植物工廠的定義與發(fā)展背景
作者: 時間: 2024-03-18
植物工廠作為設施園藝的最高級發(fā)展階段，植物工廠是通過設施內高精度環(huán)境控制實現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng)，即利用計算機對環(huán)境溫度、濕度光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境條件進行自動控制，使設施內作物生長發(fā)育不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)系統(tǒng)(楊其長和張成波，2005)。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)相比，設施農(nóng)業(yè)具有資源利用率高(土地資源、水肥資源、能源等)、生產(chǎn)要素可精準控制、復種指數(shù)高、系統(tǒng)可周年生產(chǎn)、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、產(chǎn)品優(yōu)質無污染和工廠化、智能化管理等特點。
植物工廠是繼我國塑料大棚、日光溫室、玻璃溫室、連棟溫室后出現(xiàn)的新型設施園藝生產(chǎn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)相比，植物工廠是設施園藝發(fā)展的最高階段，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢植物工廠在蔬菜、花卉、果品、藥用植物和食用菌生產(chǎn)方面具有重要用途，而且在種苗、組培苗、大田作物育苗(水稻、煙草等)和瀕危植物(中草藥)擴繁與生產(chǎn)中具有獨特的用途。設施農(nóng)業(yè)通過強化對光照、溫度和CO2等環(huán)境要素，對水肥實施精準控制，可根據(jù)作物不同生長發(fā)育階段的水肥需求進行定量供給，充分體現(xiàn)了“環(huán)境替代資源的戰(zhàn)略”構想的內涵。植物工廠按光照來源可分為人工光植物工廠和太陽光植物工廠兩種。前者指在完全密閉可控的環(huán)境下采用人工光源與營養(yǎng)液栽培技術，在不受外界氣候條件影響的環(huán)境下，進行植物周年連續(xù)生產(chǎn)的植物工廠。后者指在半密閉的溫室環(huán)境下，主要利用太陽光或短期人工補光以及營養(yǎng)液栽培技術進行植物周年連續(xù)生產(chǎn)的植物工廠，即智能化控制的連棟溫室。狹義的植物工廠是指人工光植物工廠。
總結而言，植物工廠作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，其發(fā)展背景受多元背景因素的直接或間接驅動，是我國設施園藝發(fā)展的必然選擇，通過植物工廠產(chǎn)業(yè)化實現(xiàn)中國設施園藝產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展。多元驅動背景詳述如下。
(1)全球氣候變化背景。
①氣候變化導致極端天氣事件時有發(fā)生，氣候災害更加頻繁，使露地農(nóng)田系統(tǒng)生產(chǎn)性能穩(wěn)定性降低;在諸多植物難以防御自然災害面前，植物生產(chǎn)面臨挑戰(zhàn);
②氣候變化下溫度、C02濃度等氣象因素的變化直接影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量品質，設施農(nóng)業(yè)人工調控干預的必要性和迫切性增加，設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)策略需要調整;
③臭氧層破壞導致露地光輻射UV組分增強，影響露地及設施植物生長發(fā)育，需要制定應對策略。
(2)國際設施園藝發(fā)展背景。
①設施園藝是環(huán)控農(nóng)業(yè)，環(huán)境控制是基本手段，生產(chǎn)要素的環(huán)控水平首先取決于設施類型的隔熱保溫、透光性能，因塑料大棚、日光溫室、玻璃溫室、連棟溫室和植物工廠環(huán)控水平逐級提高，是設施農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢;
②國際設施園藝強國均在發(fā)展以水肥一體化管控、環(huán)境因子自動化管控為技術特征的現(xiàn)代設施園藝產(chǎn)業(yè)。如日本、荷蘭、以色列和美國等設施園藝發(fā)達國家實踐經(jīng)驗指明了植物工廠發(fā)展的廣闊前景。
(3)農(nóng)業(yè)資源環(huán)境背景。
①農(nóng)田環(huán)境污染嚴重(農(nóng)藥、重金屬和抗生素等)，食品安全問題日益突出;
②農(nóng)業(yè)資源(土地、水肥和電能等)短缺，質量下降。農(nóng)業(yè)資源數(shù)量和質量，農(nóng)業(yè)環(huán)境的承載力已無法支撐傳統(tǒng)粗放式設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，必須實施集約化、工廠化和規(guī)?；a(chǎn)方式，提高資源利用效率，減少環(huán)境廢棄物排放;③農(nóng)業(yè)稀缺植物資源枯竭，需要植物工廠規(guī)?；a(chǎn)保護種質資源。
