一文詳解LED植物工廠的過去、現(xiàn)在及未來

　　近十多年來，得益于藍光LED的出現(xiàn)與紅藍LED組合光源的研制成功，以及基于網(wǎng)絡(luò)的智能控制技術(shù)的應(yīng)用，植物工廠人工光源能耗得到顯著降低，栽培層間距進一步縮短，能效比大幅度提升。與此同時，傳感器、智能控制器以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也為植物工廠智能化管控提供了可能。

　　我們可以看到，在這一時期內(nèi)，全國多個國家加快了對植物工廠的研發(fā)力度與產(chǎn)業(yè)化步伐。例如，自2009年開始，日本就提出大力發(fā)展植物工廠、振興現(xiàn)代農(nóng)業(yè)計劃。同年，韓國政府也開始支持科研機構(gòu)與企業(yè)共同進行人工光植物工廠的研發(fā)。美國則一方面通過植物工廠的研究為空間站和星球探索提供食物保障，另一方面提出了“摩天大樓農(nóng)業(yè)”的構(gòu)想，欲從空間上突破資源瓶頸……

　　同樣在2009年，中國農(nóng)科院環(huán)發(fā)所植物工廠的研發(fā)團隊就與北京中環(huán)易達設(shè)施園藝科技有限公司就研發(fā)出了國內(nèi)第一例智能型植物工廠。目前，該技術(shù)成果已推廣到北京、上海、山東等20多個省區(qū)市。

　　事實上，中國從上世紀90年代已開始植物工廠研發(fā)工作，2002年成功研發(fā)自然光植物工廠，2005年研制出LED植物工廠實驗系統(tǒng)，并在2010年上海世博會首次展出家庭LED植物工廠。2013年國家正式將“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究”項目列入“863”計劃，目前擁有不同規(guī)模的人工光植物工廠約100座。

　　植物工廠如火如荼的發(fā)展勢頭，逐漸也吸引了眾多LED照明行業(yè)中人的注意，加上今年國家主席習(xí)近平在參觀國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展上，對中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院自主研發(fā)的智能LED植物工廠顯現(xiàn)出了一定的關(guān)注度，尤其讓有意投身這一行業(yè)的人士歡喜雀躍，對其未來的發(fā)展更平添了諸多信心。

　　在本文中，將由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所研究員、博士、博士生導(dǎo)師劉文科，為大家對植物工廠進行多方面的解讀，或有助于大家更多了解這個領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀與前景。

　　定義篇

　　根據(jù)日本學(xué)者古在豐樹教授的《人工光型植物工廠》和中國學(xué)者楊其長研究員的《植物工廠概論》給出的植物工廠定義：植物工廠是一種通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制，實現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是由計算機對作物生育過程的溫度、濕度、光照、CO?濃度、營養(yǎng)液等環(huán)境要素進行自動控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式。

　　植物工廠充分運用了現(xiàn)代裝備工程、生物技術(shù)、設(shè)施園藝技術(shù)、植物生理、植物栽培工程與環(huán)控信息技術(shù)等手段，屬于技術(shù)高度密集型產(chǎn)業(yè)，多年來一直被國際公認為設(shè)施園藝的最高級發(fā)展階段，是衡量一個國家農(nóng)業(yè)高技術(shù)發(fā)展水平的重要標志之一。

　　然而，劉文科博士表示，起源于日本學(xué)者的植物工廠概念均存在一定的不足，主要表現(xiàn)在定義概括性過強，邊界條件較為模糊，未涉及設(shè)施類型、設(shè)施密閉性和控制因素及其精度的差異性。這阻礙了人們對植物工廠的統(tǒng)一認識，混淆了系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)方向和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方向。植物工廠應(yīng)具備“工廠”的基本屬性。密閉式植物生產(chǎn)系統(tǒng)與自動化程度是衡量植物工廠現(xiàn)代化和工廠化生產(chǎn)潛力的核心指標。

　　從定義概括性和權(quán)威性角度，植物工廠環(huán)境控制本質(zhì)上包括三類：水肥自動化控制、環(huán)境因素自動化控制、植物產(chǎn)品生產(chǎn)流水線自動化平臺。

　　植物工廠應(yīng)是具有一定自動化程度的流水線式植物生產(chǎn)設(shè)施。自動化的流水線分為產(chǎn)前(育苗)、產(chǎn)中(移栽定植、栽培與運移)、產(chǎn)后(采收、包裝)三個階段，重點是產(chǎn)前與產(chǎn)中階段。

