干货!一文详解LED植物工厂的过去、现状、未来

  前言 

近十多年来,得益于蓝光LED的出现与红蓝LED组合光源的研制成功,以及基于网络的智能控制技术的应用,植物工厂人工光源能耗得到显著降低,栽培层间距进一步缩短,能效比大幅度提升。与此同时,传感器、智能控制器以及物联网技术的应用也为植物工厂智能化管控提供了可能。

我们可以看到,在这一时期内,全国多个国家加快了对植物工厂的研发力度与产业化步伐。例如,自2009年开始,日本就提出大力发展植物工厂、振兴现代农业计划。同年,韩国政府也开始支持科研机构与企业共同进行人工光植物工厂的研发。美国则一方面通过植物工厂的研究为空间站和星球探索提供食物保障,另一方面提出了“摩天大楼农业”的构想,欲从空间上突破资源瓶颈……

同样在2009年,中国农科院环发所植物工厂的研发团队就与北京中环易达设施园艺科技有限公司就研发出了国内第一例智能型植物工厂。目前,该技术成果已推广到北京、上海、山东等20多个省区市。

事实上,中国从上世纪90年代已开始植物工厂研发工作,2002年成功研发自然光植物工厂,2005年研制出LED植物工厂实验系统,并在2010年上海世博会首次展出家庭LED植物工厂。2013年国家正式将“智能化植物工厂生产技术研究”项目列入“863”计划,目前拥有不同规模的人工光植物工厂约100座。

植物工厂如火如荼的发展势头,逐渐也吸引了众多LED照明行业中人的注意,加上今年国家主席习近平在参观国家“十二五”科技创新成就展上,对中国农业科学院自主研发的智能LED植物工厂显现出了一定的关注度,尤其让有意投身这一行业的人士欢喜雀跃,对其未来的发展更平添了诸多信心。

在本文中,中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员、博士、博士生导师刘文科,为大家对植物工厂进行多方面的解读,或有助于大家更多了解这个领域的发展现状与前景。

  定义篇 

根据日本学者古在丰树教授的《人工光型植物工厂》和中国学者杨其长研究员的《植物工厂概论》给出的植物工厂定义:植物工厂是一种通过设施内高精度环境控制,实现作物周年连续生产的高效农业系统,是由计算机对作物生育过程的温度、湿度、光照、CO₂浓度、营养液等环境要素进行自动控制,不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式。

植物工厂充分运用了现代装备工程、生物技术、设施园艺技术、植物生理、植物栽培工程与环控信息技术等手段,属于技术高度密集型产业,多年来一直被国际公认为设施园艺的最高级发展阶段,是衡量一个国家农业高技术发展水平的重要标志之一。

然而,刘文科博士表示,起源于日本学者的植物工厂概念均存在一定的不足,主要表现在定义概括性过强,边界条件较为模糊,未涉及设施类型、设施密闭性和控制因素及其精度的差异性。这阻碍了人们对植物工厂的统一认识,混淆了系统技术研发方向和产业化应用方向。植物工厂应具备“工厂”的基本属性。密闭式植物生产系统与自动化程度是衡量植物工厂现代化和工厂化生产潜力的核心指标。

从定义概括性和权威性角度,植物工厂环境控制本质上包括三类:水肥自动化控制、环境因素自动化控制、植物产品生产流水线自动化平台。

植物工厂应是具有一定自动化程度的流水线式植物生产设施。自动化的流水线分为产前(育苗)、产中(移栽定植、栽培与运移)、产后(采收、包装)三个阶段,重点是产前与产中阶段。

植物工厂的本质特征为生产要素的自动化控制,但植物工厂的自动化水平是有层次的,设施智能化水平是有划分的。植物工厂的推荐定义应着力阐述其设施内的自动化控制本质特征。

刘文科博士指出,先前定义着眼于植物工厂最高阶段和理想形式,而忽略了植物工厂发展过程赋存的多种形态,难以囊括当前所有植物工厂的过渡模式,建议进行修正。

为此,他提出建议,植物工厂应是指植物生长发育直接相关的部分或全部生产要素(环境因子、水肥供给等)全程可自动化调控,并具有一定的植物生产流程的空间自动管理功能,实现植物规模化高效生产,较少或不受外界环境干扰的设施植物生产系统。基于这一定义,日光温室、多层建筑形式的设施模式均可看作植物工厂,只要它具备定义的本质特征。

