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植物工廠是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的標志
張衛(wèi)民
種菜種花無有土，
智能控制少辛苦；
無蟲無害不靠天，
多層栽培多造福。
詩文解注：
一、植物工廠是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的標志
萬物生長靠太陽這句俗語人人皆知，但工廠內(nèi)的植物卻不見天日，它們生長不靠陽光，而是靠LED燈照明。
植物工廠（plant
factory）集生物技術、工程技術和系統(tǒng)管理于一體，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從自然生態(tài)束縛中脫離出來，是通過設施內(nèi)高精度環(huán)境控制實現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是利用計算機對植物生育的溫度、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(nèi)植物生育不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)。植物工廠是現(xiàn)代生物技術、建筑工程、環(huán)境控制、機械傳動、材料科學、設施園藝和計算機科學等多學科集成創(chuàng)新、知識與技術高度密集的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。植物工廠是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進程中吸收應用高新技術成果最具活力和潛力的領域之一，代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。
植物工廠從建設規(guī)模上來分可分為大型（1000m以上）、中型（300~1000m）和小型（300m以下）三種；從生產(chǎn)功能上來分可分為植物種苗工廠和商品菜（果、花）植物工廠；從其研究對象的層次上又可分為以研究植物體為主的植物工廠、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(yǎng)植物工廠。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——光能的利用方式不同來劃分，共有三種類型，即太陽光利用型、人工光利用型、太陽光和人工光并用型。其中，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，它是植物工廠發(fā)展的高級階段。
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、半自動化空盒子；采用營養(yǎng)液栽培技術；產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量大幅度提高。
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(fā)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。
20世紀60年代初次進行植物工廠的試，并開始推。1964年奧地利開始試驗一種塔式植物工廠（高30米、面積5000平方米）。該國魯斯納公司的塔式植物工廠已在北歐、俄羅斯、中東國家采用。奧地利的一家番茄工廠，工作人員僅30人，平均日產(chǎn)番茄
13.7噸，生產(chǎn) 1公斤番茄耗電
9－10kw.h，成本只有露地的60％。1971年丹麥也建成了綠葉菜工廠，快速生產(chǎn)獨行菜、鴨兒芹、萵苣等。
1974年日本建成一座電子計算機調(diào)控的花卉蔬菜工廠，該廠由1棟2層的樓房（830平方米）和兩棟栽培溫室（每棟800平方米）構成，在一年內(nèi)生產(chǎn)兩茬金香、兩茬壟民花、一茬番茄，做到周年生產(chǎn)。至1998年，日本已有用于研究展示、生產(chǎn)的植物工廠近四十個，其中生產(chǎn)用植物工廠17個。