　　植物工廠的本質(zhì)特征為生產(chǎn)要素的自動化控制，但植物工廠的自動化水平是有層次的，設(shè)施智能化水平是有劃分的。植物工廠的推薦定義應(yīng)著力闡述其設(shè)施內(nèi)的自動化控制本質(zhì)特征。劉文科博士指出，先前定義著眼于植物工廠最高階段和理想形式，而忽略了植物工廠發(fā)展過程賦存的多種形態(tài)，難以囊括當前所有植物工廠的過渡模式，建議進行修正。

　　為此，他提出建議，植物工廠應(yīng)是指植物生長發(fā)育直接相關(guān)的部分或全部生產(chǎn)要素(環(huán)境因子、水肥供給等)全程可自動化調(diào)控，并具有一定的植物生產(chǎn)流程的空間自動管理功能，實現(xiàn)植物規(guī)模化高效生產(chǎn)，較少或不受外界環(huán)境干擾的設(shè)施植物生產(chǎn)系統(tǒng)?；谶@一定義，日光溫室、多層建筑形式的設(shè)施模式均可看作植物工廠，只要它具備定義的本質(zhì)特征。

　　技術(shù)篇

　　據(jù)介紹，植物工廠的核心技術(shù)裝備包括四個方面，即立體多層無土栽培技術(shù)裝備、人工光照明技術(shù)裝備、智能環(huán)境控制技術(shù)裝備、植物生產(chǎn)空間自動化管控技術(shù)裝備。

　　近幾年，這些核心技術(shù)裝備得到了很大的發(fā)展，正在被逐漸地標準化和大規(guī)模應(yīng)用。植物工廠的外圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能分區(qū)、各區(qū)域密閉性保證都很重要，直接關(guān)系到植物工廠初裝成本和運行成本及能耗，也關(guān)系著生產(chǎn)效率。

　　1、立體多層無土栽培技術(shù)裝備

　　立體多層無土栽培技術(shù)裝備是指采用無土栽培方法，借助栽培床和層架管路裝備，實現(xiàn)植物在多層立體栽培架上進行生產(chǎn)的技術(shù)裝備。立體多層無土栽培技術(shù)裝備是人工光植物工廠必要的本質(zhì)裝備，也是太陽光植物工廠需要迫切發(fā)展的技術(shù)裝備。當前，以NFT和DFT技術(shù)為基礎(chǔ)的多種立體多層無土栽培技術(shù)裝備已經(jīng)開發(fā)出來，適合葉菜、根莖類植物生產(chǎn)。立體多層無土栽培技術(shù)裝備主要包括營養(yǎng)液儲存供給系統(tǒng)(營養(yǎng)液池、泵動系統(tǒng)、供液回液管路、定植床、控制系統(tǒng)等)。

　　2、人工光照明技術(shù)裝備

　　人工光照明技術(shù)裝備是人工光植物工廠核心技術(shù)裝備，為植物生產(chǎn)提供光合能量和光照信號。熒光燈是傳統(tǒng)光源，LED是新型光源。兩種光源的植物生理響應(yīng)機制已經(jīng)被廣泛揭示，兩種光源應(yīng)用的生物學(xué)基礎(chǔ)已非常明確。但是，LED作為新型固態(tài)半導(dǎo)體光源具有熒光燈無法比擬的光電優(yōu)勢，包括：

　　(1)可按植物生長發(fā)育需求調(diào)制光譜，按需用光，生物光效高;

　　(2)冷光源，可貼近植物照射，提高空間利用率;

　　(3)可控性好，可精準調(diào)控光強、光質(zhì)和光周期等，適宜工廠化生產(chǎn);

　　(4)節(jié)能、環(huán)保、長壽命、體積小、質(zhì)量輕;

　　(5)LED光源裝置多樣(燈板、燈帶、燈管和燈泡)，適用于設(shè)施園藝各領(lǐng)域。

　　目前，已有面板燈、條燈、燈管、燈帶等植物工廠用燈被開發(fā)出來并推廣應(yīng)用。同時，太陽光植物工廠多款LED補光燈也被開發(fā)出來，包括行間冠層補光燈、花期燈、條燈等。人工光照明技術(shù)裝備主要包括光源燈具、懸掛系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電源等。

