人工光利用型植物工廠核心技術(shù)研究進(jìn)展

崔佳維　陳智杰　鄭胤建　劉厚誠　雷炳富

【摘要】隨著對植物生長發(fā)育的深入了解和對環(huán)境控制技術(shù)的不斷探索，人們逐步掌握在完全密閉的環(huán)境中培育植物的技術(shù)，即在人工光利用型植物工廠中栽培作物。主要對人工光利用型植物工廠的產(chǎn)生與發(fā)展、優(yōu)點與不足以及發(fā)展方向進(jìn)行簡單介紹，并對人工光利用型植物工廠的核心技術(shù)：無土栽培技術(shù)、光照技術(shù)和環(huán)境控制技術(shù)進(jìn)行整理歸納，總結(jié)出適合人工光利用型植物工廠的栽培管理方式，以期加深人們對人工光利用型植物工廠的認(rèn)識和了解，為在人工光利用型植物工廠中栽培作物提供借鑒指導(dǎo)。

隨著人口的持續(xù)增長，耕地資源的不斷減少，食品安全和農(nóng)業(yè)從業(yè)人口老齡化等問題的日益突出，植物工廠越來越受到人們的關(guān)注[1]。植物工廠分為太陽光利用型和人工光利用型兩種。人工光利用型植物工廠，又叫封閉型植物工廠，是使用保溫不透光材料作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在完全密閉可控的環(huán)境下采用全人工光為植物提供光源，運用現(xiàn)代化營養(yǎng)液栽培與物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境調(diào)控等技術(shù)，進(jìn)行植物周年生產(chǎn)的栽培設(shè)施[2]。人工光利用型植物工廠是植物工廠的高級形式，對國內(nèi)的普通大眾來說是一個全新的概念，本文主要對人工光利用型植物工廠的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和梳理，圍繞人工光利用型植物工廠的基本情況和核心技術(shù)開展介紹，以期加深人們對人工光利用型植物工廠的認(rèn)識和了解。

人工光利用型植物工廠簡介

產(chǎn)生與發(fā)展

20世紀(jì)60年代，人工光利用型植物工廠產(chǎn)生于美國和奧地利，該階段屬于植物工廠的試驗研究階段。隨后在歐美地區(qū)開始出現(xiàn)各式各樣的植物工廠，開發(fā)了更多的栽培形式和環(huán)境控制技術(shù)，太陽光利用型植物工廠從試驗研究階段開始進(jìn)入示范應(yīng)用階段，而人工光利用型植物工廠仍處于試驗研究階段。自20世紀(jì)70年代日本開始著手人工光利用型植物工廠的研究以來，人工光利用型植物工廠的發(fā)展開始進(jìn)入發(fā)展應(yīng)用階段[3]。據(jù)統(tǒng)計，目前日本已經(jīng)有近250個人工光利用型植物工廠用于商業(yè)化生產(chǎn)[4]，并將植物工廠作為高科技產(chǎn)品出售到中國香港、俄羅斯和蒙古國等地[5]。從2009年開始，韓國政府大力支持人工光利用型植物工廠的研發(fā)，僅僅幾年間，科研單位和企業(yè)就推出了10多個型號的植物工廠產(chǎn)品[6]。由于歐美國家多以垂直農(nóng)場來定義植物工廠，統(tǒng)計缺乏一致性，因此尚未獲得確切數(shù)據(jù)。

中國人工光利用型植物工廠的研究起步較晚，但發(fā)展較快。2006年，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院建成人工光利用型植物工廠試驗系統(tǒng)；2009年9月，商業(yè)化的人工光利用型植物工廠在吉林長春建成；2010年5月，中國科學(xué)家成功研制出“低碳·智能·家庭植物工廠”，并在上海世博會展出[7]；2013年，中國科學(xué)技術(shù)部于2013年以“863項目”形式啟動了“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究（2013AA103000）”專項[4]。在中國臺灣地區(qū)，人工光利用型植物工廠已形成產(chǎn)業(yè)且發(fā)展迅速，在2009～2015年間投入產(chǎn)業(yè)的企業(yè)數(shù)由不足10家成長到超過百家[8]。2016年6月，中國科學(xué)院植物研究所和福建三安集團(tuán)合力打造大規(guī)模的植物工廠，建成了單體面積1萬m2植物工廠并正式投產(chǎn)，日產(chǎn)綠色無污染、高品質(zhì)蔬菜1.5 t，成為中國商業(yè)化人工光利用型植物工廠的優(yōu)秀代表[9]。

