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人工光利用型植物工厂核心技术研究进展

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  【摘要】随着对植物生长发育的深入了解和对环境控制技术的不断探索,人们逐步掌握在完全密闭的环境中培育植物的技术,即在人工光利用型植物工厂中栽培作物。主要对人工光利用型植物工厂的产生与发展、优点与不足以及发展方向进行简单介绍,并对人工光利用型植物工厂的核心技术:无土栽培技术、光照技术和环境控制技术进行整理归纳,总结出适合人工光利用型植物工厂的栽培管理方式,以期加深人们对人工光利用型植物工厂的认识和了解,为在人工光利用型植物工厂中栽培作物提供借鉴指导。
中国论文网 /7/view-8989308.htm
  随着人口的持续增长,耕地资源的不断减少,食品安全和农业从业人口老龄化等问题的日益突出,植物工厂越来越受到人们的关注[1]。植物工厂分为太阳光利用型和人工光利用型两种。人工光利用型植物工厂,又叫封闭型植物工厂,是使用保温不透光材料作为围护结构,在完全密闭可控的环境下采用全人工光为植物提供光源,运用现代化营养液栽培与物联网环境调控等技术,进行植物周年生产的栽培设施[2]。人工光利用型植物工厂是植物工厂的高级形式,对国内的普通大众来说是一个全新的概念,本文主要对人工光利用型植物工厂的研究进展进行总结和梳理,围绕人工光利用型植物工厂的基本情况和核心技术开展介绍,以期加深人们对人工光利用型植物工厂的认识和了解。
  人工光利用型植物工厂简介
  产生与发展
  20世纪60年代,人工光利用型植物工厂产生于美国和奥地利,该阶段属于植物工厂的试验研究阶段。随后在欧美地区开始出现各式各样的植物工厂,开发了更多的栽培形式和环境控制技术,太阳光利用型植物工厂从试验研究阶段开始进入示范应用阶段,而人工光利用型植物工厂仍处于试验研究阶段。自20世纪70年代日本开始着手人工光利用型植物工厂的研究以来,人工光利用型植物工厂的发展开始进入发展应用阶段[3]。据统计,目前日本已经有近250个人工光利用型植物工厂用于商业化生产[4],并将植物工厂作为高科技产品出售到中国香港、俄罗斯和蒙古国等地[5]。从2009年开始,韩国政府大力支持人工光利用型植物工厂的研发,仅仅几年间,科研单位和企业就推出了10多个型号的植物工厂产品[6]。由于欧美国家多以垂直农场来定义植物工厂,统计缺乏一致性,因此尚未获得确切数据。
  中国人工光利用型植物工厂的研究起步较晚,但发展较快。2006年,中国农业科学院建成人工光利用型植物工厂试验系统;2009年9月,商业化的人工光利用型植物工厂在吉林长春建成;2010年5月,中国科学家成功研制出“低碳・智能・家庭植物工厂”,并在上海世博会展出[7];2013年,中国科学技术部于2013年以“863项目”形式启动了“智能化植物工厂生产技术研究(2013AA103000)”专项[4]。在中国台湾地区,人工光利用型植物工厂已形成产业且发展迅速,在2009~2015年间投入产业的企业数由不足10家成长到超过百家[8]。2016年6月,中国科学院植物研究所和福建三安集团合力打造大规模的植物工厂,建成了单体面积1万m2植物工厂并正式投产,日产绿色无污染、高品质蔬菜1.5 t,成为中国商业化人工光利用型植物工厂的优秀代表[9]。
  优势
  植物工厂生产作为设施生产的高级形式,在一定程度上进一步减弱了植物对自然环境的依赖程度,而人工光利用型植物工厂作为植物工厂的高级形式,与普通植物工厂相比有更多的优势:①封闭程度高,环境可控能力强,可制定最优环境参数进行调控;②可实现无菌无虫生产,避免农药的使用,产品安全无污染;③完全采用人工光,有利于更好探索植物对光的反应机理,为不同植物制定更为适宜的光质配比;④因环境适宜作物生长,生产效率更高。大体估算得出,人工光利用型植物工厂叶菜生产效率是露地的108倍,生产效率的提高得益于多层立体栽培的实现和智能化人工光源的使用及其光环境调控[10];⑤不受耕地限制,适用范围更为广泛。人工光利用型植物工厂可以建在废旧厂房、地下室等地方,充分利用空间。室内微型植物工厂更是可以安插在都市的各个角落,极大地扩展了生产空间。