  技术篇 

据介绍,植物工厂的核心技术装备包括四个方面,即立体多层无土栽培技术装备、人工光照明技术装备、智能环境控制技术装备、植物生产空间自动化管控技术装备。

近几年,这些核心技术装备得到了很大的发展,正在被逐渐地标准化和大规模应用。植物工厂的外围护结构设计、功能分区、各区域密闭性保证都很重要,直接关系到植物工厂初装成本和运行成本及能耗,也关系着生产效率。

♦ 立体多层无土栽培技术装备

立体多层无土栽培技术装备是指采用无土栽培方法,借助栽培床和层架管路装备,实现植物在多层立体栽培架上进行生产的技术装备。立体多层无土栽培技术装备是人工光植物工厂必要的本质装备,也是太阳光植物工厂需要迫切发展的技术装备。

当前,以NFT和DFT技术为基础的多种立体多层无土栽培技术装备已经开发出来,适合叶菜、根茎类植物生产。立体多层无土栽培技术装备主要包括营养液储存供给系统(营养液池、泵动系统、供液回液管路、定植床、控制系统等)。

人工光照明技术装备

人工光照明技术装备是人工光植物工厂核心技术装备,为植物生产提供光合能量和光照信号。荧光灯是传统光源,LED是新型光源。两种光源的植物生理响应机制已经被广泛揭示,两种光源应用的生物学基础已非常明确。但是,LED作为新型固态半导体光源具有荧光灯无法比拟的光电优势,包括:
(1)可按植物生长发育需求调制光谱,按需用光,生物光效高;
(2)冷光源,可贴近植物照射,提高空间利用率;
(3)可控性好,可精准调控光强、光质和光周期等,适宜工厂化生产;
(4)节能、环保、长寿命、体积小、质量轻;
(5)LED光源装置多样(灯板、灯带、灯管和灯泡),适用于设施园艺各领域。

目前,已有面板灯、条灯、灯管、灯带等植物工厂用灯被开发出来并推广应用。同时,太阳光植物工厂多款LED补光灯也被开发出来,包括行间冠层补光灯、花期灯、条灯等。人工光照明技术装备主要包括光源灯具、悬挂系统、控制系统、电源等。

智能环境控制技术装备

智能环境控制技术装备由执行机构、检测机构、控制机构组成,控制因子包括温度、湿度、光照、CO₂浓度、气流、营养液供给等多种生产要素,在很大程度上环境控制智能化水平的高低决定着植物工厂的运行效率。

智能环境控制以植物环境控制为基础,特别需要以环境因子耦合控制下的植物生理响应效应作为依据,尚需深入地系统研究。在环境控制要素中,最重要的是养分和光照。养分和光照是两个既具有数量属性,又具有质量属性的环境要素,智能控制难度较大,其控制策略具有时间和空间要求,也需要和其他环境要素耦合统筹控制,是今后研究开发的重点。

♦ 植物生产空间自动化管控技术装备

植物生产空间自动化管控技术装备包括植物移栽定植技术装备、植物空间水平垂直移动传输技术装备、光源灯具水平垂直移动传输装备,以及机械化自动升降机、自动收获等生产管理技术装备等。植物生产空间自动化管控技术装备是植物工厂流水线作业的主体装备,有利于提高生产效率和管控水平。

  历程篇 

据了解,植物工厂的发展始于20世纪50年代欧美等一些发达国家。经过半个多世纪的发展,目前已经成为现代农业高技术产业的重要组成部分。

植物工厂的基础主要来自于2项技术的突破:

(1)营养液栽培技术
20世纪40年代以来以“矿质营养学说”为理论基础的植物营养学、化肥工业快速发展,以水溶性肥料按照肥料配方勾兑成的植物生产营养液栽培技术装备大规模应用发展,为植物工厂提供了重要的技术支撑。

