中國植物照明工廠發展概況及應用案例分析

光源從太陽到自動調節光照的LED燈，高效利用“每一束光”;從依靠土壤吸取養料到種植在營養液或者基質材料里，生產環境全密閉，“暗無天日”的地下空間也能種植。

　　給作物定制舒服的“家”

　　離開了陽光、雨露、土壤，在鋼筋混凝土搭建起的廠房里，植物可以生長嗎?產量有保證嗎?

　　“植物工廠采用了溫濕光的自動補償系統，以互聯網智能控制，經過人工馴化的多種高附加值農產品可以在植物工廠實現量產。”中國農科院蔬菜花卉研究所研究員賀超興答道。

　　循著這個回答，筆者來到北京、西安等地的植物工廠，看一看廠房里的植物，到底是如何生長，又如何走進尋常百姓家的，這一新興的生產方式在我國應用和推廣的情況如何。

　　廠房里，植物是如何生長的

　　植物的生長離不開光照、水分、養料、適宜的溫度等。作為植物生長的車間，植物工廠本質上是對這些要素的集成控制。

　　去年12月下旬，北京市環境保護監測中心發布的空氣質量指數顯示，11天里有9天為污染天氣，其中中度以上的嚴重污染和重度污染就占到了8天。受霧霾天氣影響，昌平區溫室大棚光照普遍不足，草莓生長發育受寡照影響，上市時間比原計劃推遲了半個月左右。

　　而在植物工廠里種植草莓的莓農，完全不用苦苦“等風來”。通過光傳感器的光照監測，植物工廠的物聯網系統可以自動調節光照，在霧霾天氣里依然“艷陽高照”。

　　取代“太陽”的光照系統，是不是需要大量耗電呢?

　 　“光照的確占了植物工廠能耗的相當部分，為了節約這部分能源，我們一直在研究LED植物光效照明技術。”陜西西安旭田光電植物工廠負責人王琦介紹說，通 過對光的波長、光質比、光合光子通量等的研究，找到適合不同植物品種、不同生長期的最佳照明光譜，可以實現高效利用“每一束光”。

　　北京是世界上最缺水的大城市之一，全市人均水資源量為100立方米左右，僅為全國的1/21，世界的1/77，缺水程度甚至低于“沙漠國家”以色列的365立方米。水資源天花板制約下，北京都市現代農業一直在尋找一條節水高效之路。

　　過了臘八，時至大寒。北京市平谷區馬坊鎮農眾物聯植物工廠里，魚腥草、香椿芽、薄荷葉等新鮮蔬菜層層疊高，旺盛地生長著，透著一股子水潤勁兒。

　　“這些菜生長在營養液中，除了植物生長正常吸收的損耗外，環境蒸發損耗幾乎為零。”該植物工廠負責人姚旭介紹說，在密閉環境下進行水肥一體化循環，相對于大田種植，水資源節約率可以達到93%以上。

　　農民常說，植物生長離不開土地。事實上，植物生長真正離不開的并非土地，而是土壤中的養料。在植物工廠里，農作物種植在營養液或者礫石、蛭石、椰糠、秸稈等做成的基質材料里。植物生長所需養分由調配好的營養液補給，食品安全變得更可控，同時還避免了重茬，節約了土地。

　　據國家發改委農村經濟司巡視員胡恒陽介紹，按目前情況，我國完全實現農產品消費自給需要30億畝土地，全國播種面積常年在23億畝左右，也就是說，大概有7億畝的土地要靠國外資源支撐。“而植物工廠可以在同樣的土地上產出數倍農業產品，值得探索。”胡恒陽說。

　 　農眾物聯占地不足10畝的植物工廠，共有上下三層，一層栽培高端食用菌，二層種植山野菜，三層則主要種植茄果類蔬菜。滿負荷運轉下，能年產蔬菌茄果 700萬公斤。去年11月，北京市委書記郭金龍、市長王安順到農眾物聯植物工廠調研時，對植物工廠在節水節能、高效利用土地方面給予充分肯定。

　　擺脫了對土地的依賴，植物工廠變得“上天入地、無孔不入”。去年12月，旭田光電利用西安市一處地下人防工程，建起了一座640平米的植物工廠，將原本暗無生機的地下空間變成了充滿綠色的植物世界。

　　降成本，先進設備也需本土化

　 　作為一種新興的生產方式，植物工廠在荷蘭、日本、美國等發達國家被普遍使用。“國外植物工廠發展相對成熟一些，但是也存在一個問題，就是投入成本太高， 不利于推廣。”姚旭介紹說，植物具有極強的適應性，光溫濕等變量只要控制在合適的區間，就可以保證正常生長。如進口溫控制導系統，雖然能調節溫度變量在 0.01℃，相當于太空艙種植的控制程度，但其對產量的貢獻卻微乎其微，而投入成本比起國內本土設備卻增加了幾十倍。