　　3、智能環(huán)境控制技術(shù)裝備

　　智能環(huán)境控制技術(shù)裝備由執(zhí)行機構(gòu)、檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)組成，控制因子包括溫度、濕度、光照、CO?濃度、氣流、營養(yǎng)液供給等多種生產(chǎn)要素，在很大程度上環(huán)境控制智能化水平的高低決定著植物工廠的運行效率。智能環(huán)境控制以植物環(huán)境控制為基礎(chǔ)，特別需要以環(huán)境因子耦合控制下的植物生理響應(yīng)效應(yīng)作為依據(jù)，尚需深入地系統(tǒng)研究。在環(huán)境控制要素中，最重要的是養(yǎng)分和光照。養(yǎng)分和光照是兩個既具有數(shù)量屬性，又具有質(zhì)量屬性的環(huán)境要素，智能控制難度較大，其控制策略具有時間和空間要求，也需要和其他環(huán)境要素耦合統(tǒng)籌控制，是今后研究開發(fā)的重點。

　　4、植物生產(chǎn)空間自動化管控技術(shù)裝備

　　植物生產(chǎn)空間自動化管控技術(shù)裝備包括植物移栽定植技術(shù)裝備、植物空間水平垂直移動傳輸技術(shù)裝備、光源燈具水平垂直移動傳輸裝備，以及機械化自動升降機、自動收獲等生產(chǎn)管理技術(shù)裝備等。植物生產(chǎn)空間自動化管控技術(shù)裝備是植物工廠流水線作業(yè)的主體裝備，有利于提高生產(chǎn)效率和管控水平。

　　歷程篇

　　據(jù)了解，植物工廠的發(fā)展始于20世紀50年代歐美等一些發(fā)達國家。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，目前已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。

　　植物工廠的基礎(chǔ)主要來自于2項技術(shù)的突破：

　　(1)營養(yǎng)液栽培技術(shù)。20世紀40年代以來以“礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說”為理論基礎(chǔ)的植物營養(yǎng)學(xué)、化肥工業(yè)快速發(fā)展，以水溶性肥料按照肥料配方勾兌成的植物生產(chǎn)營養(yǎng)液栽培技術(shù)裝備大規(guī)模應(yīng)用發(fā)展，為植物工廠提供了重要的技術(shù)支撐。

　　(2)環(huán)境感知與控制技術(shù)。以傳感器與控制器為核心的環(huán)境控制技術(shù)的突破，使人工環(huán)境調(diào)控成為可能。植物工廠正是以這2項技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了植物的周年連續(xù)生產(chǎn)。到2000年后，伴隨LED植物照明技術(shù)的進步，LED光源植物工廠問世，成就了植物工廠智能光環(huán)境調(diào)控技術(shù)，極大提升了植物工廠自動化水平和節(jié)能效率。

　　目前，植物工廠主要分布在東亞和歐美國家，以日本、荷蘭、中國最具代表性。

　　世界范圍內(nèi)，植物工廠研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化存在幾種模式，包括：企業(yè)主導(dǎo)型、科研院所主導(dǎo)型、政府主導(dǎo)型。

　　我國植物工廠的應(yīng)用模式，包括：社區(qū)模式、公共場所模式(醫(yī)院、商場、飯館、賓館等)、家庭模式、特殊場所(海島、沙漠)、企業(yè)模式(照明企業(yè)、農(nóng)業(yè)企業(yè)等)。

　　植物工廠的功能，包括：植物產(chǎn)品生產(chǎn)、生態(tài)景觀、科普體驗、科學(xué)研究、高技術(shù)展示等，其中現(xiàn)存主流模式是科學(xué)研究和商業(yè)化生產(chǎn)。

　　植物工廠未來的產(chǎn)業(yè)模式，將是以政府、企業(yè)、科研院所和用戶企業(yè)協(xié)同主導(dǎo)建立、運營的多種創(chuàng)新模式。

　　粗略估算，全球植物工廠市場總規(guī)模在數(shù)千億元以上，我國植物工廠市場規(guī)模在1000億元以上。2000年后，我國植物工廠產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，僅2016年上半年，投入運行的人工光植物工廠就有20座以上，太陽光植物工廠數(shù)千公頃。

