国内外植物工厂现状与趋势

植物工厂产业现状与趋势(一)
植物工厂(Pant Fctory)是生长环境条件全智能控制的植物高效生产系统,是植物生产方式的一场革命,其应用状况反映出了一个国家农业高技术水平的重要标志。植物工厂集栽培技术、工程技术和系统管理于一体,是农业产业化进程中吸收应用高新技术成果最具活力和潜力的领域之一,是实现农业工业化生产、解决人类健康、食品安全及国防战略需求的全新途径。但多学科技术的融合也使植物工厂的长远发展依赖于相关各科学领域的研究进展与创新突破,也使得植物工厂的规模应用在创新进步的过程中面临许多难题和挑战。植物工厂产业虽刚刚起步,但必将拓展出一个农业尤其是园艺作物工业化生产的新兴光生物产业集群,成为引领现代农业的发展方向。如果能突破制约其发展的关键科学难题,将不仅极大推动植物工厂的发展,还将对相关其他交叉领域的科技发展产生重大影响,并将为我们带来巨大的经济和社会效益。
 
 
一、开发植物工厂的意义
 
世界范围内,人口膨胀与耕地缺乏之间的矛盾日益激烈,大气、水源及土壤环境的污染,全球气候变暖、自然灾害频发、极端恶劣气候,都给传统农业生产带来了极端严峻的挑战。植物工厂内植物生产不依赖土地与气候环境条件,单位面积产量可达露地同等面积的几十倍甚至上百倍,是有效缓解人口膨胀与耕地缺乏之间矛盾的有效途径;克服了环境污染对植物生长的影响,产品安全无污染,是保障食品安全的必然趋势和手段;也将是未来航天工程中人类在月球及其它星球食物自给的保障上具有重要战略意义。
 
二、什么是“植物工厂”?
 
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高效农业系统,是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO2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连续型生产方式。植物工厂使农业生产从自然生态束缚中脱离出来,按计划周年性进行植物产品生产的工厂化农业系统。
 
植物工厂需要植物学、园艺学、营养学、光生物学、植物化学、智能装备等多学科融合,集成照明技术、无土栽培技术,植物次生代谢产物的调控技术以及信息技术、光电技术等实现植物的工厂化生产。
 
三、植物工厂发展现状
 
在人工气候室的基础上,1957年丹麦在哥本哈根市郊约克里斯顿农场真正建起了世界上第一座真正意义上的植物工厂。目前,日本、荷兰、美国、以色列等国植物工厂走在前列,韩国、新加坡、中国(“十二五”863项目立项支持)等正在迅速发展。
 
日本是植物工厂比较发达的国家,已有超过200家专门生产蔬菜和个别生产草莓的商业化植物工厂,且已完全处于商业化、产业化的发展阶段。日本植物工厂发展经历了从人工气候模拟环境到计算机控制转变过程,从少量品种向多品种栽培的转变过程,从基质栽培向水耕雾耕的转变过程,从平面栽培向平面多层立体栽培的转变过程,从日光灯向LED光使用的转变过程,从人工作业到机器人作业的转变过程。由于制造业的优势,日本人工光型植物工厂技术全球领先,日本在政府层面将100%人工光型植物工厂产业作为新发展动力产业来培养。日本发展植物工厂等设施农业更多是为缓解农业劳动人口数量减少及日趋老龄化的冲击,开发与大都市空间相适应的新鲜农产品供应体系。以上几个方面的原因决定了日本植物工厂特色鲜明:一是更注重研发节省人力的小型温室机械,发展立体化种植;二是更重视运用高附加值、紧凑型、全程精细控制的植物工厂技术。
 
以色列不仅耕地面积极为有限,降雨量也极其匮乏。高效灌溉体系是以色列植物工厂最显著特征,微滴灌管道灌溉提高了用水利用率(高达95%以上)。无土栽培是以色列植物工厂的又一特色,综合运用了水肥一体化、循环用水等技术措施从而实现了高产稳产。以色列设施农业不仅比普通设施种植平均大约可节省30%~40%的水和化肥,同时微滴灌精准施肥也让农产品单产显著提升。以色列植物工厂中柑橘、西红柿等的单产都高居世界榜首,西红柿单产是我国植物工厂和温室大棚里单产的近10倍。
 
美国正致力于研发Aero Farm等高楼大厦型商业用植物工厂。美国垂直空中植物工厂、太空植物工厂已开始由设计图向现实转变,也是全球最大的利用植物工厂采用高压钠灯进行药用大麻生产的国家。美国在空间站上开展无土栽培也小有成就。美国在航空航天领域应用植物生产技术己经进行了20多年的研究。最为著名的生物圈二号,正在被用于测试人类是否能在以及如何在一个封闭的生物圈中生活和工作,也探索了在未来的太空殖民中封闭生态系统可能的用途。生物圈二号使得人们能在不伤害地球的前提下,对生物圈进行研究与控制,其中植物工厂相关技术正在日益成熟。
 