2004年，中國農(nóng)業(yè)大學開發(fā)了利用嵌入式網(wǎng)絡式環(huán)境控制的人工光型密閉式植物工廠。2009年9月7日，中國國內(nèi)第一例以智能控制為核心的植物工廠研發(fā)成功，并在長春農(nóng)博園投入運行，該植物工廠的研制成功，標志著中國在設施農(nóng)業(yè)高技術領域已取得重大突破，成為世界上少數(shù)幾個掌握植物工廠核心技術的國家之一。
建一個摩天大樓式的無土栽培的植物垂直工廠，土地利用率提高數(shù)十甚至數(shù)千倍。據(jù)估算，美國紐約1800萬人口，建造5座摩天大樓式垂直植物工廠就可以提供全紐約市人口或者全北京市人口的食物供給。
植物工廠的初始成本高與能源負荷大，是目前發(fā)展植物工廠的兩大瓶頸，硬體建設的成本雖較高，但使用壽命長，風險低的優(yōu)勢，如果能采用立體化栽培，當栽培層數(shù)達到某一規(guī)模，單位面積的產(chǎn)量大增之后，硬體建設的年折舊成本與單位產(chǎn)品的能源負荷就不再是高不可攀了?！ ?/font>
監(jiān)控管理技術層次高，強調(diào)系統(tǒng)整合等是優(yōu)點也是缺點，此些因素使得現(xiàn)階段植物工廠的發(fā)展需要技術性人員的參與，而非傳統(tǒng)農(nóng)民所能單獨從事。植物工廠的成功可吸引具技術背景的年輕人回歸農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
植物工廠的問題只有一個，就是成本。初始成本與操作成本均高，但也可以是高獲利。大略地說，在完全控制型植物工廠生產(chǎn)蔬菜，一般以葉菜類較合算。因為葉菜類的生產(chǎn)周轉率較快，且價錢較高，除了根以外都可吃。果菜類的光飽和點較高，又須丟棄莖葉，所以較浪費，依現(xiàn)狀來說，果菜類應以太陽光利用型植物工廠來生產(chǎn)。完全控制型植物工廠生產(chǎn)花卉則應以小、中苗階段或特殊目的為宜，譬如嫁接苗的愈合促生與花期調(diào)節(jié)等。
在生產(chǎn)成本中，電費通常占操作成本的 50% ～ 60%
，用電量中照明與空調(diào)的比例約為
2:1。若能有廉價電源與效率高、光質(zhì)佳的人工燈光，且配合選擇成長較快、具高經(jīng)濟價值的植物，植物工廠將更為吸引人。
選擇適合在完全控制型植物工廠栽培的作物，應具有體積小、單價高、栽培期短、省工、可采用水耕栽培等特質(zhì)。由于完全控制型植物工廠內(nèi)的天候可與外界不同，可栽培非當令蔬菜，采用逆勢操作方式，可全年生產(chǎn)，可定時定量供貨等操作模式，提供管理者在計劃生產(chǎn)與銷售上很大的彈性，譬如掌握物以稀為貴的基本原則，當可掌握獲利的契機?！ ?/font>
植物工廠的最終目標是想要生產(chǎn)某種蔬果，只要按下某指定按紐，該工廠便能完全自動地實施適當?shù)沫h(huán)境控制，并定時定量的生產(chǎn)高品質(zhì)的該指定蔬果。
植物工廠作為 21 世紀的農(nóng)業(yè)新模式，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的標志。
二、植物工廠是日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省正在大力推廣的項目
植物工廠1年內(nèi)可以收獲20次左右，無蟲害 無農(nóng)藥 ，被譽為“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的未來形態(tài)”。
日本的加太農(nóng)園于2005年建立，占地15公頃（15萬平方米），全部種植西紅柿。完全室內(nèi)型，不受天氣影響，用肥料培育，通過熱水管控制室內(nèi)溫度，電腦控制給水，西紅柿質(zhì)量得到保證?，F(xiàn)在每年可以做到收獲30次。不過，這樣規(guī)模的室內(nèi)植物工廠的投入也相當巨大，“加太農(nóng)園”的投入就在20億日元。
室內(nèi)植物工廠不單單只有“加太農(nóng)園”這樣的大型工廠，在蔬菜販賣的實體店鋪的室內(nèi)也可種植。松戶市的一家蔬菜專賣店就是這么做的?？匆曨l，他們在室內(nèi)種植的是生菜，直接可以拿到店鋪中販賣，十分方便。