　　但是，我國植物工廠規(guī)模偏小(多小于200m2)，生產(chǎn)植物單一(葉菜為主)，環(huán)控技術(shù)裝備水平參差不齊，而且示范展示性和研究性植物工廠居多，商業(yè)化運行的植物工廠較少，亟待大力推進。植物工廠生產(chǎn)技術(shù)裝備成熟化后，高效生產(chǎn)得以實現(xiàn)，成為盈利運營的基礎(chǔ)。

　　植物工廠的盈利商業(yè)模式內(nèi)涵：首先，要探討植物工廠主打植物產(chǎn)品、產(chǎn)品受眾、銷售方式、價格優(yōu)勢等產(chǎn)品盈利點并使之最大化;其次，把植物工廠盈利途徑多樣化，廣泛接收社會支持。

　　世界上絕大多數(shù)植物工廠建立在城市，是城市農(nóng)業(yè)重要組成部分。世界各植物工廠強國均在努力開發(fā)海外市場，進行技術(shù)裝備的輸出，預(yù)期競爭將愈演愈烈。

　　問題篇

　　植物工廠發(fā)展面臨的問題

　　植物工廠是未來設(shè)施園藝發(fā)展的趨勢，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要目標，市場前景廣闊。而且，植物工廠應(yīng)用無所不在，應(yīng)用功能多種多樣，近些年的普及率大幅度提高。誠然，當前植物工廠的發(fā)展亦面臨諸多問題，需要認真對待，逐一解決。

　　首先，植物工廠初裝成本高。植物工廠初裝成本較日光溫室、連棟溫室高出很多，一般在6000元/㎡以上，一個100㎡的人工光植物工廠，初裝成本在60萬元以上。

　　其二，植物工廠植物產(chǎn)品成本高。以生菜為例，人工光植物工廠生產(chǎn)生菜成本在10～30元，在我國菜價市場決定機制下盈利空間較小。

　　第三，植物工廠運行成本較高，能耗和人工成本高。一方面植物工廠光源、環(huán)境控制系統(tǒng)運行(空調(diào)、氣流、營養(yǎng)液供給等)都需要消耗電能，能耗偏高;另一方面，自動化程度低，移栽定植、育苗、收獲勞動力成本高。

　　第四，標準化程度低，缺乏政府補貼政策。最后，商業(yè)化模式日漸成熟，但盈利點需要進一步探索。盈利是推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最終驅(qū)動力，應(yīng)努力挖掘符合市場需求的植物工廠商業(yè)化應(yīng)用的盈利方式。

　　總體而言，植物工廠盈利程度不僅與本身生產(chǎn)能力有關(guān)，也與社會背景、行業(yè)發(fā)展水平、國家政策有關(guān)，是系統(tǒng)的社會實踐。

　　植物工廠發(fā)展的相關(guān)對策

　　植物工廠產(chǎn)業(yè)是新興產(chǎn)業(yè)，需要系統(tǒng)研究技術(shù)裝備、運行策略，并且探討新型運營模式、盈利途徑，才能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。面對當前問題，植物工廠的發(fā)展對策概括如下：

　　(1)研發(fā)節(jié)能高效的植物工廠生產(chǎn)技術(shù)裝備，實現(xiàn)周年優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)是植物工廠盈利發(fā)展的基礎(chǔ)，植物工廠持續(xù)穩(wěn)定地生產(chǎn)出高質(zhì)量、高商品價值的植物產(chǎn)品必須攻克相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)著力在植物工廠核心技術(shù)層面開發(fā)高效的立體多層無土栽培技術(shù)裝備、人工光照明技術(shù)裝備、智能環(huán)境控制技術(shù)裝備、植物生產(chǎn)空間自動化管控技術(shù)裝備，推出優(yōu)化組合集成系統(tǒng)。其中，智能環(huán)境控制技術(shù)裝備更為重要，直接關(guān)系到植物生長發(fā)育、產(chǎn)量品質(zhì)和植物工廠運行能耗等效益制約因子。

　　(2)研發(fā)高附加值植物的工廠化生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)，提高盈利空間。加快高附加值植物(藥用植物、保健植物、珍稀特蔬菜等)的植物光質(zhì)生物學(xué)規(guī)律研究，拓展植物工廠生產(chǎn)的植物種類，探明功能性活性物質(zhì)合成代謝累積的環(huán)境調(diào)控機制，增加可使用部位生物量和有益化合物的含量。