優(yōu)勢

植物工廠生產(chǎn)作為設(shè)施生產(chǎn)的高級形式，在一定程度上進(jìn)一步減弱了植物對自然環(huán)境的依賴程度，而人工光利用型植物工廠作為植物工廠的高級形式，與普通植物工廠相比有更多的優(yōu)勢：①封閉程度高，環(huán)境可控能力強，可制定最優(yōu)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)控；②可實現(xiàn)無菌無蟲生產(chǎn)，避免農(nóng)藥的使用，產(chǎn)品安全無污染；③完全采用人工光，有利于更好探索植物對光的反應(yīng)機理，為不同植物制定更為適宜的光質(zhì)配比；④因環(huán)境適宜作物生長，生產(chǎn)效率更高。大體估算得出，人工光利用型植物工廠葉菜生產(chǎn)效率是露地的108倍，生產(chǎn)效率的提高得益于多層立體栽培的實現(xiàn)和智能化人工光源的使用及其光環(huán)境調(diào)控[10]；⑤不受耕地限制，適用范圍更為廣泛。人工光利用型植物工廠可以建在廢舊廠房、地下室等地方，充分利用空間。室內(nèi)微型植物工廠更是可以安插在都市的各個角落，極大地擴展了生產(chǎn)空間。

缺點

目前大多數(shù)人工光利用型植物工廠處于試驗示范階段，普及程度較低，與其存在的問題有很大關(guān)系。人工光利用型植物工廠存在的缺點有：①植物工廠普遍存在投資大的問題，包括成本偏高和能源負(fù)荷大，植物工廠每平方米的最低造價在千元以上，最高達(dá)萬元[11]，具有完整植物環(huán)境監(jiān)控技術(shù)和采用全人工光的植物工廠能耗更是驚人。②人工光利用型植物工廠受各種條件的限制一般比較小型，為充分利用空間也都是采用立體栽培，因此適宜人工光利用型植物工廠種植的植物相對小型，適種品種比較有限。目前人工光利用型植物工廠僅限于小型的蔬菜、水果、草藥和花卉的栽培與一些園藝作物的育苗[12]。③從目前看來，僅有部分作物具有相對標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，大多數(shù)的作物在實際生產(chǎn)中缺乏生產(chǎn)指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持。關(guān)于人工光利用型植物工廠的研究相對較少，在全人工光照條件下植物生長的機理尚未明確。這一問題會使部分未開發(fā)的作物在植物工廠中的生長效果和生產(chǎn)效率受到影響[13]。④經(jīng)濟效益問題。由于初期投資大、運行成本高等原因，植物工廠產(chǎn)出的蔬菜成本比普通農(nóng)場種植的蔬菜要高出50%～200%[7]。這就造成銷售價格過高，普通百姓難以接受，從而影響產(chǎn)品的銷售狀況，一些建成投產(chǎn)的人工光利用型植物工廠由于經(jīng)營效果不佳，面臨破產(chǎn)的風(fēng)險。

人工光利用型植物工廠發(fā)展方向

◎ 規(guī)模

人工光利用型植物工廠主要沿著兩個方向發(fā)展：一是生產(chǎn)規(guī)?；?，即向大型植物工廠發(fā)展；二是家庭普及化，即向微型植物工廠發(fā)展[13-14]。人工光利用型植物工廠想要占領(lǐng)市場，獲得較好的經(jīng)濟效益，就必須提高生產(chǎn)效率，而實現(xiàn)這一目的的方法之一就是擴大生產(chǎn)規(guī)模。隨著城市化的發(fā)展和人們對生活品質(zhì)的提高，家庭植物工廠的出現(xiàn)讓都市生活的人們在工作之余感受田園樂趣的同時也能吃到放心的蔬菜，因此家庭植物工廠的概念一經(jīng)提出就得到廣大都市白領(lǐng)的追捧。endprint

◎ 環(huán)境控制

作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化的代表，人工光利用型植物工廠的環(huán)境調(diào)控尤為重要。隨著無線控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，人工光利用型植物工廠向著全自動化的領(lǐng)域發(fā)展，不但可以節(jié)約成本，降低維護(hù)費用，還可以節(jié)省人力資源[13]。植物環(huán)境控制必將走向精準(zhǔn)化，智能化。

◎ 生產(chǎn)成本

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新型材料逐漸運用到人工光利用型植物工廠的外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)施上，降低了人工光利用型植物工廠的建設(shè)成本；隨著節(jié)能技術(shù)和可再生能源的融入，人工光利用型植物工廠的后期能耗投入將進(jìn)一步降低。

