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植物工厂,集众优于一身!

发布时间2019-11-11        浏览次数:96

    自古以来,靠天吃饭的农民总是企盼一年四季能够风调雨顺,似乎丰收是自然对人类的眷顾。植物工厂改变了这种“望天收”的被动,让农业从自然界的局限中得到进一步解放,可以不管寒暑且风雨无阻地进行生产,预先指定好生产流程后,就可结出想要的果实……植物工厂的好处不一而足,总之这个将“可控”这一现代设施农业的核心理念放大到极致的技术模式,不啻为人类农业史上一次里程碑式的革命。
    可控——设施农业的关键词
    农业是zui古老的产业,也是人类赖以生存的产业。尽管如今农业在国民经济中的份额有所下降,但其基本功能却是其他产业无法取代的。几千年来,农业的历史经历了游耕游牧式的原始农业和粗放低投入的传统农业两个发展阶段,20世纪随着科学技术的进步,传统农业开始向现代农业转化,首先表现为设备的现代化。借助先进的生产机械,人们不但可以从繁重的体力劳动中解放出来,腾出时间和精力去从事更大范围的劳动生产,还有效地改变了露天作业的局面,降低自然灾害的风险。但是现代农业在促进农业生产力巨大飞跃的同时,也逐渐暴露出许多缺点。首先是以消耗大量能源为代价。现代农业主要依赖的已不是人力和土地,而是石油及其制品的大量投入,全世界农业能耗从1950年到1985年的35年间增加了6.9倍,所以有人称现代农业为“石油农业”。其次是环境污染严重。含有铅、砷、汞的农药和有机氯杀虫剂等化学性质稳定,不易分解,在环境中或在农作物产品中残留期长,脂溶性高,污染危害严重——它除了直接污染土壤外,对大气水体都有不同程度的污染。
    位于北京通州的国内首座大型植物工厂。按照国际惯例1000平方米以上为大型植物工厂。
    正是由于现代农业存在着诸多弊端,科学家们纷纷提出现代农业的替代模式——替代农业。替代农业是对现代农业的完善,其类型很多,如有机农业、生态农业、持续农业、设施农业等等。其中设施农业是利用一定设施,在局部范围改善或创造环境气象因素,从而为植物生长提供良好的环境条件而进行有效生产的农业。设施农业又称可控农业,是农业摆脱自然条件的束缚、实现工厂化生产和产业化经营、由传统农业向集约型农业转变的有效生产方式。设施农业与传统农业相比具有高投入高产出的特点。植物工厂是一种高度专业化、现代化的设施农业,是继露天的地面栽培、设施栽培、水耕栽培之后出现的新型替代农业之一,它完全摆脱了大田生产条件下自然条件和气候的制约,应用现代化先进技术设备,完全由人工控制环境条件,全年均衡供应农产品。这种基于新型光源的植物工厂与常见的人工大棚种植意义上的植物工厂不同,一切工作全部交给了计算机智能管理系统,让作物生长获得zui适宜的环境条件。在“植物工厂”控制室的计算机显示屏上,各种数据清晰明了,可以显示出室内各生长单元的环境数据。数字化植物工厂就是“可控”——这一设施农业核心概念的zui大化实现。
    植物工厂内“工业化”生长的幼苗。
    何谓植物工厂
    传统农业是基于太阳光照与土壤基质等条件而进行的自然生产方式的农业,那么是不是可以采用人工光照以代替太阳光,以营养液代替土壤介质的新型农业取代传统生产方式呢?现代农业技术的发展证明:完全可以。这就是基于人工光照及环控技术的植物工厂,植物在人工模拟环培下,可以排除自然环境的不利限制因素,得以更好地生长。植物工厂(plant factory)这个概念zui早是由日本提出的。根据日本植物工厂学会的解释,植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的系统,即利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度以及营养液等环境条件进行自动控制,使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约的省力型生产。植物工厂依托于设施园艺、建筑工程、环境控制、材料科学、生物技术、信息学和计算机(网络通讯、人工智能、模拟与控制)等学科,是知识与技术密集的集约型农业生产方式。