(4)食物安全保障背景。
①快捷高效、大規(guī)模新鮮農(nóng)產(chǎn)品周年連續(xù)生產(chǎn)的迫切需要，滿足食物數(shù)量需求，保障有效供給;
②無污染、安全、高保健價值植物產(chǎn)品周年連續(xù)生產(chǎn)的需求，保證質量安全。由于是在干凈無塵的環(huán)境中生長，加上沒有使用殺蟲劑，不含重金屬等污染物，可富含特定保健營養(yǎng)物質所以植物工廠種植出來的蔬菜營養(yǎng)健全，口感佳，不需要清洗就能直接品嘗鮮食。
(5)社會發(fā)展水平背景。
①全球人口在21世紀持續(xù)增長，對糧食和農(nóng)產(chǎn)品的需求數(shù)量和質量逐年增加;
②城市化進程加快，農(nóng)業(yè)勞動力短缺，必然需要提高設施農(nóng)業(yè)自動化管控水平，減少對勞動力數(shù)量依賴:
③城市人口劇增，城市農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢明顯，植物工廠就地產(chǎn)銷的優(yōu)勢明顯，減少了碳足跡和碳排放提高了土地利用效率。
(6)技術裝備水平背景。
植物工廠是科技發(fā)展耦合驅動的產(chǎn)物。植物工廠是建立在人們對植物生理學規(guī)律全面認知，以及對無土栽培技術、LED照明技術、智能控制等技術、環(huán)境檢測技術、太陽能光伏發(fā)電等技術發(fā)展耦合驅動的產(chǎn)物。其中，LED節(jié)能固態(tài)光源的發(fā)明及其照明技術發(fā)展是21世紀植物工廠技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最直接、最有效的科技驅動力，從技術、效率、產(chǎn)品質量和運營成本等多個方面提振了植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展信心，完善了植物工廠的發(fā)展策略?？梢哉J為，20世紀60-90年代，LED光源的陸續(xù)發(fā)明與照明技術的成熟是推動植物工廠21世紀快速發(fā)展的最直接、最有效、最持久的技術裝備因素，兼具多重效益目標、多元調控內涵、多樣應用場景的巨大優(yōu)勢，成為替代傳統(tǒng)光源實現(xiàn)植物工廠全生產(chǎn)要素智能化管控的關鍵且不可或缺的一環(huán)。
(7)我國設施園藝跨越式發(fā)展的客觀需求。
在我國設施農(nóng)業(yè)一直以北方日光溫室和南方塑料大棚為主體的園藝設施，陷入了低投入一低產(chǎn)出一低效益的惡性循環(huán)中，單產(chǎn)不高，資源環(huán)境代價偏大，迫切需要利用工程手段進行變革實施“環(huán)境替代資源”發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。只有在生產(chǎn)要素高精度條件下，才可改善農(nóng)業(yè)生物的產(chǎn)量、品質，縮短生長周期，提高生產(chǎn)效益。我國農(nóng)業(yè)發(fā)展正面臨著人口、資源、環(huán)境的巨大壓力和社會需求持續(xù)增長的嚴峻挑戰(zhàn)以工業(yè)化生產(chǎn)理念構建工廠化農(nóng)業(yè)正是擺脫耕地、水、氣候等資源和環(huán)境的制約，實現(xiàn)產(chǎn)出高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代可持續(xù)農(nóng)業(yè)的必由之路。國際上，設施園藝強國爭相發(fā)展植物工廠產(chǎn)業(yè)，以應對各種農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。
我國設施園藝(特別是設施蔬菜)產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于變革的十字路口，待增強設施園藝自動化和環(huán)境可控化水平，擺脫設施蔬菜冬春季“忍饑受凍”和夏季“強光高溫”的危害。必須充分利用土壤栽培的優(yōu)點，削減因水肥過量使用導致的病蟲害和土壤環(huán)境質量問題，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，提升單產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品品質當前設施園藝的主體設施是目光溫室，基于日光溫室的優(yōu)缺點，必須大力發(fā)展太陽光植物工廠以彌補日光溫室園藝作物生產(chǎn)的不足，加速我國設施園藝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于維護結構和空間結構特征差異，日光溫室存在空間小、環(huán)控水平低、土壤栽培問題嚴重、水肥管控粗放、操作工人數(shù)量多、難以生產(chǎn)高檔園藝作物等缺點，太陽光植物工廠恰能很好地解決上述問題。當然，太陽光植物工廠較日光溫室，也存在成本高、維護運行費用高、工人素質要求高、資源能源投入高等問題，但從國際設施園藝發(fā)展的成功經(jīng)驗來看，放棄日光溫室低投入一低產(chǎn)出一低效益的思想，走適當(高)投入-高產(chǎn)出一高效益的現(xiàn)代設施園藝產(chǎn)業(yè)思路是必然選擇。植物工廠不僅極大地擴大和延長了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的空間和時間，提高了土、肥、水、光、熱等農(nóng)業(yè)資源的利用率和集約化程度，使單位土地面積的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)效率、經(jīng)濟效益成倍增長，還能克服傳統(tǒng)土壤栽培中常見的連作障礙、土傳病害的發(fā)生、土壤肥力的下降及因化學肥料的流失而造成的環(huán)境問題的發(fā)生(Massantini等，1988;Hayden，2006;段彥丹等2008;Rouphael等，2015)，被認為是21世紀解決糧食安全的有效途徑。