面對環(huán)境污染和食品安全問題，有科學家在本屆世博會上推出了被稱作“未來家庭光波菜園”的光波植物工廠。在未來的某一天，也許每家每戶都會有一個可以用來自動種菜的光波箱，實現(xiàn)城市家庭自給自足的吃菜需要。
三、2010上海世博會中的植物工廠
走進被稱為魔方的上海企業(yè)聯(lián)合館，在三層有一個玻璃房，這就是展示著未來家庭吃什么的“光波植物工廠”。
進這座玻璃房前，工作人員提醒記者必須換鞋，并穿上白大褂，以避免把細菌帶到里面。這座“光波植物工廠”里，記者看到有兩個大鐵架子，上面每層都有光源照射著下面的植物?！斑@就是被我們稱作‘未來家庭光波菜園’的光波植物工廠，這是一種以蔬菜、幼苗等為主要作物，在室內(nèi)通過人工控制光、溫度、濕度、二氧化碳濃度、養(yǎng)分等環(huán)境條件，無季節(jié)性、可全年持續(xù)供應的嶄新種植系統(tǒng)?！敝v解員介紹說。
這項技術的核心在于燈管里發(fā)射出的光源。由于在這里種菜不需要陽光和泥土，僅靠營養(yǎng)液在HEFL（高混合波光電極熒光管光源）燈的光波照射下即可，因此人工燈管里所發(fā)射的光波十分重要。
在展示介紹中，“未來光波菜”不需陽光和泥土，僅靠純營養(yǎng)液在光波照射下，就可以滿足人類對蔬菜的一切需求。而且從種到收，周期只需要30天，比在自然條件下成熟周期至少快一倍。
另外，由于這種利用光波技術種植蔬菜的方式完全顛覆了傳統(tǒng)蔬菜種植方式，而且因為沒有土壤、空氣和蟲害的污染，其品質(zhì)更穩(wěn)定、口感更純正，更加養(yǎng)生、健康。目前這項技術已經(jīng)在日本大量使用，中國也有企業(yè)引進了此項技術，并在推廣研發(fā)中。
“光波植物工廠”的工作人員告訴記者：“現(xiàn)在這項技術仍在不斷改進中，將來有一天也許每家都會有一個類似‘光波植物工廠’的‘冰箱’，只要把種子放進里面，到時間植物就可以長好，等待主人收獲?！?/font>
走進植物工廠，室內(nèi)布滿栽培架，上面種滿生菜、小白菜等蔬菜植物。墻上的顯示屏正報告著溫度、濕度等數(shù)據(jù)。植物工廠是給植物提供合適生長環(huán)境的系統(tǒng)設備，分為植物苗工廠和蔬菜工廠兩部分。植物工廠是國際上公認的設施農(nóng)業(yè)最高級發(fā)展階段，是一種技術高度密集、不受或很少受自然條件制約的全新生產(chǎn)方式。目前，僅有日本、美國等少數(shù)發(fā)達國家掌握這項技術。植物工廠以節(jié)能植物生長燈和LED為人工光源，采用制冷—加熱雙向調(diào)溫控濕、光照—二氧化碳耦聯(lián)光合與氣肥調(diào)控、營養(yǎng)液在線檢測與控制等13個相互關聯(lián)的控制子系統(tǒng)，可實時對植物工廠的溫度、濕度、光照、氣流、二氧化碳濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境要素進行自動監(jiān)控，實現(xiàn)智能化管理。
通過對工廠內(nèi)環(huán)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(xiàn)在工廠內(nèi)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(nèi)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(chǎn)量可以達到常規(guī)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(chǎn)，育苗的周期更短，一般為一周左右。雖然常規(guī)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(chǎn)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。
不靠太陽不用土，這是營養(yǎng)液在循環(huán)，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(yǎng)液中，土壤的作用是提供營養(yǎng)元素和水分，而營養(yǎng)液除了提供水分，也提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(xiàn)在已經(jīng)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?！ ?/font>