    长春数字智能植物工厂外观。
    关于植物工厂的分类,所持角度不同,划分方式也不同。从建设规模上可分为大型(1000平方米以上)、中型(300~1000平方米)和小型(300平方米以下)三种;从生产功能上可分为种苗植物工厂和商品菜(果、花)植物工厂;从其研究对象的层次上又可分为以研究植物体为主的植物工厂,以研究植物组织为主的组织培养植物工厂,以研究植物细胞为主的细胞培养植物工厂。目前,比较习惯的分类方法是按照植物生长中zui重要的条件之一—光能的利用方式来划分,共有三种类型,即太阳光利用型、人工光利用型、太阳光和人工光并用型。其中,狭义的植物工厂是指人工光利用型,而广义的植物工厂则包括了这三种类型。植物工厂的广义定义包含了广大范围的生产设施,半自动控制的温室水耕系统,种苗繁殖系统或人工种子生产等的生产系统均属之。如上所述,植物工厂包括三种类型。它们的共同特征是:有固定的设施;利用计算机和多种传感装置实行自动化、半自动化控制;采用营养液栽培技术;产品的数量和质量大幅度提高。
    植物工厂的“大脑”——中控室。
    植物工厂简史
    早在20世纪40年代,美国加州建立了第一座人工气候室,并把营养液栽培与环境控制有机地结合起来。人工气候室的出现引发出“模拟生态环境”研究领域的一场革命。日本于1953年、前苏联于1957年也相继建成了大型人工气候室,进行人工可控环境下的栽培试验。人工气候室以及北欧在同一时期发展起来的设施园艺技术为植物工厂的出现奠定了技术基础。1957年,世界上第一座植物工厂在丹麦约克里斯顿农场建成。早期植物工厂建设规模小,类型多是人工光利用型,采用人工气候室,便于完全控制,并且主要局限在实验室内,试验作物品种单一,以芹菜和色拉莴苣为主。
    1973年英国温室作物所的Cooper教授提出了营养液膜法水培模式。该模式简化了设备结构,大大降低了生产成本,因而很快在植物工厂和无土栽培领域得到广泛应用。在此基础上,20世纪70年代初至80年代中期植物工厂技术突飞猛进,应用范围拓宽;水培技术被广泛应用,营养液配方技术日臻成熟。此间,波兰、罗马尼亚等国先后建成大小不等的十多家植物工厂。在这一时期,世界上许多企业都曾利用植物工厂开展过莴苣、西红柿、菠菜、药材和牧草等作物的栽培与生产,但除了日本发展较快外,其余国家大多停留在示范和小规模应用阶段。此外,一些国际著名公司如荷兰的飞利浦、美国的通用电气、日本的日立和电力中央研究所、三菱重工和九州岛电力公司等也纷纷投入巨资与科研机构联手进行植物工厂关键技术的开发,为植物工厂的快速发展奠定了坚实的基础。
    组培技术被称为是农业应用上的一次“革命”。无菌组培室中不同生长状态的植物。
    20世纪80年代中期,瑞典的爱伯森公司从节能和降低运行成本的角度出发,建成了一座人工光和太阳光并用型大型植物工厂,在光照、温度、气体等环境控制的自动化方面做了大量改进,为植物工厂的快速推广奠定了基础。此后,美国和加拿大也相继建成了一些有实用价值的植物工厂,美国的亚基塔尼约卢·米德兰都农场建立了一座面积为18000平方米的植物工厂,是迄今为止世界上规模zui大的。加拿大冈本农园建立的人工光蔬菜工厂,充分利用了得天独厚的气候资源,大大节省了能源和运行成本,为寒冷地区植物工厂的建设树立了典范。荷兰也是建立植物工厂zui早的国家之一,尤其是在计算机用于植物工厂环境控制方面居于世界前列。
    与欧美国家相比,日本在植物工厂方面的研究相对来讲起步较晚,但其研究与开发的速度很快。1989年成立的日本植物工厂学会具有很强的影响力。该学会还与设施园艺学会、生物园艺学会、生物环境调节学会以及气象、照明、电气等学会密切协作,以保证其研究水平的先进性和实用性。日本政府在政策与资金方面的大力支持,使植物工厂成为21世纪高科技农业的重要发展领域,极大地推动了植物工厂的普及与发展。
