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植物工廠及相關農機技術

溫室網  來源:曹其新(上海交通大學) 閱讀數:840

  引言

  植物工廠為現代設施農業發展的高級階段,是一種高投入、高技術、精裝備的生產體系,集生物技術、工程技術和管理技術于一體,使農業生產從自然生態束縛中脫離出來,按計劃周年性進行植物產品生產的工廠化農業系統,代表著未來農業的發展方向。

  1 植物工廠機械與自動化

  植物工廠機械,是指適合植物工廠耕作、栽培、收獲等農藝特點,并在各類設施中工作的農業機械。國外植物工廠作物栽培己具備了成熟成套的技術,植物工廠機械及作業設備也齊全,生產比較規范,產量穩定,質量保證性強,并在向高層次、高科技和自動化、智能化方向發展,已形成全新的技術體系。

  近幾年來,我國植物工廠得到快速推進。從單一品類向多品類轉變、從小型向中大型甚至特大型轉變、從人工光型向日光型甚至露天型多型并存轉變、從試驗研究階段向示范應用甚至商業化產業化發展階段轉變、從人工氣候模擬型向計算機智能控制型轉變、從單一技術向集成技術轉變,水平得到快速提升。

  1.1研究意義

  植物工廠技術的突破將會解決人類發展面臨的諸多瓶頸,甚至可以實現在荒漠、戈壁、海島、水面等非可耕地,以及在城市的摩天大樓里進行正常生產。利用取之不盡的太陽能和其它各種清潔能源,加上一定的種子、水源和礦質營養,就可源源不斷地為人類生產所需要的農產品。因此被認為是21世紀解決糧食安全、人口、資源、環境問題的重要途徑,也是未來航天工程、月球和其他星球探索過程中實現食物自給的重要手段。

  1.2優越性

  (1)作物生產的計劃性,周年生產的均衡性,產量和品質的穩定性;

  (2)作物生長周期短,設施利用率高,單位面積產量高,產值高;

  (3)機械化、自動化程度高,勞動強度低,用工少,工作環境輕松;

  (4)不施農藥,產品無污染;

  (5)多層式,立體栽培,大大節省土地;

  (6)不受地理、氣候等自然條件的影響,甚至可在極端氣候區、外層空間及其它星球上進行農業生產;

  (7)與現代生物技術緊密結合,可以生產出稀有、價高、富含營養的植物產品。

  2歷史與發展

  2.1植物工廠

  1957年世界上第一家植物工廠 誕生在丹麥,1974年日本等國也逐步發展起來。美國猶他州立大學試驗用植物工廠種植小麥,全生育期不到2月,一年可收獲4-5次。

  

  2.2植物工廠發展的三個階段

  (1)試驗階段(20世紀40年代至60年代末)

  ①建設規模小,除個別規模較大之外一般僅為幾十平米到幾百平米;

  ②范圍窄,主要局限在實驗室內;

  ③試驗作物品種單一,以芹菜和沙拉生菜為主;

  ④多是人工光利用型,采用人工氣候室進行控制,運行成本較高。

  (2)示范應用階段(20世紀70年代至80年代中期)

  ①應用范圍較大;

  ②營養液配方技術日臻成熟,自動化控制系統逐漸完善;

  ③開發的力度加大,示范效果明顯。

  (3)快速發展階段(20世紀80年代中期至今)

  ①發展速度快;

  ②涉及到的行業廣泛,規模不斷擴大;

  ③國際學術活動頻繁;

  ④高科技成果應用多。 

植物工廠各發展階段及代表性企業 

 

典型企業

年代

規模(m²)

類型

栽培作物

栽培方式

特征

 