墻上顯示器上有營養(yǎng)液監(jiān)控的數(shù)據(jù)，那是對營養(yǎng)液溫度控制的參數(shù)。在寒冷的天氣中，系統(tǒng)會對營養(yǎng)液進行加熱，如果溫度很低，會對植物的根系造成傷害。植物工廠的小屋沒有窗戶，外界的光線幾乎無法進入，“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(fā)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(jié)能?！ ?/font>
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。紅外和遠紅外等成分主要以熱量的形式出現(xiàn)，而且耗能嚴重。去掉那些部分，不會影響植物品質(zhì)。他們做過實驗，這種環(huán)境下成長起來的植物，維生素和糖的含量幾乎沒有變化。由于植物工廠內(nèi)環(huán)境可控性強，栽培環(huán)境的二氧化碳濃度可以得到大幅增加，使植物的光合效率提高，植物生物量的形成和營養(yǎng)物質(zhì)的積累，都是常規(guī)栽培的幾倍。
四、臺灣企業(yè)對發(fā)展植物工廠的興趣較高
據(jù)臺灣媒體報道，2010年10月，臺灣積極發(fā)展“完全人工光利用型”LED植物工廠。生產(chǎn)線立體化，輔以養(yǎng)液、LED或太陽能人工光源，生產(chǎn)體積小、高單價的經(jīng)濟作物，以花、果、菌菇、中草藥、葉菜和微藻6大區(qū)塊市場為主。
臺灣首座量產(chǎn)型植物工廠2010年11月會在臺灣大學完工，鴻海將贊助臺灣大學1.5億元新臺幣，展開為期3年合作案，由臺灣大學協(xié)助鴻海設廠。初期廠址可望選在4個廠區(qū)隨廠生產(chǎn)或與3個縣市合作地產(chǎn)地銷，設廠經(jīng)費約1.5億元，下階段擴大產(chǎn)能供應全球130萬鴻海大軍，未來目標是滿足全球華人食用葉菜類49%需求。
此前，億光電子已先在土城廠改裝一個小型植物工廠練兵，產(chǎn)出葉菜供廠區(qū)食用，將再接再厲于苗栗廠蓋植物工廠。另一個LED燈具供應商新世紀光電，則租下宜蘭一處廢棄工廠改裝為植物工廠，預估2010年底首批葉菜類即可上市。
英葉達集團成立皇基公司，種植蝴蝶蘭切花，2010年10月將研發(fā)中心移往彰化溪洲；還有食品集團頂新旗下的頂品公司，2010年起在類植物工廠里量產(chǎn)洋桔梗切花，外銷日本。
臺灣首座微藻植物工廠已在臺電大林廠、林口廠試營運，利用微藻吸附二氧化碳、減少碳稅，進一步利用副產(chǎn)品做成面膜、DHA等健康食用品，現(xiàn)在廠區(qū)試賣。上周世華生技、枃保科技也決定蓋植物工廠栽種中草藥。
臺灣云林縣正積極爭取臺塑、友達、臺達電、鴻海等指標企業(yè)進駐，有意在2011年打造2座植物工廠。友達集團旗下的威力盟公司透過輸出植物工廠所需高效能T5螢光燈具，已著手研究植物工廠。
現(xiàn)在，臺灣的LED、冷凍空調(diào)、無線感測、半導體廠/無塵室/潔凈室規(guī)劃建設、貨柜租賃乃至營建等產(chǎn)業(yè)，對發(fā)展植物工廠的興趣濃厚。
無土栽培的植物工廠可應用于家庭客廳、陽臺、庭院、屋頂
無土栽培的植物工廠可應用于遠洋輪船和潛水艇
我認為，在核潛艇中建造植物工廠有以下好處：①、為潛艇官兵提供新鮮蔬菜；②、在潛艇中提供一個新的娛樂方式，減輕長時間下沉的無聊與無趣；③、吸收官兵排泄的二氧化碳，為潛艇官兵制造生命必須的氧氣，延長潛艇的下沉時間。
無土栽培的植物工廠可應用于邊疆山區(qū)和海島
無土栽培的植物工廠可用于月球火星移民
相關內(nèi)容，參見2011年1月8日中央電視臺CCTV-10播出的《未來的植物工廠創(chuàng)新無限20110108 》節(jié)目，節(jié)目播出時間:
2011-01-08 18:12
視頻鏈接：http://bugu.cntv.cn/life/C22478/classpage/video/20110108/100564.shtml
請點擊觀看以下介紹植物工廠的視頻：
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