    植物工厂内有各种先进的配套设施,图为工作人员正在使用无菌包装设备。
    集众优于一身
    植物工厂是植物栽培的zui高境界,它集成了全自动全智能的环境模拟技术,为植物的生长与发育创造出zui佳的人工环境,是完全可控可调的按照人的意志进行管理的栽培系统。作为zui先进的植物栽培模式,在生产上植物工厂的单位面积产量是传统生产的几十倍甚至上百倍。增产的部分主要是由于:生育期大大缩短而使栽培的茬数大大提高;单株的产量在zui合适的人工环境下能比常规栽培有更大的生物量;在栽培利用空间上也可以提高7~10倍以上,正因为植物工厂的这些优越性才使产量超常规地提高,生产效率发生了质的飞跃。
    其次,植物工厂能为农业生产定茬如期准确地供应农产品。在植物工厂里,植物生长的任何环境因子都是人工精确化模拟创造的,不受外界任何因素的点滴影响,植物生长于一个数字化、可控化、可精确计算与估计的工厂内,收获期是确定的,植物对各种因子的需求也是稳定的,人们生产操作模式是标准的也是无人化机器人生产方式的。如此就能如工厂一样生产出外观形态及质量一致符合标准的农产品,譬如在植物工厂内小麦的生育期只需56天,莴苣的生育期只需35天,这些都可作为精准栽培计划生产的标准数据导入计算机的系统。再次,植物工厂是种全封闭的栽培系统,不受自然病虫侵害与土壤污染,能做到无菌化无虫化生产,栽培的植物不需使用任何杀菌治虫的化学药剂,栽培的产品是真正的绿色无公害食品,而且质量更加脆嫩与优良。
    能大大节省人力的穴盘苗移栽机。
    在植物工厂内,可以人为地控制与启动符合人们需求的基因表达时间与速度,从而可以培育为人们提供zui具营养价值与口味的高档蔬菜或者反季节蔬菜。在植物工厂内,植物的基因能比传统模式下得到zui大化zui优化的表达与发挥,培养出超常规超营养价值的农产品,而且可以通过环境的人为创造,有计划或有目的地表达一些能改善质量营养的目标基因,培养出常规环境不能培育的特色产品。植物工厂还能为生产者提供zui及时zui准确的植物生长因子与发育状况的相关资讯,为灵活而精确地调整生产方案提供数据,也能够实现任何品种的发育进程调节与产期调整。更为有利的是,在植物工厂内能按照人工研究的农艺参数为植物生长创造zui佳的生长模式,并为农业专家系统的研究与运用创造一个zui好的平台。
    自动化播种生产线。
    没有太阳与土地也能生长
    无土栽培和人工光是植物工厂的两大标志技术。植物工厂内的植物不是种在泥土中,而是利用水耕法,靠营养液生长。这种栽培方式不依赖土壤,而将植物种植在装有一定量的营养液的栽培装置中,或是在配有营养液的砂、砾石、珍珠岩、稻壳、炉渣、岩棉、蔗渣等非天然土壤基质材料做成的种植床上。营养液是由含各种植物必需营养元素的化合物溶于水配制而成。其组成成分通常包括水和含矿物质元素的化合物,有时也含有一些辅助物质。其类型和方式很多,根据其栽培是否使用固体基质材料,可以分为无基质栽培和基质栽培。与土壤栽培相比,营养液栽培能加速作物生育进程,使一年的栽培茬数增加15%~20%。植物的形状和味道,可以通过控制营养液的种类和数量等方式加以控制和改变。
    植物工厂内的“智能控制系统”使我们看到了环境与植物的互动,植物的“思想”和“需要”被人类所知,通过精确控制植物生长环境,提高生产效率。
    光照是作物生命活动的能量源泉,又是某些作物完成生命周期的重要信息。人工光源是植物工厂中zui重要的部分,也是区别于其他栽培模式的zui大不同。无论是弱光、短日照或强光、长日照都可能成为某些作物生长发育的限制因子,因此,对植物工厂内的光照环境进行调节控制是十分必要的。光照环境的调节,是根据作物的种类及生育阶段,通过一定的措施创造良好的光照环境,以提高作物的光合效率。简单讲就是补光和遮光,补光又分为光合补光和光周期补光。在高纬度地区或连续阴天造成光强和光照时数不足时,或整体作物具有较高的光照强度要求时,就需要进行光合补光;而对于光周期敏感的作物,特别是在光周期的临界期,当暗期过长而影响作物的生长发育时,就要对作物进行人工光周期补光。相应的,遮光部分也分为光合遮光和光周期遮光。在数字植物工厂内,植物的生长大多采用24小时的全天照补光或脉冲式补光,植物的同化率得到zui大化的发挥,而且光照时间与光质可以按人们栽培的需要进行调控,从而使植物的光形态实现科学化的控制。