丹麥克里斯頓農場

1957

1000

太陽光、人工光并用型

水芹、萵苣

水培

移動栽培

奧地利盧斯那公司

1963

216

人工光利用型

萵苣

水培

立體回轉移動栽培

美國愛德庫都利庫公司

1973

400

人工光利用型

西紅柿、黃瓜、萵苣

NFT式水培

平面式

美國波里達卡農場

1980

3000

太陽光利用型

萵苣

NFT式水培

立體多層栽培、自動播種機、收獲機、周年均衡生產

日本三菱重工和九州電力公司

1985

100

人工光利用型

萵苣

水培

完全智能化控制,使用了機器人

日立公司中央研究所

1985

660

人工光利用型

萵苣

水培

平面式

 

典型企業

年代

規模(m²)

類型

栽培作物

栽培方式

特征

速發展階段

瑞典愛伯森農場

20世紀80年代中期

6100

人工光、太陽光并用型

萵苣

固體基質栽培

基質栽培、密度可移動調節、人工補光

美國米德蘭都公司

20世紀80年代中期

18000

太陽光利用型

沙拉萵苣

水培

播種、育苗、栽培、收獲、包裝流水作業

日本電力中央研究所

1986

420

人工光、太陽光并用型

菠菜、萵苣、草莓

水培

雙層式夜間補光

日本三浦農園

1987

408

人工光利用型

萵苣

水培

移動床

日本電力中央研究所

1987

1000

太陽光、人工光并用型

菠菜、萵苣、千寶菜

水培

雙層網隔熱、遮光、水平移動床、夜間補光

日本TS農場

1992

1400

人工光利用型

萵苣

霧培

密閉式結構、循環供液、霧噴

日本神內農場

2001

3000

太陽光、人工光并用型

萵苣、青菜

M式水培

移動床、機器人收獲、夜間補光、多層立體栽培

  

 

  日本植物工廠

  

 

  3分類與特征

  3.1植物工廠的分類

  3.1.1從建設規模上來分可分為大型(1000m以上)、中型(300~1000m)和小型(300m以下)三種。

  3.1.2從生產功能上來分可分為植物種苗工廠和商品菜、果、花植物工廠,還有一部分大田作物、食用菌等。

  3.1.3從其研究對象的層次上又可分為以研究植物體為主的狹義的植物工廠、以研究植物組織為主的組培植物工廠、以研究植物細胞為主的細胞培養植物工廠。

  3.1.4按光能的利用方式不同來劃分,共有三種類型,即太陽光利用型(簡稱太型)、人工光利用型或者叫完全控制性(簡稱完型)、太陽光和人工光并用型(綜合型)。

  

 

  3.1.5人工光利用型被視為狹義的植物工廠,稱為密閉式植物工廠或者叫完全控制性(簡稱完型),它是植物工廠發展的高級階段。廣義上來說,植物工廠由分為溫室型半天候的植物工廠和封閉式全天候的植物工廠,包含了豆芽菜、蘑菇、蘿卜纓等的生產工廠;半自動控制的溫室水耕系統;種苗繁育系統或人工種子生產系統。但目前,比較習慣的分類方法是按照植物生長中最重要的條件之一光能來分類的。

  

 

  3.1.6植物工廠LED燈照明長

  “完全不用陽光”,在每個栽培架上,都裝有一塊燈板。不同的是左側是LED(發光二極管)燈,右側是熒光燈。兩種燈光都能滿足植物生長的需要,只是LED比熒光燈更加節能。

  LED燈板以紅燈為主,中間按一定距離均勻分布著藍燈,比例大概為8∶1到9∶1,太陽光對于植物而言是全波段的,紅光、藍光、紫外線、紅外線等都包括,但實驗顯示,植物吸收的光線波段主要是紅光和藍光,比例超過60%。因此將紅光和藍光按照一定配比制成光源,就能滿足植物生長需求。

  

 

  3.2植物工廠主要特征

  3.2.1植物工廠的共同特征是:有固定的設施;利用計算機和多種傳感裝置實行自動化、半自動化對植物生長發育所需的溫度、濕度、光照強度、光照時間和CO?濃度進行自動調控;采用營養液栽培技術;產品的數量和質量大幅度提高。