◎ 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

目前，人工光利用型植物工廠還沒有比較完善的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)必將向多方合作的方向發(fā)展。近年來，照明市場進(jìn)入全紅海階段，半導(dǎo)體市場出現(xiàn)產(chǎn)能過剩的情況[15]，一大批LED企業(yè)轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)照明領(lǐng)域；高校對植物工廠方面的研究取得一定成果，但投入生產(chǎn)實踐的很少，高校與企業(yè)合作是植物工廠發(fā)展的契機；微型植物工廠作為一種新型家居，更是可以和家居家電生產(chǎn)廠家合作，吸納先進(jìn)的微環(huán)境控制技術(shù)和銷售渠道。

人工光利用型植物工廠核心技術(shù)

人工光利用型植物工廠的核心技術(shù)包括無土栽培技術(shù)、光照技術(shù)和環(huán)境控制技術(shù)，三類技術(shù)彼此關(guān)聯(lián)，以植物高效生產(chǎn)為目標(biāo)進(jìn)行集成[16]。雖然不同作物所需的生長環(huán)境不盡相同，各地的人工光利用型植物工廠所采用的的技術(shù)也千差萬別，但由于植物生長具有一般規(guī)律性，通過大量試驗可以總結(jié)出一定的生產(chǎn)參數(shù)，只有在此基礎(chǔ)上發(fā)展創(chuàng)新才能生產(chǎn)出高效優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

無土栽培技術(shù)

◎ 無土栽培形式的選擇

無土栽培技術(shù)可分為固體基質(zhì)培和非固體基質(zhì)培，非固體基質(zhì)培又可分為水培和霧培。由于人工光利用型植物工廠清潔性要求較高，目前比較常用的是平面多層立體栽培形式和與之相配套的營養(yǎng)液水培技術(shù)。還有一種是與多面體立體栽培形式配套的霧培技術(shù)，這種模式的使用相對較少[17]。

◎ 營養(yǎng)液配方的選擇

營養(yǎng)液是無土栽培技術(shù)的核心，不論哪一種栽培形式都離不開營養(yǎng)液配方的選擇，作為植物生長所需礦質(zhì)營養(yǎng)的來源，配方的適用性直接影響到植物生長狀況。世界上營養(yǎng)液配方已有數(shù)百種，適用于不同的栽培形式和作物。研究發(fā)現(xiàn)，礦質(zhì)元素的含量、形式以及濃度均可以影響植物的生長狀況，在營養(yǎng)液配方上要根據(jù)需求和對應(yīng)性來選擇。當(dāng)有某種作物對應(yīng)的配方時，盡量采用對應(yīng)配方。比如在番茄育苗試驗中，孫紅敏等[18]發(fā)現(xiàn)選用山崎番茄配方比通用配方更適宜番茄的生長。試驗發(fā)現(xiàn)，在葉菜無土栽培試驗中，使用荷蘭溫室配方和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)葉菜B配方總體表現(xiàn)較為良好。經(jīng)霍格蘭和施耐德配方處理的葉菜，可溶性糖、可溶性蛋白、VC含量較高，具有良好的品質(zhì)，但硝酸鹽含量比其他處理高，而使用含有銨態(tài)氮配方的作物硝酸鹽含量較低[19-23]。

◎ 營養(yǎng)液自毒物質(zhì)清除技術(shù)

人工光利用型植物工廠中，營養(yǎng)液是循環(huán)利用的，因此營養(yǎng)液的消毒殺菌和自毒物質(zhì)的清除十分必要。關(guān)于營養(yǎng)液的消毒殺菌方法目前國內(nèi)外已有大量的研究報道，如紫外線消毒，紫外線-臭氧聯(lián)合消毒，高溫消毒，慢砂過濾等。而對營養(yǎng)液中累積的自毒物質(zhì)的去除方法的研究較少。目前，營養(yǎng)液中自毒物質(zhì)的去除方法，主要有活性碳吸附法和納米TiO2光催化法。活性炭吸附技術(shù)具有吸附飽和點，難以重復(fù)利用，TiO2光催化法是目前比較有效的方法，是利用其在紫外光照射下產(chǎn)生的強烈的氧化性來降解營養(yǎng)液中累積的自毒物質(zhì)，試驗證明對6種典型自毒物質(zhì)降解有效，可以利用在營養(yǎng)液處理系統(tǒng)中[24]。