  缺点
  目前大多数人工光利用型植物工厂处于试验示范阶段,普及程度较低,与其存在的问题有很大关系。人工光利用型植物工厂存在的缺点有:①植物工厂普遍存在投资大的问题,包括成本偏高和能源负荷大,植物工厂每平方米的最低造价在千元以上,最高达万元[11],具有完整植物环境监控技术和采用全人工光的植物工厂能耗更是惊人。②人工光利用型植物工厂受各种条件的限制一般比较小型,为充分利用空间也都是采用立体栽培,因此适宜人工光利用型植物工厂种植的植物相对小型,适种品种比较有限。目前人工光利用型植物工厂仅限于小型的蔬菜、水果、草药和花卉的栽培与一些园艺作物的育苗[12]。③从目前看来,仅有部分作物具有相对标准化的生产技术指标,大多数的作物在实际生产中缺乏生产指导和数据支持。关于人工光利用型植物工�S的研究相对较少,在全人工光照条件下植物生长的机理尚未明确。这一问题会使部分未开发的作物在植物工厂中的生长效果和生产效率受到影响[13]。④经济效益问题。由于初期投资大、运行成本高等原因,植物工厂产出的蔬菜成本比普通农场种植的蔬菜要高出50%~200%[7]。这就造成销售价格过高,普通百姓难以接受,从而影响产品的销售状况,一些建成投产的人工光利用型植物工厂由于经营效果不佳,面临破产的风险。
  人工光利用型植物工厂发展方向
  ◎ 规模
  人工光利用型植物工厂主要沿着两个方向发展:一是生产规模化,即向大型植物工厂发展;二是家庭普及化,即向微型植物工厂发展[13-14]。人工光利用型植物工厂想要占领市场,获得较好的经济效益,就必须提高生产效率,而实现这一目的的方法之一就是扩大生产规模。随着城市化的发展和人们对生活品质的提高,家庭植物工厂的出现让都市生活的人们在工作之余感受田园乐趣的同时也能吃到放心的蔬菜,因此家庭植物工厂的概念一经提出就得到广大都市白领的追捧。   ◎ 环境控制
  作为农业生产集约化的代表,人工光利用型植物工厂的环境调控尤为重要。随着无线控制技术和物联网等技术的不断发展,人工光利用型植物工厂向着全自动化的领域发展,不但可以节约成本,降低维护费用,还可以节省人力资源[13]。植物环境控制必将走向精准化,智能化。
  ◎ 生产成本
  随着材料科学的发展,新型材料逐渐运用到人工光利用型植物工厂的外部结构和内部设施上,降低了人工光利用型植物工厂的建设成本;随着节能技术和可再生能源的融入,人工光利用型植物工厂的后期能耗投入将进一步降低。
  ◎ 产业结构
  目前,人工光利用型植物工厂还没有比较完善的产业结构,其产业结构必将向多方合作的方向发展。近年来,照明市场进入全红海阶段,半导体市场出现产能过剩的情况[15],一大批LED企业转向农业照明领域;高校对植物工厂方面的研究取得一定成果,但投入生产实践的很少,高校与企业合作是植物工厂发展的契机;微型植物工厂作为一种新型家居,更是可以和家居家电生产厂家合作,吸纳先进的微环境控制技术和销售渠道。
  人工光利用型植物工厂核心技术
  人工光利用型植物工厂的核心技术包括无土栽培技术、光照技术和环境控制技术,三类技术彼此关联,以植物高效生产为目标进行集成[16]。虽然不同作物所需的生长环境不尽相同,各地的人工光利用型植物工厂所采用的的技术也千差万别,但由于植物生长具有一般规律性,通过大量试验可以总结出一定的生产参数,只有在此基础上发展创新才能生产出高效优质的产品。
  无土栽培技术
  ◎ 无土栽培形式的选择
  无土栽培技术可分为固体基质培和非固体基质培,非固体基质培又可分为水培和雾培。由于人工光利用型植物工厂清洁性要求较高,目前比较常用的是平面多层立体栽培形式和与之相配套的营养液水培技术。还有一种是与多面体立体栽培形式配套的雾培技术,这种模式的使用相对较少[17]。
  ◎ 营养液配方的选择