    人工光植物生产车间。
    严格意义的植物工厂是完全人工光型的,它创造了一个完全人工的工业化生产环境。植物生长并不需要可见光中的所有波长,而只是吸收特定波长的光。例如,进行光合作用和开花时,蓝色450纳米波长有利于植物长叶,而红色660纳米则有利于开花及结果,针对不同的植物可选择不同的红蓝比例以达到zui佳的使用效果。早期的人工光选择多是在生长室内组合使用大量的荧光灯与少量的白炽灯,有时则根据不同的研究用途分别选择使用高压水银灯或氙气灯。后来又采用卤化金属灯和高压钠灯全光谱灯。近年来,LED(发光二极管)和激光灯等新光源被广泛应用与开发。
    单一波长的LED光要比太阳光更能促进光合作用。LED属于冷光源,即使离植物很近也不会把作物烤伤。
    神奇的小彩灯
    LED是英文Light Emitting Diode的缩写,广泛见于日常生活中,如家电指示灯,其基本结构是一块电致发光的半导体材料。zui早将LED用于植物栽培的是日本三菱公司,早在1982年就有将红色LED光源用于温室西红柿补光的试验报告。此后,美国国家航空航天局(NASA)也把此项技术作为太空基地等闭锁式生命维持系统的相关技术之一开展研究。1987年一威斯康辛大学的研究小组正式采用LED光源,并形成阶段性成果的研究报告。1992年日本千叶大学进行了有关LED红色光、远红色光对马铃薯生理过程影响的试验研究。以色列和中国台湾省的一些研究部门也进行过有关LED在植物工厂和组培室的试验。研究表明,植物并非利用太阳光的全部成分来进行光合作用,所以以往的照明灯中因含有红、蓝以外波长的光,导致耗电量大,特别是红外线属于热光源。目前利用蓝色和红色LED做光源栽培生菜的试验已经取得成功。此外,研究还表明植物一般在白天吸收红、蓝等限定波长的光进行光合作用,夜间主要是进行生长。因此,单一波长的LED要比波段宽的太阳光更能促进光合作用。使用LED集中特定波长的光均衡地照射作物,不仅可以调节作物开花与结实,而且还能控制株高和植物的营养成分。
    家用迷你植物工厂的栽培光源全部采用节能LED组合灯管,其能耗仅是日光灯的1/5〜1/8。
    LED光源使用低压电源,供电电压在6~24伏之间,比使用高压电源更安全,消耗能量较同光效的白炽灯减少近80%。其形状很小,可以制成各种形状的器件,并且适合于多种环境。LED灯可以使用5万小时以上,无有害金属汞,不污染环境。改变电流时可以变色,实现红黄绿蓝橙多色发光。并且它属于冷光源,置于离植物很近的地方也不会把作物烤伤,其光利用率很高,可用于多层栽培立体组合系统。当前,影响LED光源普及应用于植物工厂的因素主要有两个方面,一是与广域的光谱范围的其他人工光源相比,单色光还难以应对更多种类的作物;二是LED高昂的价格。但是随着芯片技术的不断发展,蓝色LED成本将大幅度降低,一些经济、实用的LED光源及其配套装置必将推出,为植物工厂的普及推广起到重要的推动作用。 
    上海世博会“天下一家”展馆内的“家庭植物工厂”。
    目前,新型人工光除了LED以外还有LD(激光二级管)。激光发光效率较高,且激光设备的发光光谱与植物光合作用的叶绿素吸收光谱基本一致。单纯从植物的光合作用来讲,激光的单色性与直向性对植物生长不利,但激光光源具有体积小、重量轻、低电压、脉冲发光、干涉性好、寿命长等优点,再加上它功率高、发光效率好、可以用电流直接调节。日本农业专家早在1994年就提倡使用激光作为植物工厂的照明光源。LD在植物工厂的批量应用不仅可以解决21世纪的粮食不足问题,而且连能源和资源不足的问题也会迎刃而解。从使用成本的角度来看,LD光源面临着与LED光源的价格竞争。