光照技術(shù)

◎ 光源設(shè)備的選擇

生產(chǎn)實踐中，一般以白熾燈、高壓鈉燈、熒光燈作為植物補光和調(diào)整光周期的設(shè)備，但由于高耗能和與植物吸收光譜不吻合等原因逐漸被淘汰。LED作為一種新型光源，具有體積小、壽命長、光效高、可控性好、光譜可調(diào)和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，現(xiàn)已逐漸代替熒光燈成為人工光利用型植物工廠的理想光源[25]。

◎ 光環(huán)境調(diào)控技術(shù)

在人工光利用型植物工廠中，植物的光環(huán)境完全由人工光提供，LED作為可調(diào)光源，能夠?qū)崿F(xiàn)對光環(huán)境的完全調(diào)控。根據(jù)多年的觀察和試驗，徐永[26]提出光在七個維度上調(diào)節(jié)植物生長，包括光強、光質(zhì)、光照模式、均勻性、方向性、偏振性和相干性。光影響植物生長一般歸因于三個維度，即光強、光質(zhì)和光照模式?，F(xiàn)階段光影響植物生長發(fā)育的研究和應(yīng)用也大多集中在這三個方面。

光強直接影響植物的光合作用的強弱，在植物的生產(chǎn)和研究中，光強通常由光合有效光量子通量（photosynthetic photon flux，PPF）來表示，PPF的單位為μmol/（m2·s）。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗和一些試驗（表1）表明，一定范圍CO2濃度下葉菜類幼苗期以100～150 μmol/（m2·s）的光強為宜，后期300 μmol/（m2·s）左右的光強基本可以滿足產(chǎn)量和品質(zhì)的要求；瓜類育苗以200 μmol/（m2·s）左右的光強為宜；茄果類的育苗以

300 μmol/（m2·s）左右的光強為宜。由于生產(chǎn)條件和作物種類需求的不同，大規(guī)模生產(chǎn)前應(yīng)做小批量試驗，確定具體適宜光強。

在自然條件下，植物生長接受的是太陽光的全部光譜，但植物可以利用的光合有效輻射只占其中的50%，包括400～700 nm的光合有效光譜輻射、部分紫外輻射（UV-B或UV-A）和部分遠(yuǎn)紅輻射（Fr）。紅光和藍(lán)光波段基本可以滿足植物生長發(fā)育的需求，同時也是植物的必需光質(zhì)[38]。因此植物工廠中一般選擇紅藍(lán)復(fù)合光進(jìn)行作物栽培。

光照模式一般指光照周期，即一天之內(nèi)光期暗期模式的設(shè)置，包括光期暗期各自的時間長短和間隔頻率等。在自然環(huán)境下一天之內(nèi)光期和暗期完全分隔開來，在人工光條件下可以實現(xiàn)光期頻率自由調(diào)節(jié)。研究證明光波動環(huán)境可提高植物的光合能力，單位功耗產(chǎn)量要高于固定光周期[39-40]。endprint

在實際生產(chǎn)中，光強、光質(zhì)、光照模式是相互影響的，不同作物、不同生長時期的最優(yōu)光環(huán)境是不同的。目前研究中主要關(guān)注作物的產(chǎn)量品質(zhì)、生長發(fā)育和生理生化，而對分子生物學(xué)機理研究較少，植物工廠中光環(huán)境的調(diào)控一般靠經(jīng)驗，植物光質(zhì)生物學(xué)的研究有待進(jìn)一步發(fā)展[16]。

◎ 紅藍(lán)光質(zhì)對植物生長品質(zhì)的影響及最優(yōu)配比的選擇

葉片的光合量子效率與波長相關(guān)，且峰值在紅光波段（620～670 nm），在光質(zhì)對蔬菜生長影響的試驗中可以看出，紅光有助于植物生物量的積累，在鮮重、干重、株高、葉片數(shù)等方面改善植物生長，可提高產(chǎn)量。研究發(fā)現(xiàn)，以紅光為主的光源處理的葉菜株高明顯高于以藍(lán)光為主的處理，并且在周華[41]和徐文棟[42]的試驗中，純紅光處理的葉菜，株高最大。在番茄育苗試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著紅光比例增加，株高、莖粗、干鮮重有增大的趨勢[43]?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)紅光是植物光合作用和生長最有效的光，然而單一的紅光并不能滿足植物正常生長和營養(yǎng)物質(zhì)的積累。

