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植物工厂及相关农机技术

温室网  来源:曹其新(上海交通大学) 阅读数:847

  引言

  植物工厂为现代设施农业发展的高级阶段,是一种高投入、高技术、精装备的生产体系,集生物技术、工程技术和管理技术于一体,使农业生产从自然生态束缚中脱离出来,按计划周年性进行植物产品生产的工厂化农业系统,代表着未来农业的发展方向。

  1 植物工厂机械与自动化

  植物工厂机械,是指适合植物工厂耕作、栽培、收获等农艺特点,并在各类设施中工作的农业机械。国外植物工厂作物栽培己具备了成熟成套的技术,植物工厂机械及作业设备也齐全,生产比较规范,产量稳定,质量保证性强,并在向高层次、高科技和自动化、智能化方向发展,已形成全新的技术体系。

  近几年来,我国植物工厂得到快速推进。从单一品类向多品类转变、从小型向中大型甚至特大型转变、从人工光型向日光型甚至露天型多型并存转变、从试验研究阶段向示范应用甚至商业化产业化发展阶段转变、从人工气候模拟型向计算机智能控制型转变、从单一技术向集成技术转变,水平得到快速提升。

  1.1研究意义

  植物工厂技术的突破将会解决人类发展面临的诸多瓶颈,甚至可以实现在荒漠、戈壁、海岛、水面等非可耕地,以及在城市的摩天大楼里进行正常生产。利用取之不尽的太阳能和其它各种清洁能源,加上一定的种子、水源和矿质营养,就可源源不断地为人类生产所需要的农产品。因此被认为是21世纪解决粮食安全、人口、资源、环境问题的重要途径,也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段。

  1.2优越性

  (1)作物生产的计划性,周年生产的均衡性,产量和品质的稳定性;

  (2)作物生长周期短,设施利用率高,单位面积产量高,产值高;

  (3)机械化、自动化程度高,劳动强度低,用工少,工作环境轻松;

  (4)不施农药,产品无污染;

  (5)多层式,立体栽培,大大节省土地;

  (6)不受地理、气候等自然条件的影响,甚至可在极端气候区、外层空间及其它星球上进行农业生产;

  (7)与现代生物技术紧密结合,可以生产出稀有、价高、富含营养的植物产品。

  2历史与发展

  2.1植物工厂

  1957年世界上第一家植物工厂 诞生在丹麦,1974年日本等国也逐步发展起来。美国犹他州立大学试验用植物工厂种植小麦,全生育期不到2月,一年可收获4-5次。

  

  2.2植物工厂发展的三个阶段

  (1)试验阶段(20世纪40年代至60年代末)

  ①建设规模小,除个别规模较大之外一般仅为几十平米到几百平米;

  ②范围窄,主要局限在实验室内;

  ③试验作物品种单一,以芹菜和沙拉生菜为主;

  ④多是人工光利用型,采用人工气候室进行控制,运行成本较高。

  (2)示范应用阶段(20世纪70年代至80年代中期)

  ①应用范围较大;

  ②营养液配方技术日臻成熟,自动化控制系统逐渐完善;

  ③开发的力度加大,示范效果明显。

  (3)快速发展阶段(20世纪80年代中期至今)

  ①发展速度快;

  ②涉及到的行业广泛,规模不断扩大;

  ③国际学术活动频繁;

  ④高科技成果应用多。 

植物工厂各发展阶段及代表性企业 

 

典型企业

年代

规模(m²)

类型

栽培作物

栽培方式

特征

 

丹麦克里斯顿农场

1957

1000

太阳光、人工光并用型

水芹、莴苣

水培

移动栽培

奥地利卢斯那公司

1963

216

人工光利用型

莴苣

水培

立体回转移动栽培

美国爱德库都利库公司

1973

400

人工光利用型

西红柿、黄瓜、莴苣

NFT式水培

平面式

美国波里达卡农场

1980

3000

太阳光利用型

莴苣

NFT式水培

立体多层栽培、自动播种机、收获机、周年均衡生产

日本三菱重工和九州电力公司

1985

100

人工光利用型

莴苣

水培

完全智能化控制,使用了机器人

日立公司中央研究所

1985

660

人工光利用型

莴苣

水培

平面式

 

典型企业

年代

规模(m²)

类型

栽培作物

栽培方式

特征

速发展阶段

瑞典爱伯森农场

20世纪80年代中期

6100

人工光、太阳光并用型

莴苣

固体基质栽培

基质栽培、密度可移动调节、人工补光

美国米德兰都公司

20世纪80年代中期

18000

太阳光利用型

沙拉莴苣

水培

播种、育苗、栽培、收获、包装流水作业

日本电力中央研究所

1986

420

人工光、太阳光并用型

菠菜、莴苣、草莓

水培

双层式夜间补光

日本三浦农园

1987

408

人工光利用型

莴苣

水培

移动床

日本电力中央研究所

1987

1000

太阳光、人工光并用型

菠菜、莴苣、千宝菜

水培

双层网隔热、遮光、水平移动床、夜间补光

日本TS农场

1992

1400

人工光利用型

莴苣

雾培

密闭式结构、循环供液、雾喷

日本神内农场

2001

3000

太阳光、人工光并用型

莴苣、青菜

M式水培

移动床、机器人收获、夜间补光、多层立体栽培

  