    大型植物工厂内的闭锁型育苗室。
    植物工厂环境控制的关键项
    温度和植物生长关系密切。其重要性在于作物必须在一定的温度条件下才能进行体内生理活动及生化反应。除人工光利用型植物工厂外,其他类型的植物工厂都是一个半封闭的热力系统,随时受到室内外诸多扰量的影响。植物工厂内的气温和营养液(或栽培床基质)的温度对作物的光合作用、呼吸作用、光合产物的输送、根系的生长以及水分和养分的吸收均有着显著的影响。室内热环境控制就是通过一定的工程措施,人为地调节室内与外界环境之间的热量变化,使温度维持在作物生长需要的水平。
    温度和植物生长关系密切。工作人员需要每天定时检测叶菜生产车间里的温度。
    除温度外,湿度以及二氧化碳也是植物工厂的两个重要环控指标。植物工厂内空气相对湿度决定了作物叶面和周围空气之间的水蒸气压力差,影响作物叶面的蒸发。湿度低,作物叶面蒸发量大,严重时导致根部供水不足,作物体内水分减少,细胞缩小,气孔率降低,光合作用产物减少;湿度高,作物叶面的蒸发量小,严重时体内水分过多,导致茎叶增大,影响产量。湿度对作物的另一个影响是病虫害。在湿度高于90%时,作物会因高湿而产生病害;在湿度过低时,作物容易发生白粉病及虫害。不同的作物对空气中相对湿度的要求也不相同,因此应根据不同的作物品种及所处的生长期对空气湿度进行调节。为了调控设施内过高的相对湿度,通常采用以下几种降湿方法:通风换气降湿、加温降湿、热泵降湿等;常用的加湿方法有喷雾加湿与湿帘风机降温系统加湿等。
    植物工厂是城镇居民感受生活、品味自然的zui好去处。
    二氧化碳是作物生长的重要原料。绿色植物在阳光下,由叶绿体将水和空气中的二氧化碳合成有机质并释放氧气的过程称为光合作用。植物通过光合作用将光能转变为贮藏在有机质中的化学能,又通过呼吸作用,即碳水化合物的氧化作用,为植物体内各种生物或化学作用提供能量。二氧化碳浓度是植物工厂重要的环境因子之一,其浓度高低直接影响着作物的生长。大气中二氧化碳浓度远不能满足作物光合作用的需要,增加二氧化碳浓度将有利于光合速率的提高。另一方面,二氧化碳浓度升高会缩小气孔开度,气孔阻力增大,在一定程度上抑制二氧化碳输送和光合速率增长。而气孔阻力增大,又会影响水汽扩散,蒸腾作用减弱,从而提高作物的水分利用率。二氧化碳的人工来源主要有以下几种:酒精酿造工业的副产品;碳氢化合物燃烧;强酸与碳酸盐化学反应分解释放二氧化碳。
    植物工厂“生产”什么
    在植物工厂里只要将操作的作业手册制定好,按部就班谁都能够生产。由此点看,理想的植物工厂是生长那些环境条件与作物生长关系已明确地量化的植物,在一定的人工环境下栽培的完全控制型系统。工厂生产以生长快速又高价格的作物较适合,其一是生产那些生长过程较单纯、叶面积较大的比较好。另外,豆芽菜或蘑菇类植物不进行光合作用,所以生长程序容易定量化,是另一类代表。叶菜类的生长,可以持续线性增重至收获,表现出无限制地快速成长。西红柿类,只要确保根系的生长持续,就可以永远不受限地生长,培养出无限生长型的巨型植物。通过精准科学的环境模拟,蔬菜得以自然快速地成长,光合作用得以zui有效地进行,生理代谢生物合成变得旺盛而健全,培育出的蔬菜营养价值更高,质量更佳,维生素A与C的含量与土壤栽培相比也同样可得数倍之提高。
    所以说,在植物工厂内植物生长过程完全可以用线性函数来表达,时间与重量是其坐标,以此描绘出完全不同于土壤生长的曲线模型。总体上,植物工厂适合生产体积小、高单价的经济作物,以花、果、菌菇、中草药、叶菜几大区块市场为主。
    植物工厂内的植物靠营养液生长。整个供液系统在计算机控制下自动运行。
    我国植物工厂的发展
    人工环境栽培的农业产品,在食品安全上能得到保障,在供货期及价格上也更稳定,是稳定供给型的农业生产方式。特别是全球性环境问题与人口剧增造成的食品危机问题都将由此得以解决,当前气候异常情况下,人工型的农业更具实际的应用前景。上世纪80年代至本世纪初是我国设施园艺发展zui快的时期,我国园艺工作者在无土栽培领域进行了大量研究。一些科教单位如中国农业科学院、中国农业大学、华南农业大学、南京农业大学等先后在营养液栽培方面进行了一些研究与开发,并取得了阶段性的成果;但就真正意义上的植物工厂而言,我国尚与国外的技术差距较大。
