，多個(gè)疊加可以形成高樓式植物工廠。

　　1.3 泡沫板房

　　用泡沫夾心板為材料建設(shè)的人工光型植物工廠，具有材質(zhì)輕、成本低、工期短、封閉性好等優(yōu)點(diǎn)，還能做到大、小、高、低任意自如，便于內(nèi)部設(shè)施的建設(shè)規(guī)劃，廣泛受到植物工廠建設(shè)者青睞。

　　1.4 充氣膜

　　充氣膜是一種在以高分子材料(高強(qiáng)度碳纖維和氣凝膠制成的薄膜制品) 充入空氣后而形成的全封閉性結(jié)構(gòu)空間。在這樣結(jié)構(gòu)空間中建設(shè)的高層次立體植物栽培系統(tǒng)，就叫充氣膜封閉型植物工廠。這種充氣膜是膜輕型空間結(jié)構(gòu)的重要分支，具有多種豐富多彩的造型，可建成占地面積20 hm2 以上、高度達(dá)40 m以上的巨型充氣膜溫室，具有優(yōu)異的建筑特性、結(jié)構(gòu)特性和適宜的經(jīng)濟(jì)性。充氣膜結(jié)構(gòu)是一個(gè)相對(duì)密閉的空間結(jié)構(gòu)，有別于傳統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)，它通過風(fēng)機(jī)向結(jié)構(gòu)內(nèi)部鼓風(fēng)送氣，使膜結(jié)構(gòu)內(nèi)外保持一定的壓力差，以保證膜結(jié)構(gòu)體系的剛度和維持所設(shè)計(jì)的形狀。

　　充氣膜具有豐富多彩的造型，充氣屋是將充氣膜設(shè)計(jì)成屋的形狀。這種充氣屋的材料是高強(qiáng)度碳纖維、氣凝膠膜和空氣，外面以太陽能為能源，內(nèi)部是信息智能化和植物工廠系統(tǒng)設(shè)施，中間是空氣。這樣的充氣屋封閉型植物工廠，具有成本低、密封性強(qiáng)、整體性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

　　1.5 太空氣密膜

　　多年來，前蘇聯(lián)在“禮炮”號(hào)和“和平”號(hào)空間站，多次進(jìn)行了植物栽培和糧食作物生產(chǎn)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)，從培植小球藻等藻類實(shí)驗(yàn)到各種花卉、蔬菜和糧食作物，讓這些植物在太空經(jīng)歷了從播種到收獲的全過程，且已取得了突破性進(jìn)展;在“和平”號(hào)空間站上已經(jīng)培育了上百種植物，并成功地種植了小麥等糧食作物。

　　我國(guó)在全封閉的“天宮一號(hào)” 中實(shí)驗(yàn)種植植物也獲得成功。我國(guó)科學(xué)家張懋取得了“太空魔方充氣居住屋”發(fā)明專利，這個(gè)太空小屋墻面殼體由1層或多層類似于太空服材料的高強(qiáng)度氣密膜組成;氣密膜有不透明或透明兩種，可以使多個(gè)小屋彼此被牢固地連接，并保持全封閉氣密狀態(tài)，其充滿氮?dú)?，與金屬性太空飛行器相比，具有重量輕、成本低、安全性高、抗溫性好、抗壓性強(qiáng)等特點(diǎn)，是未來開發(fā)利用太空資源、建設(shè)太空植物工廠、成為生命保障系統(tǒng)的重要器材和設(shè)施。

　　2、封閉型植物工廠栽培形式的選擇

　　封閉型植物工廠可分為平面多層立體栽培、多面體立體栽培、垂掛式立體栽培、幕墻式立體栽培、圓柱形立體栽培等多種形式。

　　2.1 平面多層立體栽培

　　目前，國(guó)際上以色列、美國(guó)、日本等多個(gè)國(guó)家包括中國(guó)在內(nèi)的絕大多數(shù)封閉型植物工廠普遍采用平面多層立體栽培。這種栽培形式在舊廠房、空置房、地下室等非農(nóng)業(yè)用地場(chǎng)所植物工廠中得到了普遍使用。