  营养液是无土栽培技术的核心,不论哪一种栽培形式都离不开营养液配方的选择,作为植物生长所需矿质营养的来源,配方的适用性直接影响到植物生长状况。世界上营养液配方已有数百种,适用于不同的栽培形式和作物。研究发现,矿质元素的含量、形式以及浓度均可以影响植物的生长状况,在营养液配方上要根据需求和对应性来选择。当有某种作物对应的配方时,尽量采用对应配方。比如在番茄育苗试验中,孙红敏等[18]发现选用山崎番茄配方比通用配方更适宜番茄的生长。试验发现,在叶菜无土栽培试验中,使用荷兰温室配方和华南农业大学叶菜B配方总体表现较为良好。经霍格兰和施耐德配方处理的叶菜,可溶性糖、可溶性蛋白、VC含量较高,具有良好的品质,但硝酸盐含量比其他处理高,而使用含有铵态氮配方的作物硝酸盐含量较低[19-23]。
  ◎ 营养液自毒物质清除技术
  人工光利用型植物工厂中,营养液是循环利用的,因此营养液的消毒杀菌和自毒物质的清除十分必要。关于营养液的消毒杀菌方法目前国内外已有大量的研究报道,如紫外线消毒,紫外线-臭氧联合消毒,高温消毒,慢砂过滤等。而对营养液中累积的自毒物质的去除方法的研究较少。目前,营养液中自毒物质的去除方法,主要有活性碳吸附法和纳米TiO2光催化法。活性炭吸附技术具有吸附饱和点,难以重复利用,TiO2光催化法是目前比较有效的方法,是利用其在紫外光照射下产生的强烈的氧化性来降解营养液中累积的自毒物质,试验证明对6种典型自毒物质降解有效,可以利用在营养液处理系统中[24]。
  光照技术
  ◎ 光源设备的选择
  生产实践中,一般以白炽灯、高压钠灯、荧光灯作为植物补光和调整光周期的设备,但由于高耗能和与植物吸收光谱不吻合等原因逐渐被淘汰。LED作为一种新型光源,具有体积小、�勖�长、光效高、可控性好、光谱可调和节能环保等优点,现已逐渐代替荧光灯成为人工光利用型植物工厂的理想光源[25]。
  ◎ 光环境调控技术
  在人工光利用型植物工厂中,植物的光环境完全由人工光提供,LED作为可调光源,能够实现对光环境的完全调控。根据多年的观察和试验,徐永[26]提出光在七个维度上调节植物生长,包括光强、光质、光照模式、均匀性、方向性、偏振性和相干性。光影响植物生长一般归因于三个维度,即光强、光质和光照模式。现阶段光影响植物生长发育的研究和应用也大多集中在这三个方面。
  光强直接影响植物的光合作用的强弱,在植物的生产和研究中,光强通常由光合有效光量子通量(photosynthetic photon flux,PPF)来表示,PPF的单位为μmol/(m2・s)。根据生产经验和一些试验(表1)表明,一定范围CO2浓度下叶菜类幼苗期以100~150 μmol/(m2・s)的光强为宜,后期300 μmol/(m2・s)左右的光强基本可以满足产量和品质的要求;瓜类育苗以200 μmol/(m2・s)左右的光强为宜;茄果类的育苗以
  300 μmol/(m2・s)左右的光强为宜。由于生产条件和作物种类需求的不同,大规模生产前应做小批量试验,确定具体适宜光强。
  在自然条件下,植物生长接受的是太阳光的全部光谱,但植物可以利用的光合有效辐射只占其中的50%,包括400~700 nm的光合有效光谱辐射、部分紫外辐射(UV-B或UV-A)和部分远红辐射(Fr)。红光和蓝光波段基本可以满足植物生长发育的需求,同时也是植物的必需光质[38]。因此植物工厂中一般选择红蓝复合光进行作物栽培。
  光照模式一般指光照周期,即一天之内光期暗期模式的设置,包括光期暗期各自的时间长短和间隔频率等。在自然环境下一天之内光期和暗期完全分隔开来,在人工光条件下可以实现光期频率自由调节。研究证明光波动环境可提高植物的光合能力,单位功耗产量要高于固定光周期[39-40]。   在实际生产中,光强、光质、光照模式是相互影响的,不同作物、不同生�L时期的最优光环境是不同的。目前研究中主要关注作物的产量品质、生长发育和生理生化,而对分子生物学机理研究较少,植物工厂中光环境的调控一般靠经验,植物光质生物学的研究有待进一步发展[16]。