    2010年8月,国内首座大型植物工厂—北京市农业机械研究所京鹏植物工厂在北京通州落成并正式投入运营。农业专家指出,它标志着我国在设施农业高端技术领域已取得重大突破,成为世界上少数几个掌握植物工厂核心技术的国家之一,将对我国现代农业的发展产生深远影响。这座植物工厂分为组培播种区、育(炼)苗区、生产收获区和包装储藏区四大功能区域,采用目前种植领域国际zui前沿的技术、仪器和设备,如精准育苗生产线、移栽机器人、组培技术、营养液循环再利用技术、植物生理生态监测和环境调控技术以及光伏发电的应用信息管理技术等。在总控制室,电脑内储存着每种植物生长所需条件的相关数据,工作人员只需事先设定好温度、湿度等信息,自动培养箱就可以为种子提供它们zui适宜的发芽条件。
    作为zui前沿的栽培模式,植物工厂常被当做观光农业开发的一个主要项目,也当做学校学生学习与掌握生物自然科学的zui好基地与实践教材。图为各种空中结果的植物,令人称奇。
    组培技术被称为是农业应用上的一次“革命”。在京鹏植物工厂内就建有小型研究试验用组培室,进行光独立植物组织培养技术与设备的研究。组培育苗系统由药品室、接种室和培养室组成。可在人工控制的条件下进行集约化生产,不受自然环境中季节和恶劣天气的影响。它只需取出原材料上的一小块组织或器官就能在短期内生产出大量苗木,繁殖的后代整齐一致,能保持原有品种的优良性状。组培操作从取材到接种到培养到生根再到移栽,都能工厂化生产,空气洁净度可达10万级。在国外,各种传感器和温室环境控制系统价格昂贵,这也是其不能普及推广的主要原因。京鹏植物工厂自主开发了植物生长的叶片温度、茎流速率、茎杆微变化、果实生长等传感器,利用内嵌以太网芯片开发基于有线/无线局域网的温室环境调控系统,对植物工厂内部多个环境因子进行检测与控制,实时动态监测植物信息,运用图像处理技术和通信技术进行远距离栽培管理。通过这些传感器,能够获取温室内外环境条件的实时数据和历史数据,用以建立反映能耗指标和环境调控结果的能耗与环境评价模型,从而确立了以zui低能耗和适度环境控制为控制目标的温室预测型环境调控战略,zui终实现温室环境智能调控。
    目前,植物工厂常被当作观光农业开发的一个主要项目,那些奇花异果之乡不啻为城镇居民寻找自然、品味自然的zui好去处,或者学校学生学习与掌握生物自然科学的一个zui好基地与实践教材。但是作为zui前沿的栽培模式,如果不加速开发植物工厂这样的新型农业,中国虽是农业大国,在未来也很有可能需要靠进口来解决农产品的安全问题,这对一个泱泱大国来说,是市场的一大损失,也是一种民族之悲衰。因此,中国农业必须与时俱进,积极主动地进行植物工厂研究,以适应时代变化科技发展的潮流。
    都市农园——家用迷你植物工厂
    植物工厂的研究以往主要是针对科研工作而展开,近年来随着城市化进程加剧及环保生态健康意识的提高,如何让这种高端栽培蔬菜模式进入家庭,已成为众所关注的话题。在人居的室内利用人工光照技术及结合水培技术进行农业生产,很可能是未来城市农业的一种主要模式,其中蕴含着诸多高科技的组合与创新,同时也是一个能够走进百姓家庭解决蔬菜安全问题的实用性话题:既可作为家庭叶菜供应的补充,绿化的装饰、室内氧吧净化,也可以作为中小学生的科普教材,同时还是满足老年人栽种嗜好的平台。
    植物工厂以其无比的优越性和可操作性,势必将成为我国农业发展中一个不可或缺的研究课题与发展方向,更是未来农业的一种主要模式。
