植物工廠優(yōu)點與歷史發(fā)展

文/許 東

植物工廠優(yōu)點與歷史發(fā)展

文/許 東

植物工廠是一個種植環(huán)境受人工控制的封閉空間，在這個空間里，植物的光合作用所需要的光質(zhì)、光量、光周期，溫度、濕度、二氧化碳濃度、營養(yǎng)液指標(biāo)、種植過程等都通過計算機與傳感器的控制，是以科學(xué)為基礎(chǔ)且獨立于經(jīng)驗和直覺的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植的工業(yè)化生產(chǎn)的途徑；植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè)的高級階段，屬物理農(nóng)業(yè)范疇。

由于環(huán)境與人口的因素，世界各國競相發(fā)展植物工廠應(yīng)用技術(shù)，植物工廠標(biāo)志著農(nóng)業(yè)產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)時代的到來，是創(chuàng)新型藍(lán)海產(chǎn)業(yè)。集多學(xué)科技術(shù)融合的植物工廠是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技最顯著的標(biāo)志。

1 植物工廠發(fā)展的歷史

1940年，美國加州帕薩迪納建立了第一座人工氣候室用于研究，并把營養(yǎng)液栽培與環(huán)境控制有機地結(jié)合起來。提出人工氣候室(Phytotron)的觀點引發(fā)“模擬生態(tài)環(huán)境”研究領(lǐng)域的一場革命。

1957年丹麥的Kristensen農(nóng)場的人工光源型植物工廠開始應(yīng)用。

1964年，奧地利Rusuna公司的立體式植物工廠，屬于自然光型植物工廠，提出“立體農(nóng)業(yè)”（Vertical Farming）的概念。

1970年開始，荷蘭的設(shè)施園藝向大型化、自動化、信息化發(fā)展，至1990年之后，與“自然光型植物工廠”名稱相符的植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)開始大規(guī)模地運作，如今，荷蘭已成為目前全球綜合型植物工廠（即自然光為主，人工光源為輔，并于半封閉型溫室進(jìn)行植物生產(chǎn)的模式）技術(shù)最領(lǐng)先的國家。

1973年英國溫室作物所的Cooper教授提出了營養(yǎng)液膜法(Nutrient Film Technique，簡稱NFT)水培模式。由于NFT簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，大大降低了生產(chǎn)成本，水培技術(shù)的發(fā)展是植物工廠應(yīng)用的重要標(biāo)志，在植物工廠和無土栽培領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1974年開始，日本開始研究植物工廠， “植物工廠”(Plant Factory)一詞始于1985年筑波科學(xué)技術(shù)萬國博覽會，1986年日本植物工廠學(xué)會成立，2006年此學(xué)會與日本生物環(huán)境調(diào)節(jié)學(xué)會合并成立日本生物環(huán)境工學(xué)會。日本在營養(yǎng)液栽培方面推出了深液流(Deep Flow Technique，簡稱DFT)栽培模式，2009年1月，日本農(nóng)林水產(chǎn)省總合糧食局長與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)審議成立的“農(nóng)工商聯(lián)合研究會”下設(shè)立了“植物工廠工作小組”(以下稱作“WG”)，于同年3月前召開了4次委員會議，2009年4月，WG報告書整理完成，并制定了日本的產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，在植物工廠領(lǐng)域，日本處于領(lǐng)先地位。

1970年初期美國的General Electric公司，1980年代的General Foods公司、General Mills公司皆展開人工光源型植物工廠的運作，但此三家皆因收支不平衡而在1990年代停止運作，1980年代美國NASA則開始使用LED作為前往火星任務(wù)的植物燈光源。

1984年，瑞典的愛伯森公司從節(jié)能和降低運行成本的角度出發(fā)，建成了一座人工光和太陽光并用型大型植物工廠，其中Swedeponic系統(tǒng)在光照、溫度、氣體等環(huán)境控制的自動化方面作了大量改進(jìn)，為植物工廠的快速推廣奠定了基礎(chǔ)。

2 植物工廠分類

按照輻射源可分為完全人工環(huán)境方式的人工型植物工廠；太陽光與人工輻射互補的混合型植物工廠；完全用太陽光的日光型植物工廠。

按照種植結(jié)構(gòu)分為平面種植和立體種植。

按照種植方式分為土培，水培，霧培。

按照種植規(guī)模分為：小型植物工廠（小于800平方米），大型植物工廠（大于1 000平方米）。

3 植物工廠的應(yīng)用

4 植物工廠優(yōu)點

4.1 植物工廠的產(chǎn)品安全度是市場盈利要點

健康產(chǎn)業(yè)是未來拉動消費增長的方向之一，植物工廠提供的蔬菜產(chǎn)品符合健康產(chǎn)業(yè)的需求，可通過植物工廠產(chǎn)品的深加工，進(jìn)一步提升植物工廠產(chǎn)品價值。

