植物工廠是設(shè)施園藝發(fā)展的高級階段，是顛覆性農(nóng)作和土地利用方式，對解決21世紀(jì)農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境問題具有重要應(yīng)用價(jià)值。LED光源是植物工廠的優(yōu)選光源，具有傳統(tǒng)光源無法比擬的光電和農(nóng)學(xué)應(yīng)用優(yōu)勢，正在快速進(jìn)入商業(yè)化研發(fā)與應(yīng)用層面，產(chǎn)業(yè)前景誘人。文章總結(jié)了植物工廠及其LED 照明的發(fā)展新動態(tài)，指出了未來研發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)。
LED 植物工廠發(fā)展新動態(tài)
中國植物工廠研發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展已有10 余年，取得了輝煌的成果，產(chǎn)業(yè)化雛形初步形成。尤其是在2013 年國家863 項(xiàng)目“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究”的支持下，植物工廠技術(shù)裝備發(fā)展提速。縱觀植物工廠技術(shù)裝備和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，有以下幾個(gè)方面的新動態(tài)。
1)立體多層無土栽培技術(shù)裝備新動態(tài)。
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(dāng)前，以營養(yǎng)液膜技術(shù)(NFT，Nutrient Film Technique)和深液流技術(shù)(DFT，Deep Flow Technique)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，適合葉菜類植物生產(chǎn)。當(dāng)前，基質(zhì)栽培草莓、氣霧培栽培葉菜技術(shù)裝備異軍突起，技術(shù)發(fā)展較快。
2)智能控制技術(shù)日新月異。
智能環(huán)境控制技術(shù)裝備水平的高低決定著植物工廠的運(yùn)行效率。智能環(huán)境控制以植物環(huán)境控制原理為基礎(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)，已有很大發(fā)展。植物環(huán)控生理機(jī)制正逐步被揭示，耦合控制策略逐漸成熟，出現(xiàn)一批相關(guān)企業(yè)和產(chǎn)品。
3)產(chǎn)業(yè)發(fā)展異常迅猛。
就中國而言，從事植物工廠及相關(guān)技術(shù)裝備研發(fā)的企業(yè)不少于200 家。依舊是以珠三角地區(qū)、長三角地區(qū)和環(huán)渤海地區(qū)的大中城市為爆發(fā)地，但呈現(xiàn)出輻射全國，逐步分散的發(fā)展趨勢。目前，新疆、陜西、四川等地均有植物工廠產(chǎn)業(yè)萌發(fā)，發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。涌現(xiàn)出了深圳市智慧未來農(nóng)業(yè)科技有限公司、河南精農(nóng)科技股份有限公司、富昌電子(上海)有限公司和寧波綠脈農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司等知名植物工廠從業(yè)單位。
4)產(chǎn)業(yè)細(xì)分市場逐步完成。
當(dāng)前，植物工廠企業(yè)發(fā)展模式分為技術(shù)裝備型，植物產(chǎn)品銷售型兩種，前者復(fù)制工程，推廣植物工廠系統(tǒng)裝備;后者，應(yīng)用植物工廠生產(chǎn)植物產(chǎn)品，尤其是高附加值植物產(chǎn)品。從銷售產(chǎn)品的種類來看，蔬菜產(chǎn)品、家庭園藝產(chǎn)品是主流。
5)植物工廠配套裝備制造也發(fā)展迅速。
植物工廠所需要的LED 光源、層架、營養(yǎng)液、控制系統(tǒng)供應(yīng)商逐年增多。比如，以深圳市添光彩植物光源科技有限公司為代表的光源供應(yīng)商，可提供植物工廠主流波長的燈珠產(chǎn)品，為LED 光源創(chuàng)制提供了基礎(chǔ)。
6)太陽光植物工廠補(bǔ)光產(chǎn)品日益豐富。
按照植物光環(huán)境需求理論和基本閾值，結(jié)合LED的光照優(yōu)勢，LED 補(bǔ)光燈研發(fā)如火如荼，產(chǎn)品不斷推出，性價(jià)比逐年提高。以深圳市博萊凱半導(dǎo)體照明有限公司為代表的水冷式LED 補(bǔ)光燈具有市場前景。
7)高附加值保健型植物成為新寵。
普通蔬菜產(chǎn)品因價(jià)格低，投入產(chǎn)出比率大，盈利空間有限，故此植物工廠業(yè)主傾向于進(jìn)行高附加值保健型植物生產(chǎn)，甚至進(jìn)行鮮品的深加工，提高附加效益。
8)國家及各級政府更加支持。
隨著國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展，國家領(lǐng)導(dǎo)人對中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所研發(fā)的智能LED 植物工廠給予了高度重視和肯定后，植物工廠作為顛覆性的農(nóng)作方式，受到各級政府、行業(yè)學(xué)會協(xié)會政策的利好誘導(dǎo)和資金支持，興業(yè)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)單位呈遞增趨勢，全國呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢。
LED 植物工廠光源及其照明研發(fā)新動態(tài)
光照是LED 光源植物工廠實(shí)施高效植物生產(chǎn)的主要驅(qū)動因素，在調(diào)控植物生長發(fā)育、產(chǎn)量品質(zhì)形成方面具有不可或缺的作用。采納適宜高性價(jià)比的LED 照明產(chǎn)品在一定程度既決定了LED 光源植物工廠的生產(chǎn)效率，也決定著產(chǎn)品商品價(jià)值，其重要性不言而喻。
1)LED 光源產(chǎn)品日益豐富。
用于植物工廠的LED 光源從無到有，從劣質(zhì)到精良，從不能控制到智能控制，從高成本到低價(jià)位，LED 光源正在全面滿足植物工廠的需求。目前，已有多重型號、系列的LED 面板燈，T5 和T8 規(guī)格的LED 燈管和燈條，水冷式大功率LED 燈板，大功率LED 補(bǔ)光燈，雙向照射LED 燈條，這些產(chǎn)品有多家企業(yè)可以提供，產(chǎn)品設(shè)計(jì)自由度大，可很好地滿足市場需求。但是，LED 光源方面依舊缺乏標(biāo)準(zhǔn)，亟待盡快完善制定。