    在2010年上海世博会的“天下一家”展馆里,模拟展示了2015年时一个普通家庭的低碳生活场景。其中“低碳智能厨房”内的“家庭植物工厂”是一个全封闭智能环控型植物生产系统,电源采用“风光互补新能源发电系统”,利用取之不尽的可再生自然能源风能和太阳能发电为系统提供能量;栽培光源全部采用节能LED组合灯管;蔬菜种植在多层多功能水耕栽培床上,营养液通过智能检测系统按需供给;系统内的温度、湿度、光照、风速等由计算机系统进行智能调控,二氧化碳由人居生活环境自然供给。这种家用迷你植物工厂培养箱设计多样,适于家庭摆放,利用它可以在家居环境四季种菜,其DIY模式操作简单。箱体自带催芽室,可以作为育苗催苗或者苗菜与芽菜的生产,不需另置育苗。一般叶用蔬菜移栽后20~30天成型可收获,适合所有的叶菜与苗菜栽培。低能耗的LED补光技术,是日光灯耗能的1/5~1/8,完全不用担心家里的电费问题。计算机模块控制实现温光气热循环的完全自动操作,只需往箱内栽培,按运行键就可以自动完成;如果与网络连接,你还可以创造出网络种菜或者网络遥控园艺的远程效果!超声波雾化技术使供液供水更为便捷和静音,而且蔬菜比常规的水培或基质培生长要更快,硝酸盐的含量更低,维生素C的含量是普通蔬菜的数倍。采用雾培技术后,可以使植物工厂的空间得以zui大化地利用。一个4平方米的植物工厂可一次栽培数千株蔬菜,按照每月一批计算,至少也可生产叶菜类上百千克,完全可满足家庭生活的菜蓝子需要。
    自动供液花架。
    实际上,栽培箱体可大可小,可依据家居环境进行箱体的组件定制,按照家庭人口数进行大小规划与设计;也可以用为餐馆或者集体单位的蔬菜供应设计,如远洋舰及不适合种菜的孤岛、高山哨所、地下防空洞甚至是未来的空间站种植。这种微型植物工厂必将在不久的将来成为城镇居民解决生产无公害蔬菜的一种重要模式,它将给家居带来四季美景,给生活增添乐趣,给食物带来绝对的安全放心。
    数字植物工厂——未来农业之趋势
    城市化加剧,土地越来越少,特别是在城市或郊区,更难以找到一片从事农业的清静地。植物工厂这种集约化程度zui高的农业生产方式,是完全工厂化、流程化的模式,回避了外界气候因子的一切干扰,实现了栽培环境的精确模拟,所以生长的植物比在任何一种环境下都要好,都要快。更重要的是随着技术的改进,它是一种空间利用率zui高的栽植模式,可以实现空间的全面利用,实现多层次的立体式生长,这对于节省能源及相关资源来说是zui高效的。
    植物工厂生产运行成本居高不下,一直是其无法普及的根本问题。采用地源热泵系统和太阳能发电系统等新能源是降低成本及时减少煤炭石油等高碳能源消耗,减少温室气体排放的不二法门。在我国首座大型植物工厂——京鹏植物工厂内,15千瓦的太阳能独立光伏发电系统,可将清洁无污染的太阳能转为电能供植物工厂使用,即使连续3天雨雪天气或电力供应不正常,仍能维持植物工厂核心部分闭锁型育苗室和人工光植物生产车间的正常运作。新能源的引入不仅搭上了当前低碳经济的顺风车,在成本控制上也不可小视。植物工厂虽然在设施上一次投入较大,但是它不管在劳动力还是能源资源上都得以zui经济地利用,栽培效率与效益得到大幅度的提高;另外,从业者依赖数字系统就可进行植物工厂的管理,如果结合机器人,既可实现真正的无人化傻瓜化的管理。
    家用迷你植物工厂培养箱的设计多样,适于家庭摆放。可以放在家居环境的任何一个角落,它将给家居带来四季美景,给生活增添乐趣,给食物带来绝对的安全放心。
    目前植物工厂是国际上公认的设施农业zui高端发展阶段,仅有日本、美国、荷兰等少数国家掌握这项技术。植物工厂技术的突破将会解决未来人类发展面临的诸多关口,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、地热能和其他各种清洁能源,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出所需要的农产品。因此,这一生产方法被认为是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。






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