  

 

  3.2.2植物工廠收獲快速

  通過對工廠內環境的高精度控制,植物的生長在這里幾乎不受自然條件的制約,生長周期加快。現在工廠內種植的生菜、小白菜等,20天左右就能收獲,而在普通的大田里,則需要一個月到40天的時間。除了收獲快,空間利用率高也是植物工廠的重要特點。在工廠內看到的都是三層的栽培架,從面積上就相當于同樣大小露天耕地的三倍,加上其種植密度大,因此,植物工廠的產量可以達到常規栽培的幾十甚至上百倍。菜種植之外,植物工廠在育苗上也有應用。在黃瓜和番茄的育苗方面都做了實驗。相比蔬菜生產,育苗的周期更短,一般為一周左右。雖然常規栽培的周期也不是很長,但在育苗的整齊和健壯度上不如工廠的產品。畢竟大田的不可控因素太多,今天光照也許很好,但明天可能陰天,后天有可能降溫,而這些在工廠里都可以得到控制。

  3.2.3植物工廠營養生長

  不靠太陽不用土,這是營養液在循環,用來固定植株的塑料泡沫板掀起,原來植物的根系根本不是生長在土壤里,而是完全浸泡在營養液中,土壤的作用是提供營養元素和水分,而營養液除了提供水分,也供了植物生長所需的各種元素,包括氮磷鉀等大量元素及鋅鐵錳等微量元素,因此沒有必要使用土壤栽培。無土栽培的技術現在已經非常成熟,而且水栽比土栽的生長周期要快很多,也是使用水栽的重要原因。墻上顯示器上有營養液監控的數據,那是對營養液溫度控制的參數。在寒冷的天氣中,系統會對營養液進行加熱,如果溫度很低,會對植物的根系造成傷害。

國外植物工廠發展狀況 

 

典型企業 

年代 

規模

類型

作物

形式

特征

丹麥約克里斯頓

農場

1957

1000

太陽光

人工光

并用型

水芹

萵苣

水培

移動栽培

奧地利盧斯那

公司

1963

216

人工光

利用型

萵苣

水培

立體回轉

移動栽培

 

美國愛德庫都利庫

公司

1973

400

人工光

利用型

番茄

黃瓜

NFT式

水培

平面式

美國波里達卡

農場

1980

3000

太陽光

利用型

萵苣

NFT式

水培

立體多層

自動播種

收割

日本三菱重工

九州電力

1985

100

人工光

利用型

萵苣

水培

智能控制

使用機器人

日立公司中央

研究所

1985

660

人工光

利用型

萵苣

水培

平面栽培

瑞典愛伯森

農場

80年代

中期

6100

人工光

太陽光

并用型

萵苣

基質

栽培

移動調節

美國米德蘭都

公司

80年代

中期

18000

太陽光

利用型

萵苣

水培

流水作業

日本電力中央

研究所

1986

420

人工光

太陽光

并用型

菠菜萵苣草莓

水培

雙層式

夜間補光

日本TS農場

1992

1400

人工光

利用型

萵苣

氣霧耕

封閉式

循環供液

日本神內農場

2001

3000

人工光

太陽光

并用型

萵苣青菜

M式

水培

移動平面

多層機器

人收

  美國LED植物工廠   

  韓國太陽能植物工廠

 

 

  

  國外植物工廠

  5相關農機與自動化

 

  大粒種子精密定向播種技術、基于檢測與調控技術的育苗技術、自動供苗技術、瓜科幼苗的外形尺寸與變形的應對技術、茄科幼苗抓取切苗技術、瓜茄幼苗通用抓取與切苗技術、連續自動供夾技術、嫁接苗自動栽植技術、嫁接苗自動管理技術等技術,實現了嫁接生產過程的自動化、智能化。 