Govert[44]在探究單純紅光照射后黃瓜苗光合作用的可塑性的試驗中發(fā)現(xiàn)，紅光對光合系統(tǒng)的建立和葉片的生長均有害，對CO2同化速率和Fv/Fm抑制更為嚴(yán)峻。并且紅光傷害后氣孔導(dǎo)度和形態(tài)不可恢復(fù)。Yuta[45]的研究也證明了雖然紅光對生菜光合作用最有效，但葉片形態(tài)達(dá)不到商品標(biāo)準(zhǔn)，只有當(dāng)紅藍(lán)兩種光配合使用，作物才能正常生長和達(dá)到良好的形態(tài)。在以藍(lán)光為主的復(fù)合光處理下，青菜具有較高的根冠比和根系活力，且有利于可溶性蛋白、VC、類胡蘿卜素、類黃酮和總酚的形成[46]。藍(lán)光處理的番茄果實轉(zhuǎn)色時間最短；VC含量和可溶性蛋白質(zhì)含量顯著增加，硝酸鹽含量降低[47]。藍(lán)光比例增加會促進(jìn)干物質(zhì)向地下部分分配[48]，莖粗顯著高于其他處理[49]，游離氨基酸含量提高[50]。因此紅光有助于植物干物質(zhì)的積累，可提高產(chǎn)量，藍(lán)光具有抑制莖的伸長、提高作物品質(zhì)的作用，大量試驗表明，紅藍(lán)復(fù)合光處理，植物生長狀態(tài)最佳[51-57]。

人工光利用型植物工廠一般以培育蔬菜和生產(chǎn)種苗為主，通過上文的分析可知，生產(chǎn)過程中要根據(jù)需要選擇適合的光質(zhì)配比。如果以增產(chǎn)為目的，那么應(yīng)該選擇紅光比例高的光質(zhì)，如果以提高品質(zhì)為目的，則應(yīng)適當(dāng)增加藍(lán)光比例。但應(yīng)以紅光為主，才能達(dá)到最佳效果。通過分析大量文獻(xiàn)可知，萵苣屬的光質(zhì)配比以R：B=3：1或4：1為最優(yōu)，各項參數(shù)綜合效應(yīng)最佳。而在瓜類茄果類育苗試驗中，會因試驗環(huán)境和所用LED類型的不同，導(dǎo)致未得出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有待進(jìn)一步探索。

環(huán)境控制技術(shù)

植物工廠，顧名思義就是要實現(xiàn)植物的工廠化生產(chǎn)。工廠化生產(chǎn)有2個主要特點：標(biāo)準(zhǔn)化和高速度，因此一要量化環(huán)境和植物生長的關(guān)系，二要研究通過環(huán)境控制促進(jìn)植物生長的方法[58]。因此環(huán)境控制技術(shù)是人工光利用型植物工廠的又一大核心技術(shù)。植物工廠環(huán)境控制技術(shù)即利用計算機和多種傳感器裝置對植物生長發(fā)育所需的溫度、濕度、光照時間和CO2濃度等進(jìn)行自動化或半自動化的調(diào)控。該技術(shù)是通過制冷與加熱雙向調(diào)溫控濕系統(tǒng)、均勻送風(fēng)系統(tǒng)、光環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)、CO2增施系統(tǒng)、環(huán)境數(shù)據(jù)采集與自動監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，來實現(xiàn)植物工廠的全程監(jiān)控及周年連續(xù)生產(chǎn)[59]。

◎ 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前多數(shù)植物工廠所采用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般包括環(huán)境因子數(shù)據(jù)采集功能模塊、中央處理器模塊、執(zhí)行控制輸出模塊[60-61]。一些系統(tǒng)中還增設(shè)了SD卡數(shù)據(jù)存儲功能模塊和人機交互功能模塊[62-65]。

◎ 環(huán)境控制方法

溫室控制技術(shù)比較先進(jìn)的國家是荷蘭和日本。日本植物工廠環(huán)境控制的方法主要有以下兩大類：①計算機控制-分布式控制，分時集中控制，分層網(wǎng)絡(luò)化控制，最適化、適應(yīng)化和智能化控制。②過程控制-反饋控制、ON-OFF控制、PID控制。綜合國內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，溫室環(huán)境控制技術(shù)主要包括控制硬件及控制算法2個方面[59]。