 

  日本植物工厂

  

 

  3分类与特征

  3.1植物工厂的分类

  3.1.1从建设规模上来分可分为大型(1000m以上)、中型(300~1000m)和小型(300m以下)三种。

  3.1.2从生产功能上来分可分为植物种苗工厂和商品菜、果、花植物工厂,还有一部分大田作物、食用菌等。

  3.1.3从其研究对象的层次上又可分为以研究植物体为主的狭义的植物工厂、以研究植物组织为主的组培植物工厂、以研究植物细胞为主的细胞培养植物工厂。

  3.1.4按光能的利用方式不同来划分,共有三种类型,即太阳光利用型(简称太型)、人工光利用型或者叫完全控制性(简称完型)、太阳光和人工光并用型(综合型)。

  

 

  3.1.5人工光利用型被视为狭义的植物工厂,称为密闭式植物工厂或者叫完全控制性(简称完型),它是植物工厂发展的高级阶段。广义上来说,植物工厂由分为温室型半天候的植物工厂和封闭式全天候的植物工厂,包含了豆芽菜、蘑菇、萝卜缨等的生产工厂;半自动控制的温室水耕系统;种苗繁育系统或人工种子生产系统。但目前,比较习惯的分类方法是按照植物生长中最重要的条件之一光能来分类的。

  

 

  3.1.6植物工厂LED灯照明长

  “完全不用阳光”,在每个栽培架上,都装有一块灯板。不同的是左侧是LED(发光二极管)灯,右侧是荧光灯。两种灯光都能满足植物生长的需要,只是LED比荧光灯更加节能。

  LED灯板以红灯为主,中间按一定距离均匀分布着蓝灯,比例大概为8∶1到9∶1,太阳光对于植物而言是全波段的,红光、蓝光、紫外线、红外线等都包括,但实验显示,植物吸收的光线波段主要是红光和蓝光,比例超过60%。因此将红光和蓝光按照一定配比制成光源,就能满足植物生长需求。

  

 

  3.2植物工厂主要特征

  3.2.1植物工厂的共同特征是:有固定的设施;利用计算机和多种传感装置实行自动化、半自动化对植物生长发育所需的温度、湿度、光照强度、光照时间和CO₂浓度进行自动调控;采用营养液栽培技术;产品的数量和质量大幅度提高。

  

 

  3.2.2植物工厂收获快速

  通过对工厂内环境的高精度控制,植物的生长在这里几乎不受自然条件的制约,生长周期加快。现在工厂内种植的生菜、小白菜等,20天左右就能收获,而在普通的大田里,则需要一个月到40天的时间。除了收获快,空间利用率高也是植物工厂的重要特点。在工厂内看到的都是三层的栽培架,从面积上就相当于同样大小露天耕地的三倍,加上其种植密度大,因此,植物工厂的产量可以达到常规栽培的几十甚至上百倍。菜种植之外,植物工厂在育苗上也有应用。在黄瓜和番茄的育苗方面都做了实验。相比蔬菜生产,育苗的周期更短,一般为一周左右。虽然常规栽培的周期也不是很长,但在育苗的整齐和健壮度上不如工厂的产品。毕竟大田的不可控因素太多,今天光照也许很好,但明天可能阴天,后天有可能降温,而这些在工厂里都可以得到控制。

  3.2.3植物工厂营养生长

  不靠太阳不用土,这是营养液在循环,用来固定植株的塑料泡沫板掀起,原来植物的根系根本不是生长在土壤里,而是完全浸泡在营养液中,土壤的作用是提供营养元素和水分,而营养液除了提供水分,也供了植物生长所需的各种元素,包括氮磷钾等大量元素及锌铁锰等微量元素,因此没有必要使用土壤栽培。无土栽培的技术现在已经非常成熟,而且水栽比土栽的生长周期要快很多,也是使用水栽的重要原因。墙上显示器上有营养液监控的数据,那是对营养液温度控制的参数。在寒冷的天气中,系统会对营养液进行加热,如果温度很低,会对植物的根系造成伤害。

国外植物工厂发展状况 

 

典型企业 

年代 

规模

类型

作物

形式

特征

丹麦约克里斯顿

农场

1957

1000

太阳光

人工光

并用型

水芹

莴苣

水培

移动栽培

奧地利卢斯那

公司

1963

216

人工光

利用型

莴苣

水培

立体回转

移动栽培

 