植物工廠是繼我國塑料大棚、日光溫室、玻璃溫室、連棟溫室后出現(xiàn)的新型設施園藝生產(chǎn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)相比，植物工廠是設施園藝發(fā)展的最高階段，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢植物工廠在蔬菜、花卉、果品、藥用植物和食用菌生產(chǎn)方面具有重要用途，而且在種苗、組培苗、大田作物育苗(水稻、煙草等)和瀕危植物(中草藥)擴繁與生產(chǎn)中具有獨特的用途。設施農(nóng)業(yè)通過強化對光照、溫度和CO2等環(huán)境要素，對水肥實施精準控制，可根據(jù)作物不同生長發(fā)育階段的水肥需求進行定量供給，充分體現(xiàn)了“環(huán)境替代資源的戰(zhàn)略”構想的內涵。植物工廠按光照來源可分為人工光植物工廠和太陽光植物工廠兩種。前者指在完全密閉可控的環(huán)境下采用人工光源與營養(yǎng)液栽培技術，在不受外界氣候條件影響的環(huán)境下，進行植物周年連續(xù)生產(chǎn)的植物工廠。后者指在半密閉的溫室環(huán)境下，主要利用太陽光或短期人工補光以及營養(yǎng)液栽培技術進行植物周年連續(xù)生產(chǎn)的植物工廠，即智能化控制的連棟溫室。狹義的植物工廠是指人工光植物工廠。
總結而言，植物工廠作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，其發(fā)展背景受多元背景因素的直接或間接驅動，是我國設施園藝發(fā)展的必然選擇，通過植物工廠產(chǎn)業(yè)化實現(xiàn)中國設施園藝產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展。多元驅動背景詳述如下。
(1)全球氣候變化背景。
①氣候變化導致極端天氣事件時有發(fā)生，氣候災害更加頻繁，使露地農(nóng)田系統(tǒng)生產(chǎn)性能穩(wěn)定性降低;在諸多植物難以防御自然災害面前，植物生產(chǎn)面臨挑戰(zhàn);
②氣候變化下溫度、C02濃度等氣象因素的變化直接影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量品質，設施農(nóng)業(yè)人工調控干預的必要性和迫切性增加，設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)策略需要調整;
③臭氧層破壞導致露地光輻射UV組分增強，影響露地及設施植物生長發(fā)育，需要制定應對策略。
(2)國際設施園藝發(fā)展背景。
①設施園藝是環(huán)控農(nóng)業(yè)，環(huán)境控制是基本手段，生產(chǎn)要素的環(huán)控水平首先取決于設施類型的隔熱保溫、透光性能，因塑料大棚、日光溫室、玻璃溫室、連棟溫室和植物工廠環(huán)控水平逐級提高，是設施農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢;
②國際設施園藝強國均在發(fā)展以水肥一體化管控、環(huán)境因子自動化管控為技術特征的現(xiàn)代設施園藝產(chǎn)業(yè)。如日本、荷蘭、以色列和美國等設施園藝發(fā)達國家實踐經(jīng)驗指明了植物工廠發(fā)展的廣闊前景。
(3)農(nóng)業(yè)資源環(huán)境背景。
①農(nóng)田環(huán)境污染嚴重(農(nóng)藥、重金屬和抗生素等)，食品安全問題日益突出;
②農(nóng)業(yè)資源(土地、水肥和電能等)短缺，質量下降。農(nóng)業(yè)資源數(shù)量和質量，農(nóng)業(yè)環(huán)境的承載力已無法支撐傳統(tǒng)粗放式設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，必須實施集約化、工廠化和規(guī)?；a(chǎn)方式，提高資源利用效率，減少環(huán)境廢棄物排放;③農(nóng)業(yè)稀缺植物資源枯竭，需要植物工廠規(guī)?；a(chǎn)保護種質資源。
(4)食物安全保障背景。
①快捷高效、大規(guī)模新鮮農(nóng)產(chǎn)品周年連續(xù)生產(chǎn)的迫切需要，滿足食物數(shù)量需求，保障有效供給;
②無污染、安全、高保健價值植物產(chǎn)品周年連續(xù)生產(chǎn)的需求，保證質量安全。由于是在干凈無塵的環(huán)境中生長，加上沒有使用殺蟲劑，不含重金屬等污染物，可富含特定保健營養(yǎng)物質所以植物工廠種植出來的蔬菜營養(yǎng)健全，口感佳，不需要清洗就能直接品嘗鮮食。
(5)社會發(fā)展水平背景。