  6中國制造

  我國政府提出”四化同步”、“工業反哺農業”,連續多年把農業列為“重中之中”,不

  斷加大對農業的投入,尤其對高科技農業加大投入和扶持。并在2013年正式把植物工廠列入國家863科技發展計劃”。

  由于植物工廠技術不斷完善和提高,微型化迷你型植物工廠已應用人們生活各種環境,光仙子歺廳、咖啡館、酒店植物工廠,辦公室、居室植物工廠、廚房植物工廠實現了蔬菜從生產到舌尖零距離。微型植物工廠無處不在。

  恒大集團準備投資超過1000億打造中國民族品牌,現已投資近70億建設和并購了22個生產基地。以此提升中國農業產業競爭力和盈利水平,開創全球產業新格局。

  東苑、廣州、香港、浙江勿忘農等多家財團紛紛投巨資建設植物工廠。截止目前我國已建植物工廠達80多家。

  據日本株式會社專家預計:中國植物工廠未來有望達到日本植物工廠10倍以上的規模。

中國(部分)植物工廠發展狀況

名稱

面積

栽培

形式

技術

類型

技術

特點

知識

產權

規模

特點

建設

時間

中國

農科院

100

平面

多層

水培

水肥

同補

自主

創新

實驗

2000

山東壽光

48

平面

多層

基質培

水培

水肥同補

自主

創新

小型

2010

北京通州

1289

平面

多層

水培

水肥

同補

自主

創新

大型

2010

長春

農博會

200

平面

水培

水肥

同補

自主

創新

小型

2009

江蘇無錫

6000

平面

多層

水培

水肥

同補

日本

三菱技術

大型

2011

浙江麗水

農科院

2000

塔式

柱式

氣霧培

水肥

氣補

自主

創新

大型

2004

江蘇

湯山翠谷

300

平面

多層

水培

水肥

同補

日本

千葉技術

中型

2011

中國

科技大學

40

平面

多層

水培

基質培

水肥

同補

自主

創新

實驗室

2008

江蘇南京

江寧臺創園

12000

柱式

霧培

水肥

同補

自主

創新

超大型

2011

福建平潭

1680

平面

多層

水耕

水肥

同補

日本

技術

大型

2012

山東高清

616

平面

多層

水培

水肥

同補

日本

技術

中型

2012

山西楊凌

35

平面

多層

水培

水肥

同補

自主

創新

小型

2010

 

  

  7總結與討論

  植物工廠作為新型的農業形式,具有良好的發展前景、空間及潛力,與傳統農業相比,具有更高的效益和更強的可控性。它是脫離“經驗”的傳統農業的新型“科學”農業,是不受任何約束,為求利益最大化的。具有工業化,栽培方式定量化,數值化得特點。如今,植物工廠被稱為“農業的第四選擇”。

  盡管植物工廠在產量和效率方面優點突出,但存在的問題也同樣明顯,那就是高昂的成本,在一定程度上影響了它的推廣。一個一般規模的植物工廠,建成需要十幾萬元的投入,后期的運行和維護也是一筆花銷,因此如何降低成本是下一步所要面對的問題。

  通過論述植物工廠的概念技術及其衍生產品,對其有了一定的認識和了解,隨著研究的深入,越來越多的科學技術被運用于植物工廠,使其技術和管理越來越完善,同時也帶來更大的經濟效益,可以預見,植物工廠可能成為未來農業發展的主流方向。

  更多高產、高抗、高質的蔬菜、花卉、香草、藥材、苗木、糧食作物、珍稀植物、瀕危植物等植物在植物工廠中生產;更多個人、企業、財團投入到植物工廠中來、形成資金聚集、人才集中、技術集成、建設更多更大的植物工廠;更多新能源、新材料、新裝備在植物工廠中使用,使植物工廠成本更低、品質更好、效益更高;植物工廠將更加集約化、產業化、智能化、網絡化、多功能化。我國植物工廠已經迎來最佳發展機遇期。

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