  ◎ 红蓝光质对植物生长品质的影响及最优配比的选择
  叶片的光合量子效率与波长相关,且峰值在红光波段(620~670 nm),在光质对蔬菜生长影响的试验中可以看出,红光有助于植物生物量的积累,在鲜重、干重、株高、叶片数等方面改善植物生长,可提高产量。研究发现,以红光为主的光源处理的叶菜株高明显高于以蓝光为主的处理,并且在周华[41]和徐文栋[42]的试验中,纯红光处理的叶菜,株高最大。在番茄育苗试验中发现,随着红光比例增加,株高、茎粗、干鲜重有增大的趋势[43]。总结发现红光是植物光合作用和生长最有效的光,然而单一的红光并不能满足植物正常生长和营养物质的积累。
  Govert[44]在探究单纯红光照射后黄瓜苗光合作用的可塑性的试验中发现,红光对光合系统的建立和叶片的生长均有害,对CO2同化速率和Fv/Fm抑制更为严峻。并且红光伤害后气孔导度和形态不可恢复。Yuta[45]的研究也证明了虽然红光对生菜光合作用最有效,但叶片形态达不到商品标准,只有当红蓝两种光配合使用,作物才能正常生长和达到良好的形态。在以蓝光为主的复合光处理下,青菜具有较高的根冠比和根系活力,且有利于可溶性蛋白、VC、类胡萝卜素、类黄酮和总酚的形成[46]。蓝光处理的番茄果实转色时间最短;VC含量和可溶性蛋白质含量显著增加,硝酸盐含量降低[47]。蓝光比例增加会促进干物质向地下部分分配[48],茎粗显著高于其他处理[49],游离氨基酸含量提高[50]。因此红光有助于植物干物质的积累,可提高产量,蓝光具有抑制茎的伸长、提高作物品质的作用,大量试验表明,红蓝复合光处理,植物生长状态最佳[51-57]。
  人工光利用型植物工厂一般以培育蔬菜和生产种苗为主,通过上文的分析可知,生产过程中要根据需要选择适合的光质配比。如果以增产为目的,那么应该选择红光比例高的光质,如果以提高品质为目的,则应适当增加蓝光比例。但应以红光为主,才能达到最佳效果。通过分析大量文献可知,莴苣属的光质配比以R:B=3:1或4:1为最优,各项参数综合效应最佳。而在瓜类茄果类育苗试验中,会因试验环境和所用LED类型的不同,导致未得出统一的标准,有待进一步探索。
  环境控制技术
  植物工厂,顾名思义就是要实现植物的工厂化生产。工厂化生产有2个主要特点:标准化和高速度,因此一要量化环境和植物生长的关系,二要研究通过环境控制促进植物生长的方法[58]。因此环境控制技术是人工光利用型植物工厂的又一大核心技术。植物工厂环境控制技术即利用计算机和多种传感器装置对植物生长发育所需的温度、湿度、光照时间和CO2浓度等进行自动化或半自动化的调控。该技术是通过制冷与加热双向调温控湿系统、均匀送风系统、光环境调节系统、CO2增施系统、环境数据采集与自动监控系统的应用,来实现植物工厂的全程监控及周年连续生产[59]。
  ◎ 控制系统结构
  目前多数植物工厂所采用的控制系统结构一般包括环境因子数据采集功能模块、中央处理器模块、执行控制输出模块[60-61]。一些系统中还增设了SD卡数据存储功能模块和人机交互功能模块[62-65]。
  ◎ 环境控制方法
  温室控制技术比较先进的国家是荷兰和日本。日本植物工厂环境控制的方法主要有以下两大类:①计算机控制-分布式控制,分时集中控制,分层网络化控制,最适化、适应化和智能化控制。②过程控制-反馈控制、ON-OFF控制、PID控制。综合国内外的研究发现,温室环境控制技术主要包括控制硬件及控制算法2个方面[59]。
  ◎ 无线数据传输网络的应用
  植物工厂控制系统需要将大量检测数据传入控制中心,而控制中心的指令也需要通讯网络传输给执行组件。传统上,数据传输常使用工业总线技术,由于植物工厂通讯节点多,就会造成复杂的布线问题,同时增加建设成本[62]。新型无线通讯传输技术的应用可以解决这一问题。ZigBee是一种基于 IEEE 802.15.4标准的低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、可靠安全的无线通信协议[60],非常适合多数据采集和传输的植物工厂使用。研究证明基于ZigBee的数据传输网络可以实现数据传输的可靠性和准确性,并且降低了系统成本和能耗[59-60,66-68]。WiFi技术已植入到生活的各个领域,它的可移动性和价格低廉的优点是有线技术的补充,传输速度快又是ZigBee技术无法企及的[69],因此将WiFi技术运用到植物工厂中是目前研究的热点。