2)LED 節(jié)能高效應(yīng)用技術(shù)正在解決。
從LED 光源光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期設(shè)置與控制角度，通過合理的光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期協(xié)同耦合調(diào)控，可以在保證植物生長發(fā)育基礎(chǔ)上，提高栽培效率。目前，通過光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期的調(diào)控技術(shù)研究成為探討重點(diǎn)。比如，余意等[3] 提出了利用生菜的弱光適應(yīng)性，利用LED 弱光提高生產(chǎn)效率。國際上，有關(guān)植物工廠LED 光環(huán)境調(diào)節(jié)提高蔬菜品質(zhì)的研究很多，Bian 等[4] 做了系統(tǒng)的綜述。
3)LED 連續(xù)光照成為熱點(diǎn)。
連續(xù)光照是縮短植物生育周期，提高產(chǎn)量，改善品質(zhì)的重要光照方法，對特定植物種類具有應(yīng)用前景[5]。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所在國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“LED 紅藍(lán)光連續(xù)照射對高氮水培生菜AsA 代謝網(wǎng)絡(luò)影響機(jī)理及其節(jié)律效應(yīng)”和青年項(xiàng)目“短期連續(xù)LED 光照下水培生菜硝酸鹽代謝規(guī)律及影響機(jī)理研究”的資助下開展了長期的研究工作。該研究將揭示連續(xù)光照的作用機(jī)制，植物響應(yīng)及其節(jié)律效應(yīng)策略，最終為連續(xù)光照在植物工廠中的應(yīng)用提供依據(jù)。
4)LED 照明節(jié)律研發(fā)成為焦點(diǎn)。
晝夜節(jié)律是植物生長發(fā)育所具有的生理特征，但是在植物工廠恒定光照下植物的節(jié)律會如何變化已成為研究焦點(diǎn)。在充分揭示植物工廠LED 紅藍(lán)光條件下植物節(jié)律特征及演變規(guī)律，將為LED 光源高效應(yīng)用提供科學(xué)基礎(chǔ)。
5)LED 光源時(shí)空控制技術(shù)完成。
LED 作為冷光源，可接近植物冠層進(jìn)行有效照射，提高光能利用效率[6]。然而，植物從苗期到營養(yǎng)生長階段，甚至生殖生長階段其植株高度有明顯差異。因此，為了提高植物整個(gè)生育期的光能利用效率，有必要將LED 的光源進(jìn)行垂直高度的調(diào)控，使得LED 光源距離冠層位置相對恒定，達(dá)到節(jié)能高效的目的。
6)LED 光配方日益豐富。
目前，植物工廠所能栽培的植物種類十分有限，必需不斷擴(kuò)展植物工廠可生產(chǎn)的植物種類，增加葉菜、根菜、莖菜、藥用植物、花卉等種類和品種。驗(yàn)證新植物種類、品種可在植物工廠里規(guī)模化生產(chǎn)的基礎(chǔ)是光配方的建立，只有建立高效的光配方，才能實(shí)現(xiàn)光環(huán)境智能管控，才能生產(chǎn)出高商品性的植物產(chǎn)品。
7)植物工廠蔬菜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)光照技術(shù)完善。
優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)是植物工廠生產(chǎn)的目標(biāo)，光環(huán)境調(diào)控是實(shí)現(xiàn)植物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的主要途徑之一。通過光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期調(diào)控可以改變植物的養(yǎng)分吸收、初級代謝和次級代謝過程，調(diào)控植物體內(nèi)糖、維生素、類黃酮、酚酸等物質(zhì)的合成、代謝和累積，最終影響植物可食部分的保健功能。目前，除光合有效輻射外，紫外輻射在調(diào)控品質(zhì)方面作用獨(dú)特，合理的紫外輻射劑量將是研究的重點(diǎn)。
結(jié)語
植物工廠發(fā)展前景廣闊，未來5～10 年將達(dá)到普及應(yīng)用水平。植物工廠發(fā)展的推動力主要來源于以下幾個(gè)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。國家層面對植物工廠發(fā)展十分認(rèn)可，具體體現(xiàn)在以下軍3 個(gè)事件上。
?、?2013 年國家“十二五”863 計(jì)劃項(xiàng)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(xiàng)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(rèn)可，具有里程碑式的意義。
?、?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(tuán)隊(duì)”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(jìn)作用。
?、?2016 年6 月17 日中國照明學(xué)會農(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(jìn)的全國性組織平臺。
以上3 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(rèn)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。國家層面的認(rèn)可與支持，從關(guān)鍵共性技術(shù)、產(chǎn)學(xué)研平臺、公共認(rèn)知等方面，推動了植物工廠及LED 照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
其次，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(jìn)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(jìn)下，在跨界創(chuàng)新的不斷創(chuàng)造中，中國的植物工廠研發(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(qiáng)國之列。
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