荷兰等欧洲农业发达国家步入了利用植物工厂发展蔬菜和花卉产业的快车道,已开始了全人工光型的商业化植物工厂的应用。其中,农业照明较为成熟的荷兰,其植物工厂机械化、自动化、智能化、无人化程度高,太阳光型植物工厂技术全球领先,充分布建了温湿度控制、浇灌系统与能源管理系统等目前主流的设施农业技术的荷兰在这个领域占有极大的全球市场份额。荷兰在混合型植物工厂的全球竞争优势也由此奠定。
 
韩国植物工厂技术起步较晚,但政府极为重视,将植物工厂列为韩国七大前沿技术之首加以开发,一方面从日本引进人工光植物工厂技术,从中国引进鸟巢式植物工厂设施,对企业和个人植物工厂建设成本直补60%~65%;另一方面,汇集了数百博士以上的高科技人才对植物工厂进行研究和创新。KAST Engineering成为了首家向海外出口植物工厂系统的韩国国内企业。该企业与烟台的农大农心签署了植物工厂系统的供给合同。
 
与日、美等发达国家相比较,我国植物工厂起步较晚,但植物工厂建设发展速度是前所未有。台湾在学习日本的经验上,目前约有140座进行蔬菜生产的商业化植物工厂(大多为1000m2以下的小型植物工厂)在运行。2016年6月,福建省中科生物股份有限公司建立了第一个实现了真正意义上的商业化人工光型大型生产蔬菜的植物工厂,建成了国际上单栋规模最大(10000m2)的植物工厂。这一植物工厂的建成标志着我国的植物工厂真正由示范型阶段进入了产业化阶段。金沙江智慧农业引入美国Aero Farms公司技术;京东集团和日本三菱化学控股集团合作,都在中国布局植物工厂产业。虽然植物工厂在我国出现了蓬勃发展的趋势,但我国植物工厂发展仍存在大量基础科学问题需要解决的瓶颈,要实现长远稳定的发展,建立有我国自主知识产权的植物工厂栽培技术体系和设施装备,还有很多核心的科学和技术问题需要进一步解决。此外,国内植物工厂要想取得可观的收益还有很长的路要走。就消费端而言,目前国内植物工厂所产出的产品售价过高,有的甚至以公克计价,只适合种植一些高附加值的作物,需要从根本上突破成本的束缚,共同推进植物工厂在中国的商业化。
 
四、植物工厂未来面临的关键难点、挑战
 
植物工厂通过控制温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件,使设施内植物生长发育不受自然条件的限制,以实现植物高效生产的目的。但对于如何使用这些可控的环境条件来激发植物的最大生长潜能,实现最大效率的能源转化,需要在有关基础理论的科学问题进行研究和克服某些技术难题。
 
植物工厂引进光生物理念和技术,利用低成本高光效的LED植物照明技术,来达到光质、光量、光周期等光照条件完全可控的目的。但目前不论是植物工厂内还是自然环境下,植物对光能的转化利用效率都很低。与自然光相比较,LED人工光源最大优势在于人类能对光源的光谱进行选择。研究人工LED光环境下不同光谱对植物生长发育与抗性形成的调控机制,获得植物高光能吸收利用效率的最佳光配方(包括光质、光量、光周期);研究人工光环境条件下植物的光合特性,以及光能向生物能转化的分子机理和生理特性,选育低光需且高光合效率、高生物能转化效率的优良品种;研究人工光环境下植物的形态建成特征及机理,选育适于植物工厂立体栽培模式的理想株型品种。上述光生物学基础研究对于提高植物工厂下植物生物能转化效率,降低植物生产成本,推动光生物产业的发展具有极为重要价值。
 
植物工厂提供给植物最适的生长温度、湿度,充足的光照、CO2及矿质营养元素,但植物在各方面条件最优的情况下,生长速度加快,生物量快速增加,但相应也容易出现生长失调的问题。如何协调高效的光合作用和矿质元素吸收,以及植物体内营养物质的合成、运输和转化,也是植物工厂发展中所亟待解决的科学难题。研究不同植物对矿质元素的吸收和累积规律,选育植物工厂条件下养分高效利用的优良品种,弄清植物次生代谢产物在植物工厂条件下合成积累调控机制,结合不同的栽培模式探寻适于高光合效率下快速生长植物的营养配方及栽培技术手段。这些研究也都有助于解决植物工厂产业中的科学与技术难题。

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