　　在集裝箱類封閉型植物工廠內(nèi)，只能設(shè)計(jì)兩排栽培架，由于受到高度和空間的制約，栽培形式只能是3～4 層，這是因?yàn)槠矫娑鄬恿Ⅲw栽培形式只能采用營(yíng)養(yǎng)液水培技術(shù)，每層都需有營(yíng)養(yǎng)池、栽培板、LED 補(bǔ)光燈和蔬菜類植物以及栽培架所占的空間，一般每層都在65～70 cm，從而使得能夠擴(kuò)大的栽培面積空間有限，導(dǎo)致產(chǎn)量和效益只能在一定范圍內(nèi)提高。

　　在其他類封閉型植物工廠中，根據(jù)其設(shè)施的高度和空間，平面多層可以向空間延伸更多層，到目前為止，我國(guó)浙江大學(xué)封閉型植物工廠已達(dá)到10 層，世界上最大的2300 m2的LED 人工光日本植物工廠已提高到15 層，產(chǎn)量和效益得到更大提高。

　　2.2 多面體立體栽培

　　多面體立體栽培形式是我國(guó)自主創(chuàng)新的栽培形式，同樣在空置房、廠房、地下室和集中箱等封閉型植物工廠里生產(chǎn)，與平面多層相比， 其效果具有明顯優(yōu)勢(shì)。

　　以集裝箱封閉型植物工廠為例，可以設(shè)置兩組栽培床，每組栽培床的兩面都可以栽培植物，兩組栽培床共有4個(gè)植物栽培面，這種多面體立體栽培床形式可采用霧培技術(shù)代替營(yíng)養(yǎng)液水培技術(shù)，每組栽培床只有1個(gè)營(yíng)養(yǎng)池，LED燈可以配置在集裝箱左右兩壁和中間過道上，從而使光照、水、肥、空間利用率更高，由于實(shí)現(xiàn)了水、肥、氣同補(bǔ)，使植物生長(zhǎng)更快、成本更低、重量更輕，而產(chǎn)量提高了好多倍，如果在封閉型充氣膜植物工廠中采用多面體栽培形式生產(chǎn)植物，立體空間更大，產(chǎn)量和效益將最大化。

　　2.3 幕墻式立體栽培

　　幕墻式立體栽培是利用在封閉型植物工廠的墻壁或人工設(shè)計(jì)建設(shè)的幕墻上栽培植物。以集裝箱型植物工廠為例，在集裝箱四周箱壁上設(shè)置栽培床，采用潮溪培技術(shù)在栽培床上栽培植物，栽培床下設(shè)營(yíng)養(yǎng)池，集裝箱內(nèi)頂部安裝LED 補(bǔ)光燈，相比于平面多層立體栽培，這種的光照利用更充分、布局更合理、操作更方便、栽培面更大、產(chǎn)量更高。如果在封閉型充氣膜植物工廠中，設(shè)置更多、更高、更寬的植物幕墻栽培植物，產(chǎn)量、效益更高。

　　2.4 垂掛式立體栽培

　　把植物栽培床垂掛在封閉型植物工廠的頂部，然后在垂掛的栽培床上播種、灌溉、施肥、植保從事農(nóng)耕，這既是一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，更是一種生存藝術(shù)。在任何封閉型植物工廠中，實(shí)現(xiàn)垂掛式立體栽培從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不僅可擴(kuò)大面積、提高產(chǎn)量、增加效益，而且還可降低成本、提高資源利用率，既生態(tài)環(huán)保，又便于可持續(xù)生產(chǎn);不僅操作方便， 而且可增強(qiáng)生活體驗(yàn)。

　　2.5 圓柱形立體栽培

　　把植物定植在圓柱體表面，立體栽培面積更大，采用霧培技術(shù)，植物生長(zhǎng)更快。不過在封閉型集裝箱型植物工廠中，由于環(huán)境空間太小，不宜使用圓柱形立體栽培裝置。但在其他類封閉型尤其是在充氣膜和氣密膜封閉型植物工廠中采用圓柱形立體栽培，其優(yōu)越性將得到更加超長(zhǎng)的發(fā)揮。

　　3、封閉型植物工廠栽培技術(shù)的選擇與比較

　　3.1 栽培形式與栽培技術(shù)