4.2 環(huán)境因素和食品安全是植物工廠發(fā)展動力

城市化進(jìn)程帶來的城市人口增加，城市周邊蔬菜種植土地不斷減少，化肥的過量使用使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的環(huán)境污染面積遠(yuǎn)大于工業(yè)污染，土地退化嚴(yán)重，農(nóng)藥的過量使用導(dǎo)致我們?nèi)粘Ｊ秤玫氖卟送庥^漂亮無任何蟲害跡象，長期食用導(dǎo)致人體器官逐步損害，透支老年健康。從我們與蔬菜種植方面的交流來看，目前的蔬菜安全性確實令人擔(dān)憂，食用的蔬菜安全性是今年比明年更好。

4.3 植物工廠從根本上改變了農(nóng)業(yè)種植技術(shù)

植物工廠從根本上改變農(nóng)業(yè)種植的概念，植物工廠被公認(rèn)的安全食品頂尖產(chǎn)業(yè)，確立了農(nóng)業(yè)產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)的模式。只有植物工廠才能夠長期穩(wěn)定地生產(chǎn)出安全型蔬菜，在市場上具有唯一性；植物工廠的種植環(huán)境是為植物生長設(shè)定的最佳環(huán)境，種植的工藝數(shù)據(jù)可以通過互聯(lián)網(wǎng)支持，植物工廠的生產(chǎn)是以科學(xué)為基礎(chǔ)且獨立于經(jīng)驗和直覺的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。生產(chǎn)者不需要掌握蔬菜種植的知識，農(nóng)業(yè)種植的工業(yè)化生產(chǎn)模式使得農(nóng)業(yè)種植通過植物工廠被提升為制造業(yè)。

4.4 植物工廠是技術(shù)跨界的產(chǎn)物

在國外，非農(nóng)產(chǎn)業(yè)的巨頭紛紛涉及植物工廠，是因為未來農(nóng)業(yè)投資回報率遠(yuǎn)大于工業(yè)，工業(yè)資本試圖掌控農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的方向，植物工廠具備工業(yè)與農(nóng)業(yè)雙重產(chǎn)業(yè)的特性，植物工廠是工業(yè)與農(nóng)業(yè)跨界的產(chǎn)品，跨界越長，產(chǎn)品爆發(fā)性越強。

植物工廠集多種學(xué)科的技術(shù)融合，這些技術(shù)的組合從根本上改變農(nóng)業(yè)種植的概念，構(gòu)建了農(nóng)業(yè)種植的工業(yè)化生產(chǎn)方式。

4.5 物聯(lián)網(wǎng)是植物工廠普及應(yīng)用的關(guān)鍵

植物工廠應(yīng)用有兩個重要點：一是以科學(xué)為基礎(chǔ)且獨立于經(jīng)驗和直覺的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，二是小型植物工廠的目標(biāo)是向城市提供安全蔬菜；表明小型植物工廠將是以城市為中心進(jìn)行布局的分布式蔬菜供應(yīng)，這就決定了植物工廠種植工藝與技術(shù)支持必須通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)，植物工廠內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)檢測傳感器的數(shù)據(jù)需要通過物聯(lián)網(wǎng)體現(xiàn)。

把植物工廠的產(chǎn)品設(shè)計方向設(shè)定為PT型植物工廠，就是實現(xiàn)種植工藝數(shù)據(jù)的空中授權(quán)，實時遠(yuǎn)程監(jiān)控，環(huán)境參數(shù)的云端存儲，用戶只要從事蔬菜的育苗、定植、采收等簡單的手工操作，整個種植過程完全由基于種植工藝數(shù)據(jù)庫的專家系統(tǒng)支持完成。互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)在植物工廠應(yīng)用過程中具有最關(guān)鍵的作用。

實現(xiàn)手機遠(yuǎn)程實時監(jiān)控種植過程，開啟了互聯(lián)網(wǎng)P2C模式，消費者可以通過手機端或PC端了解自己需求的蔬菜供應(yīng)信息，提前規(guī)劃自己的飲食安排，消費者就像農(nóng)場主一樣享受植物工廠種植帶來的健康快樂的生活。

4.6 植物工廠帶來企業(yè)轉(zhuǎn)型與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的機遇

小型植物工廠作為城市蔬菜供應(yīng)產(chǎn)業(yè)，未來發(fā)展空間巨大，需要對植物工廠設(shè)備構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化與專業(yè)化配套生產(chǎn)，植物工廠屬創(chuàng)新藍(lán)海市場，這對于工業(yè)企業(yè)是個企業(yè)轉(zhuǎn)型與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的機遇，全球性的環(huán)境保護(hù)規(guī)劃，我國政府的創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)扶持，中央已經(jīng)制定的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化政策等都對植物工廠有強大的推動力，使資本利益最大化是企業(yè)家的共識，那么，植物工廠確實是個好選擇。

■許東，高級工程師，好亮固體光源研究所所長，2003年創(chuàng)辦好亮固體光源研究所，一直從事LED相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計研究。