  ◎ 远程监控系统的实现
  2015年7月1日,国务院印发了《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》,明确提出利用互联网提升农业生产、经营、管理和服务水平,促进农业现代化水平明显提升的总体目标,部署了构建新型农业生产经营体系、发展精准化生产方式、提升网络化服务水平、完善农副产品质量安全追溯体系等4项具体任务[70]。将互联网技术运用到农业上是现代化农业发展的必然趋势,植物工厂作为智能化农业的代表,未来一定能够满足用户远程访问和监控的需要。利用嵌入式Web服务器可以实现远程监测植物工厂内各种环境参数和图像信息并可对连接在服务器上的执行机构远程控制[71]。刘彤[72]、周曼丽[73]、王冠[74]等在Linux系统中移植了Boa嵌入式服务器,将嵌入式Web服务器运用到植物工厂中,实现了对植物工厂的远程移动控制。
  ◎ 节能环境调控技术
  高能耗是阻碍人工光利用型植物工厂发展与推广的重要原因之一,能耗成本约占生产总成本的20%[75],因此寻找节能生产模式一直是国内外研究重点。人工光利用型植物工厂中的能耗主要来源于人工光源和温度调节系统。   人工光源 一是选择使用节能灯具LED,实验发现,为植物提供必要的质量跟强度的光,LED比荧光灯节省40%的电力[76]。二是通过改善照明布局、选择光质最优配比和合适光照强度等光照模式提高光能利用率,李坤等发现用变焦镜改善光的分布,可以节省52.06%的电量[77]。
  温度调节系统 可以采用新型能源和调温技术减少空调及加热器的能耗。目前比较热门的有太阳能光伏发电技术、热泵调温技术和光温耦合调温技术[7,78]。太阳能光伏发电为植物工厂空调负荷的试验中,最大可负荷5.52%的电量[79]。蓄能型地源热泵式供能系统对于冷水机组与燃气锅炉配套和直燃式溴化锂冷热水机组空调系统的节能率分别为73.9%和82.9%,每年二氧化碳减排量分别为66、61 t,节能减排效益显著[80]。室外空气温度在-4~12℃变化时,应用光温耦合技术进行植物工厂的温度调控,明暗期节省的降温耗电量分别为24.6%~63.0%和2.3%~33.6%[81]。
  结语
  2013年,中国正式把植物工厂列入国家“863”科技发展计划,随着人们对人工光利用型植物工厂各方面的探索,将各项高新技术运用到人工光利用型植物工厂,人工光利用型植物工厂一定能更加集约化、产业化、智能化、网络化、多功能化。人工光利用型植物工厂是未来农业的发展方向,但以目前情况来看,并不是所有地方都适合发展人工光利用型植物工厂,人工光利用型植物工厂的全面发展还需要很长的时间,与其他农业领域一样,都需因地制宜,合理规划,才能展现市场活力,发挥其最大优势。
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  *项目支持:国家自然科学基金(21671070,21571067),广东省自然科学基金(S2013030012842),广州市科技计划项目(201707010033)。
  作者简介:崔佳维(1992-),女,汉族,河北邯郸人,硕士研究生,研究方向:设施园艺环境工程。
  **通信作者:雷炳富(1977-),男,汉族,广东茂名人,教授,博士生导师,研究方向:农用光电功能材料。
  [引用信息]崔佳维,陈智杰,郑胤建,等.人工光利用型植物工厂核心技术研究进展[J].农业工程技术,2017,37(28):46-53.

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