　　(3)建立品牌戰(zhàn)略，加快植物工廠農(nóng)產(chǎn)品和技術(shù)裝備的社會認知度和認可度。著力發(fā)展植物工廠植物產(chǎn)品品牌，夯實品質(zhì)保證機制，加大品牌宣傳推廣力度，使植物工廠產(chǎn)品深入民心，進而提高銷售量和產(chǎn)值。

　　(4)構(gòu)建多種植物工廠類型、產(chǎn)品，拓展盈利模式。著力開發(fā)家庭型、商用型、社區(qū)型等植物工廠類型，豐富植物工廠商業(yè)化產(chǎn)品，擴大購買人群;增加植物工廠生產(chǎn)的植物種類，充分利用植物工廠的多種功能實現(xiàn)可持續(xù)盈利。

　　前景篇

　　植物工廠發(fā)展前景廣闊，未來5～10年將達到普及應(yīng)用水平，劉文科博士認為，植物工廠發(fā)展的推動力主要來源于以下幾個方面。

　　首先，國家和企業(yè)加大了對植物工廠研究與開發(fā)的投入與力度，業(yè)界信心倍增。植物工廠是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要標志，它的發(fā)展在一定程度上反映了一個國家和地區(qū)農(nóng)業(yè)高技術(shù)發(fā)展的水平，同時也是未來國際農(nóng)業(yè)高技術(shù)競爭的重要方向。植物工廠是一項高投入、高技術(shù)、高產(chǎn)出的生產(chǎn)方式，在發(fā)展初期，離不開國家政策的扶持。因此，國家在“十二五”和“十三五”期間加大了科技研發(fā)力度，進行多學(xué)科的協(xié)同攻關(guān)，降低成本，提升效益，提速了植物工廠的產(chǎn)業(yè)化速率。

　　其次，企業(yè)界加大了對植物工廠的資金投入力度。日本發(fā)展的經(jīng)驗充分證明了這一點，企業(yè)一直是推進植物工廠發(fā)展的主要動力。我國照明企業(yè)界正積極推動植物工廠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，利用自身光源制造優(yōu)勢，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，發(fā)展迅速。

　　國家層面對植物工廠發(fā)展十分認可，具體體現(xiàn)在以下三個事件：

　　其一，2013年國家“十二五”863計劃項目“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究”在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所立項啟動，表明了國家層面對植物工廠研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化前景的認可，具有里程碑式的意義。該項目共設(shè)立7個課題，涉及植物工廠LED節(jié)能光源、立體無土栽培、光溫耦合節(jié)能環(huán)境控制、營養(yǎng)液調(diào)控、基于網(wǎng)絡(luò)的智能管理以及人工光植物工廠、自然光植物工廠集成示范等方面，全國共有20多個優(yōu)勢科教單位和企業(yè)的160多位專家參與，項目總經(jīng)費達4611萬元。

　　其二，2016年6月3日，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所“設(shè)施植物環(huán)境工程團隊”自主研發(fā)的“智能LED植物工廠”成果亮相國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展，受到了黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人的高度關(guān)注，這對植物工廠產(chǎn)業(yè)化具有積極的推進作用。

　　其三，2016年6月17日農(nóng)業(yè)照明專業(yè)委員會成立，成為以LED植物工廠照明為主導(dǎo)的植物工廠推進的全國性組織平臺。以上三件大事均突出表現(xiàn)了國家層面對植物工廠及其相關(guān)技術(shù)裝備研發(fā)的認可和持續(xù)支撐，奠定了植物工廠及其相關(guān)技術(shù)研發(fā)的可持續(xù)性。

　　再次，植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展恰逢其時，需大力促進。以植物工廠LED照明為主導(dǎo)的植物照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，成為LED照明應(yīng)用新藍海，成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新增長點。以植物照明產(chǎn)業(yè)為依托的智能控制、栽培工程等產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。植物工廠能夠提供無污染、高品質(zhì)的植物產(chǎn)品，對保障城鄉(xiāng)居民飲食安全具有重大意義。

　　最后，植物工廠發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)儲備已經(jīng)成熟，產(chǎn)業(yè)雛形已經(jīng)形成，將很快進入產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展期。目前，已有200家以上的企業(yè)涉獵到植物工廠產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，推出了整體或部分組件產(chǎn)品。因此，在眾多利好條件的推動下，在社會發(fā)展迫切需求的促進下，在跨界創(chuàng)新的不斷創(chuàng)造中，我國的植物工廠研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展必將大放異彩，躋身世界植物工廠產(chǎn)業(yè)強國之列。