　　封閉型植物工廠栽培技術(shù)可分為基質(zhì)培、營(yíng)養(yǎng)液水培、潮溪培和霧培多種，這些栽培技術(shù)可以單獨(dú)使用，也可以并用，但必須以達(dá)到高產(chǎn)量、高品質(zhì)為目的。栽培技術(shù)的選擇是由栽培形式?jīng)Q定的，一般來講， 一旦栽培形式確定之后，栽培技術(shù)也就確定了。先進(jìn)的栽培形式和與之相匹配的栽培技術(shù)， 決定了封閉型植物工廠的產(chǎn)量、品質(zhì)和特點(diǎn)。

　　3.2 主要栽培形式和栽培技術(shù)的比較

　　以40HQ型集裝箱封閉型植物工廠為例，國(guó)內(nèi)大多數(shù)植物工廠都采用日本平面多層立體栽培形式與之相配套的營(yíng)養(yǎng)液水培技術(shù)。40HQ型集裝箱長(zhǎng)12 m、寬2.35 m、高2.39 m，空間面積為67.398 m2。

　　采用平面多層立體栽培的，中間過道兩邊栽培區(qū)可各設(shè)1 排長(zhǎng)12 m 栽培架，架上可設(shè)3 層寬60 cm 的栽培床，這樣整個(gè)40HQ 型集裝箱空間實(shí)際可栽面積為43 m2，如果每平米可栽12 株菜，每批可栽518 株，全年10 批共可栽5 180 株。

　　采用多面體立體栽培的，中間過道兩邊栽培區(qū)可各建1 個(gè)栽培床，栽培床每面長(zhǎng)12 m、寬2 m，每床單面可栽面積為24 m2，這樣共可建4 個(gè)栽培面積，即實(shí)際栽培面積為96 m2，全年可栽蔬菜11 520 株。

　　這樣，在同一個(gè)集裝箱內(nèi)栽培蔬菜，同一面積栽相同的數(shù)量，由于采用的兩種栽培形式不同，相應(yīng)地也會(huì)出現(xiàn)兩種結(jié)果，相比平面多層立體栽培，多面體立體栽培的實(shí)際栽培面積和栽培數(shù)量均擴(kuò)大了2.2倍。另外由于平面多層立體栽培形式采用營(yíng)養(yǎng)液水培技術(shù)，而多面體立體栽培采用的是霧培技術(shù)，多面體立體栽培的優(yōu)勢(shì)還表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　(1)營(yíng)養(yǎng)液水培技術(shù)對(duì)植物只能實(shí)現(xiàn)水、肥同補(bǔ)，霧培技術(shù)對(duì)植物真正實(shí)現(xiàn)了水、肥、氣同補(bǔ)，從而使植物生長(zhǎng)更快，這是任何一種栽培技術(shù)所不能比擬的;

　　(2)在水、肥資源利用率方面，霧培技術(shù)實(shí)現(xiàn)了循環(huán)利用，是營(yíng)養(yǎng)液水培技術(shù)用水量的1/10，營(yíng)養(yǎng)液水培技術(shù)中肥的利用率為60%～70%， 而霧培技術(shù)中肥的利用率達(dá)到95%以上，真正實(shí)現(xiàn)了零污染、零排放;

　　(3)營(yíng)養(yǎng)液水培技術(shù)在高溫季節(jié)里，一旦營(yíng)養(yǎng)液溫度達(dá)到35℃以上時(shí)，植物就會(huì)停止生長(zhǎng)甚至萎蔫死亡，在低溫季節(jié)里，一旦溫度低于下限值0℃時(shí)，大部分植物都會(huì)停止生長(zhǎng)甚至遭受凍害，而霧培技術(shù)在同樣的條件下，采用溫控措施的成本都要低很多。

　　立體栽培形式有很多，所采用的栽培技術(shù)也有多種選擇。在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，要根據(jù)不同的植物品種選擇不同的栽培形式和與之相適宜的栽培技術(shù)，綜合考量產(chǎn)量、生態(tài)、成本、景觀、品質(zhì)、操作性等多種因素，科學(xué)選擇，以求最佳。