(2)环境感知与控制技术
以传感器与控制器为核心的环境控制技术的突破,使人工环境调控成为可能。植物工厂正是以这2项技术为基础,实现了植物的周年连续生产。到2000年后,伴随LED植物照明技术的进步,LED光源植物工厂问世,成就了植物工厂智能光环境调控技术,极大提升了植物工厂自动化水平和节能效率。

目前,植物工厂主要分布在东亚和欧美国家,以日本、荷兰、中国最具代表性。

世界范围内,植物工厂研发与产业化存在几种模式,包括:企业主导型、科研院所主导型、政府主导型。

我国植物工厂的应用模式,包括:社区模式、公共场所模式(医院、商场、饭馆、宾馆等)、家庭模式、特殊场所(海岛、沙漠)、企业模式(照明企业、农业企业等)。

植物工厂的功能,包括:植物产品生产、生态景观、科普体验、科学研究、高技术展示等,其中现存主流模式是科学研究和商业化生产。

植物工厂未来的产业模式,将是以政府、企业、科研院所和用户企业协同主导建立、运营的多种创新模式。

粗略估算,全球植物工厂市场总规模在数千亿元以上,我国植物工厂市场规模在1000亿元以上。2000年后,我国植物工厂产业蓬勃发展,仅2016年上半年,投入运行的人工光植物工厂就有20座以上,太阳光植物工厂数千公顷。

但是,我国植物工厂规模偏小(多小于200平方米),生产植物单一(叶菜为主),环控技术装备水平参差不齐,而且示范展示性和研究性植物工厂居多,商业化运行的植物工厂较少,亟待大力推进。植物工厂生产技术装备成熟化后,高效生产得以实现,成为盈利运营的基础。

植物工厂的盈利商业模式内涵:首先,要探讨植物工厂主打植物产品、产品受众、销售方式、价格优势等产品盈利点并使之最大化;其次,把植物工厂盈利途径多样化,广泛接收社会支持。

世界上绝大多数植物工厂建立在城市,是城市农业重要组成部分。世界各植物工厂强国均在努力开发海外市场,进行技术装备的输出,预期竞争将愈演愈烈。

  问题篇 

♦ 植物工厂发展面临的问题

植物工厂是未来设施园艺发展的趋势,是现代农业发展的重要目标,  市场前景广阔。而且, 植物工厂应用无所不在, 应用功能多种多样,近些年的普及率大幅度提高。诚然,当前植物工厂的发展亦面临诸多问题,需要认真对待, 逐一解决。

首先, 植物工厂初装成本高。植物工厂初装成本较日光温室、连栋温室高出很多,一般在6 000元/㎡以上,一个100㎡的人工光植物工厂,初装成本在60万元以上。

其二,植物工厂植物产品成本高。以生菜为例,人工光植物工厂生产生菜成本在10~30元,在我国菜价市场决定机制下盈利空间较小。

第三,植物工厂运行成本较高,能耗和人工成本高。一方面植物工厂光源、环境控制系统运行(空调、气流、营养液供给等)都需要消耗电能,能耗偏高;另一方面,自动化程度低,移栽定植、育苗、收获劳动力成本高。

第四,标准化程度低,缺乏政府补贴政策。最后,商业化模式日渐成熟,但盈利点需要进一步探索。盈利是推动产业发展的最终驱动力,应努力挖掘符合市场需求的植物工厂商业化应用的盈利方式。

总体而言,植物工厂盈利程度不仅与本身生产能力有关,也与社会背景、行业发展水平、国家政策有关,是系统的社会实践。

♦ 植物工厂发展的相关对策

植物工厂产业是新兴产业,需要系统研究技术装备、运行策略,并且探讨新型运营模式、盈利途径,才能实现可持续发展。面对当前问题,植物工厂的发展对策概括如下:

(1)研发节能高效的植物工厂生产技术装备,实现周年优质高产。

农业生产系统的优质高产是植物工厂盈利发展的基础,植物工厂持续稳定地生产出高质量、高商品价值的植物产品必须攻克相应的关键技术。应着力在植物工厂核心技术层面开发高效的立体多层无土栽培技术装备、人工光照明技术装备、智能环境控制技术装备、植物生产空间自动化管控技术装备,推出优化组合集成系统。其中,智能环境控制技术装备更为重要,直接关系到植物生长发育、产量品质和植物工厂运行能耗等效益制约因子。