美国爱德库都利库

公司

1973

400

人工光

利用型

番茄

黄瓜

NFT式

水培

平面式

美国波里达卡

农场

1980

3000

太阳光

利用型

莴苣

NFT式

水培

立体多层

自动播种

收割

日本三菱重工

九州电力

1985

100

人工光

利用型

莴苣

水培

智能控制

使用机器人

日立公司中央

研究所

1985

660

人工光

利用型

莴苣

水培

平面栽培

瑞典爱伯森

农场

80年代

中期

6100

人工光

太阳光

并用型

莴苣

基质

栽培

移动调节

美国米德兰都

公司

80年代

中期

18000

太阳光

利用型

莴苣

水培

流水作业

日本电力中央

研究所

1986

420

人工光

太阳光

并用型

菠菜莴苣草莓

水培

双层式

夜间补光

日本TS农场

1992

1400

人工光

利用型

莴苣

气雾耕

封闭式

循环供液

日本神內农场

2001

3000

人工光

太阳光

并用型

莴苣青菜

M式

水培

移动平面

多层机器

人收

  美国LED植物工厂   

  韩国太阳能植物工厂

 

 

  

  国外植物工厂

  5相关农机与自动化

 

  大粒种子精密定向播种技术、基于检测与调控技术的育苗技术、自动供苗技术、瓜科幼苗的外形尺寸与变形的应对技术、茄科幼苗抓取切苗技术、瓜茄幼苗通用抓取与切苗技术、连续自动供夹技术、嫁接苗自动栽植技术、嫁接苗自动管理技术等技术,实现了嫁接生产过程的自动化、智能化。 

  6中国制造

  我国政府提出”四化同步”、“工业反哺农业”,连续多年把农业列为“重中之中”,不

  断加大对农业的投入,尤其对高科技农业加大投入和扶持。并在2013年正式把植物工厂列入国家863科技发展计划”。

  由于植物工厂技术不断完善和提高,微型化迷你型植物工厂已应用人们生活各种环境,光仙子歺厅、咖啡馆、酒店植物工厂,办公室、居室植物工厂、厨房植物工厂实现了蔬菜从生产到舌尖零距离。微型植物工厂无处不在。

  恒大集团准备投资超过1000亿打造中国民族品牌,现已投资近70亿建设和并购了22个生产基地。以此提升中国农业产业竞争力和盈利水平,开创全球产业新格局。

  东苑、广州、香港、浙江勿忘农等多家财团纷纷投巨资建设植物工厂。截止目前我国已建植物工厂达80多家。

  据日本株式会社专家预计:中国植物工厂未来有望达到日本植物工厂10倍以上的规模。

中国(部分)植物工厂发展状况

名称

面积

栽培

形式

技术

类型

技术

特点

知识

产权

规模

特点

建设

时间

中国

农科院

100

平面

多层

水培

水肥

同补

自主

创新

实验

2000

山东寿光

48

平面

多层

基质培

水培

水肥同补

自主

创新

小型

2010

北京通州

1289

平面

多层

水培

水肥

同补

自主

创新

大型

2010

长春

农博会

200

平面

水培

水肥

同补

自主

创新

小型

2009

江苏无锡

6000

平面

多层

水培

水肥

同补

日本

三菱技术

大型

2011

浙江丽水

农科院

2000

塔式

柱式

气雾培

水肥

气补

自主

创新

大型

2004

江苏

汤山翠谷

300

平面

多层

水培

水肥

同补

日本

千叶技术

中型

2011

中国

科技大学

40

平面

多层

水培

基质培

水肥

同补

自主

创新

实验室

2008

江苏南京

江宁台创园

12000

柱式

雾培

水肥

同补

自主

创新

超大型

2011

福建平潭

1680

平面

多层

水耕

水肥

同补

日本

技术

大型

2012

山东高清

616

平面

多层

水培

水肥

同补

日本

技术

中型

2012

山西杨凌

35

平面

多层

水培

水肥

同补

自主

创新

小型

2010

 

  

  7总结与讨论

  植物工厂作为新型的农业形式,具有良好的发展前景、空间及潜力,与传统农业相比,具有更高的效益和更强的可控性。它是脱离“经验”的传统农业的新型“科学”农业,是不受任何约束,为求利益最大化的。具有工业化,栽培方式定量化,数值化得特点。如今,植物工厂被称为“农业的第四选择”。

  尽管植物工厂在产量和效率方面优点突出,但存在的问题也同样明显,那就是高昂的成本,在一定程度上影响了它的推广。一个一般规模的植物工厂,建成需要十几万元的投入,后期的运行和维护也是一笔花销,因此如何降低成本是下一步所要面对的问题。

  通过论述植物工厂的概念技术及其衍生产品,对其有了一定的认识和了解,随着研究的深入,越来越多的科学技术被运用于植物工厂,使其技术和管理越来越完善,同时也带来更大的经济效益,可以预见,植物工厂可能成为未来农业发展的主流方向。

  更多高产、高抗、高质的蔬菜、花卉、香草、药材、苗木、粮食作物、珍稀植物、濒危植物等植物在植物工厂中生产;更多个人、企业、财团投入到植物工厂中来、形成资金聚集、人才集中、技术集成、建设更多更大的植物工厂;更多新能源、新材料、新装备在植物工厂中使用,使植物工厂成本更低、品质更好、效益更高;植物工厂将更加集约化、产业化、智能化、网络化、多功能化。我国植物工厂已经迎来最佳发展机遇期。

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