◎ 無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

植物工廠控制系統(tǒng)需要將大量檢測數(shù)據(jù)傳入控制中心，而控制中心的指令也需要通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸給執(zhí)行組件。傳統(tǒng)上，數(shù)據(jù)傳輸常使用工業(yè)總線技術(shù)，由于植物工廠通訊節(jié)點多，就會造成復(fù)雜的布線問題，同時增加建設(shè)成本[62]。新型無線通訊傳輸技術(shù)的應(yīng)用可以解決這一問題。ZigBee是一種基于 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點、可靠安全的無線通信協(xié)議[60]，非常適合多數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)闹参锕S使用。研究證明基于ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性，并且降低了系統(tǒng)成本和能耗[59-60，66-68]。WiFi技術(shù)已植入到生活的各個領(lǐng)域，它的可移動性和價格低廉的優(yōu)點是有線技術(shù)的補充，傳輸速度快又是ZigBee技術(shù)無法企及的[69]，因此將WiFi技術(shù)運用到植物工廠中是目前研究的熱點。

◎ 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

2015年7月1日，國務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》，明確提出利用互聯(lián)網(wǎng)提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務(wù)水平，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平明顯提升的總體目標(biāo)，部署了構(gòu)建新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營體系、發(fā)展精準(zhǔn)化生產(chǎn)方式、提升網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)水平、完善農(nóng)副產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系等4項具體任務(wù)[70]。將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用到農(nóng)業(yè)上是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，植物工廠作為智能化農(nóng)業(yè)的代表，未來一定能夠滿足用戶遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)控的需要。利用嵌入式Web服務(wù)器可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測植物工廠內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)和圖像信息并可對連接在服務(wù)器上的執(zhí)行機構(gòu)遠(yuǎn)程控制[71]。劉彤[72]、周曼麗[73]、王冠[74]等在Linux系統(tǒng)中移植了Boa嵌入式服務(wù)器，將嵌入式Web服務(wù)器運用到植物工廠中，實現(xiàn)了對植物工廠的遠(yuǎn)程移動控制。

◎ 節(jié)能環(huán)境調(diào)控技術(shù)

高能耗是阻礙人工光利用型植物工廠發(fā)展與推廣的重要原因之一，能耗成本約占生產(chǎn)總成本的20%[75]，因此尋找節(jié)能生產(chǎn)模式一直是國內(nèi)外研究重點。人工光利用型植物工廠中的能耗主要來源于人工光源和溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。endprint

人工光源 一是選擇使用節(jié)能燈具LED，實驗發(fā)現(xiàn)，為植物提供必要的質(zhì)量跟強度的光，LED比熒光燈節(jié)省40%的電力[76]。二是通過改善照明布局、選擇光質(zhì)最優(yōu)配比和合適光照強度等光照模式提高光能利用率，李坤等發(fā)現(xiàn)用變焦鏡改善光的分布，可以節(jié)省52.06%的電量[77]。

溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 可以采用新型能源和調(diào)溫技術(shù)減少空調(diào)及加熱器的能耗。目前比較熱門的有太陽能光伏發(fā)電技術(shù)、熱泵調(diào)溫技術(shù)和光溫耦合調(diào)溫技術(shù)[7，78]。太陽能光伏發(fā)電為植物工廠空調(diào)負(fù)荷的試驗中，最大可負(fù)荷5.52%的電量[79]。蓄能型地源熱泵式供能系統(tǒng)對于冷水機組與燃?xì)忮仩t配套和直燃式溴化鋰?yán)錈崴畽C組空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率分別為73.9%和82.9%，每年二氧化碳減排量分別為66、61 t，節(jié)能減排效益顯著[80]。室外空氣溫度在-4～12℃變化時，應(yīng)用光溫耦合技術(shù)進(jìn)行植物工廠的溫度調(diào)控，明暗期節(jié)省的降溫耗電量分別為24.6%～63.0%和2.3%～33.6%[81]。

結(jié)語

2013年，中國正式把植物工廠列入國家“863”科技發(fā)展計劃，隨著人們對人工光利用型植物工廠各方面的探索，將各項高新技術(shù)運用到人工光利用型植物工廠，人工光利用型植物工廠一定能更加集約化、產(chǎn)業(yè)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化。人工光利用型植物工廠是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，但以目前情況來看，并不是所有地方都適合發(fā)展人工光利用型植物工廠，人工光利用型植物工廠的全面發(fā)展還需要很長的時間，與其他農(nóng)業(yè)領(lǐng)域一樣，都需因地制宜，合理規(guī)劃，才能展現(xiàn)市場活力，發(fā)揮其最大優(yōu)勢。

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