(2)研发高附加值植物的工厂化生产技术参数,提高盈利空间。

加快高附加值植物(药用植物、保健植物、珍稀特蔬菜等)的植物光质生物学规律研究,拓展植物工厂生产的植物种类,探明功能性活性物质合成代谢累积的环境调控机制,增加可使用部位生物量和有益化合物的含量。

(3)建立品牌战略,加快植物工厂农产品和技术装备的社会认知度和认可度。着力发展植物工厂植物产品品牌,夯实品质保证机制,加大品牌宣传推广力度,使植物工厂产品深入民心,进而提高销售量和产值。

(4)构建多种植物工厂类型、产品,拓展盈利模式。着力开发家庭型、商用型、社区型等植物工厂类型,丰富植物工厂商业化产品,扩大购买人群;增加植物工厂生产的植物种类,充分利用植物工厂的多种功能实现可持续盈利。

  前景篇 

植物工厂发展前景广阔,未来5~10年将达到普及应用水平,刘文科博士认为,植物工厂发展的推动力主要来源于以下几个方面。

首先,国家和企业加大了对植物工厂研究与开发的投入与力度,业界信心倍增。

植物工厂是现代农业的重要标志,它的发展在一定程度上反映了一个国家和地区农业高技术发展的水平,同时也是未来国际农业高技术竞争的重要方向。植物工厂是一项高投入、高技术、高产出的生产方式,在发展初期,离不开国家政策的扶持。因此,国家在“十二五”和“十三五”期间加大了科技研发力度,进行多学科的协同攻关,降低成本,提升效益,提速了植物工厂的产业化速率。

其次,企业界加大了对植物工厂的资金投入力度。

日本发展的经验充分证明了这一点,企业一直是推进植物工厂发展的主要动力。我国照明企业界正积极推动植物工厂产业的发展,利用自身光源制造优势,产学研结合,发展迅速。

国家层面对植物工厂发展十分认可,具体体现在:

其一,2013年国家“十二五”863计划项目“智能化植物工厂生产技术研究”在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所立项启动,表明了国家层面对植物工厂研发与产业化前景的认可,具有里程碑式的意义。

该项目共设立7个课题,涉及植物工厂LED节能光源、立体无土栽培、光温耦合节能环境控制、营养液调控、基于网络的智能管理以及人工光植物工厂、自然光植物工厂集成示范等方面,全国共有20多个优势科教单位和企业的160多位专家参与,项目总经费达4611万元。

其二,2016年6月3日,由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所“设施植物环境工程团队”自主研发的“智能LED植物工厂”成果亮相国家“十二五”科技创新成就展,受到了党和国家领导人的高度关注,这对植物工厂产业化具有积极的推进作用。

其三,2016年6月17日农业照明专业委员会成立,成为以LED植物工厂照明为主导的植物工厂推进的全国性组织平台。以上三件大事均突出表现了国家层面对植物工厂及其相关技术装备研发的认可和持续支撑,奠定了植物工厂及其相关技术研发的可持续性。

再次,植物工厂产业发展恰逢其时,需大力促进。以植物工厂LED照明为主导的植物照明产业发展迅速,成为LED照明应用新蓝海,成为产业发展的新增长点。以植物照明产业为依托的智能控制、栽培工程等产业发展迅速。植物工厂能够提供无污染、高品质的植物产品,对保障城乡居民饮食安全具有重大意义。

最后,植物工厂发展的基础技术储备已经成熟,产业雏形已经形成,将很快进入产业快速发展期。目前,已有200家以上的企业涉猎到植物工厂产业领域,推出了整体或部分组件产品。因此,在众多利好条件的推动下,在社会发展迫切需求的促进下,在跨界创新的不断创造中,我国的植物工厂研发与产业化发展必将大放异彩,跻身世界植物工厂产业强国之列。(作者:刘文科)



来源:新兴产业智库



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