①全球人口在21世紀持續(xù)增長，對糧食和農(nóng)產(chǎn)品的需求數(shù)量和質量逐年增加;
②城市化進程加快，農(nóng)業(yè)勞動力短缺，必然需要提高設施農(nóng)業(yè)自動化管控水平，減少對勞動力數(shù)量依賴:
③城市人口劇增，城市農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢明顯，植物工廠就地產(chǎn)銷的優(yōu)勢明顯，減少了碳足跡和碳排放提高了土地利用效率。
(6)技術裝備水平背景。
植物工廠是科技發(fā)展耦合驅動的產(chǎn)物。植物工廠是建立在人們對植物生理學規(guī)律全面認知，以及對無土栽培技術、LED照明技術、智能控制等技術、環(huán)境檢測技術、太陽能光伏發(fā)電等技術發(fā)展耦合驅動的產(chǎn)物。其中，LED節(jié)能固態(tài)光源的發(fā)明及其照明技術發(fā)展是21世紀植物工廠技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最直接、最有效的科技驅動力，從技術、效率、產(chǎn)品質量和運營成本等多個方面提振了植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展信心，完善了植物工廠的發(fā)展策略?？梢哉J為，20世紀60-90年代，LED光源的陸續(xù)發(fā)明與照明技術的成熟是推動植物工廠21世紀快速發(fā)展的最直接、最有效、最持久的技術裝備因素，兼具多重效益目標、多元調控內涵、多樣應用場景的巨大優(yōu)勢，成為替代傳統(tǒng)光源實現(xiàn)植物工廠全生產(chǎn)要素智能化管控的關鍵且不可或缺的一環(huán)。
(7)我國設施園藝跨越式發(fā)展的客觀需求。
在我國設施農(nóng)業(yè)一直以北方日光溫室和南方塑料大棚為主體的園藝設施，陷入了低投入一低產(chǎn)出一低效益的惡性循環(huán)中，單產(chǎn)不高，資源環(huán)境代價偏大，迫切需要利用工程手段進行變革實施“環(huán)境替代資源”發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。只有在生產(chǎn)要素高精度條件下，才可改善農(nóng)業(yè)生物的產(chǎn)量、品質，縮短生長周期，提高生產(chǎn)效益。我國農(nóng)業(yè)發(fā)展正面臨著人口、資源、環(huán)境的巨大壓力和社會需求持續(xù)增長的嚴峻挑戰(zhàn)以工業(yè)化生產(chǎn)理念構建工廠化農(nóng)業(yè)正是擺脫耕地、水、氣候等資源和環(huán)境的制約，實現(xiàn)產(chǎn)出高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代可持續(xù)農(nóng)業(yè)的必由之路。國際上，設施園藝強國爭相發(fā)展植物工廠產(chǎn)業(yè)，以應對各種農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。
我國設施園藝(特別是設施蔬菜)產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于變革的十字路口，待增強設施園藝自動化和環(huán)境可控化水平，擺脫設施蔬菜冬春季“忍饑受凍”和夏季“強光高溫”的危害。必須充分利用土壤栽培的優(yōu)點，削減因水肥過量使用導致的病蟲害和土壤環(huán)境質量問題，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，提升單產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品品質當前設施園藝的主體設施是目光溫室，基于日光溫室的優(yōu)缺點，必須大力發(fā)展太陽光植物工廠以彌補日光溫室園藝作物生產(chǎn)的不足，加速我國設施園藝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于維護結構和空間結構特征差異，日光溫室存在空間小、環(huán)控水平低、土壤栽培問題嚴重、水肥管控粗放、操作工人數(shù)量多、難以生產(chǎn)高檔園藝作物等缺點，太陽光植物工廠恰能很好地解決上述問題。當然，太陽光植物工廠較日光溫室，也存在成本高、維護運行費用高、工人素質要求高、資源能源投入高等問題，但從國際設施園藝發(fā)展的成功經(jīng)驗來看，放棄日光溫室低投入一低產(chǎn)出一低效益的思想，走適當(高)投入-高產(chǎn)出一高效益的現(xiàn)代設施園藝產(chǎn)業(yè)思路是必然選擇。植物工廠不僅極大地擴大和延長了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的空間和時間，提高了土、肥、水、光、熱等農(nóng)業(yè)資源的利用率和集約化程度，使單位土地面積的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)效率、經(jīng)濟效益成倍增長，還能克服傳統(tǒng)土壤栽培中常見的連作障礙、土傳病害的發(fā)生、土壤肥力的下降及因化學肥料的流失而造成的環(huán)境問題的發(fā)生(Massantini等，1988;Hayden，2006;段彥丹等2008;Rouphael等，2015)，被認為是21世紀解決糧食安全的有效途徑。