　　在農眾物聯植物工廠，記者看到，各色各樣的綠色蔬菜一層一層地摞了六七層。“每層的層高不同，植物生長的不同階段需要調整層高，國外進口設備可以自動調整層高，我們自主研發的設備則是半自動調整。”從自動到半自動，并非本土設備技術水平的不足，而是更了解市場的選擇。

　　多數食用菌的生產在秋冬季節，因為食用菌正常生長環境通常溫度較低、濕度較大，因此在周年化生產過程中，大部分食用菌生產須降溫通風，所需能耗成為運營過程中主體成本之一。

　 　農眾物聯植物工廠在設計上采用依托食用菌、綠葉菜、茄果類蔬菜等所需條件的有效循環：使用食用菌吸收氧氣釋放二氧化碳并使室內溫濕度增加的條件，協調互 補綠葉菜、茄果類蔬菜的自然生長;再由綠葉菜、茄果類蔬菜吸收二氧化碳并降低室內溫濕度，協調食用菌的正常生長。另外，利用食用菌在不同過程中所代謝的無 機營養物質對蔬菜生長進行補充，用蔬菜生長過程中淘汰的部分有機物質對食用菌生產進行補充，大幅度降低運營過程中的能耗、物料消耗，使植物工廠進入一種綜 合態、互補式生產模式中。

　　種種看，把植物工廠帶回家

　　近一兩年，越來越多的人走進植物工廠，參觀、休閑，或者買些新鮮蔬菜。“啥時候這些植物工廠也能走進我們家里啊?”今年1月5日，在北京海淀公園農眾物聯植物工廠社區科普巡展上，一位市民問道。

　 　要推進植物工廠的民用化，首先要讓民眾認識它。從去年12月下旬開始，農眾物聯植物工廠開始了一輪密集的科普推廣活動。12月22日到31日，農眾物聯 走進海淀區政府陽光大廳，參與“植物工廠中國芯”——都市現代農業技術科普展;今年1月5日到11日，又在海淀公園進行了社區科普巡展，老百姓可以親自動 手體驗蔬菜種植。在中國農業大學附屬實驗小學，由農眾物聯承建，率先打造了植物工廠實驗室，把現代都市農業的種植理念和技術帶到了小學生身邊。

　　與農眾物聯的線下科普活動不同，旭田光電植物工廠負責人王琦則將更多的精力放在了線上。每天，由王琦組建的微信群里，很多植物工廠的擁躉和“王琦菜”的粉絲們頻繁互動。

　 　認識、了解植物工廠畢竟只是第一步，大型的植物工廠，對老百姓而言只可“遠觀”，無法親身種植。為此，旭田光電研發了集裝箱型植物生長箱和透明生長柜， 不僅適合餐飲商超、居民社區陽臺和地下室，而且能解決邊防哨所、雷達站、遠洋艦船、油田甚至沙漠等地的吃菜難問題。如今，在古城西安的不少餐飲場所，食客 們已經可以在酒店大堂的微型植物工廠里點菜了。

　　即將于今年4月在北京舉辦的第三屆全國都市現代農業現場交流會上，植物工廠也將作為重點觀摩對象被推介給廣大市民。值得一提的是，本屆現場會的參觀點選擇上，農業部提出要“體現科技創新、體現農業信息化、體現農業品牌發展戰略”。顯然，植物工廠可以集中地體現這些。

　　從大棚到植物工廠

　 　太陽提供光和熱，土壤提供水和養分，空氣中有氧氣和二氧化碳，這就是植物生長所需要的全部自然環境條件。隨著科學技術的進步，人為也可以設計出這樣的環 境條件。從而實現不靠太陽、不靠土，同樣可以種蔬菜。從溫室大棚實現控溫，到植物工廠可以實現控溫、光、水、養、氣需要過程。

　　大棚在我國也僅有幾十年的歷史。起初，冬天的蔬菜就是白菜、蘿卜，為了滿足人們冬日菜品的多樣性，農民們開始建設大棚，一開始就是用塑料薄膜罩在土坑上，這樣就可以起到保溫的效果，實現冬天也能長蔬菜。

　 　隨著人們對食物種類多樣性要求的增加，科學技術也在突飛猛進地進步，種植設施也在升級換代。從最簡易的薄膜覆蓋，發展到小拱棚和大拱棚，之后大棚也有了 厚厚的墻，被稱為暖棚，再發展就出現了形形色色的玻璃溫室、球形溫室等等。這就像我們人類的居住環境，從洞穴居住、到土房、到磚瓦房再到樓房一直在進步。

　 　外部設備進步的同時，內部的環境控制條件也在不斷地發生變化。薄膜透光還保溫，用各式各樣的栽培基質就可以實現不用土壤，可以通過特定的發生裝置增加二 氧化碳濃度給植物補充碳營養，可以用智能化控制設備按植物所需提供營養，采用LED燈等補光設備應對霧霾等低光照天氣，物聯網設備和大數據的應用可以實現 智能化的控制。

　　植物工廠就是把這些內外部的先進技術集合起來，為植物提供最適宜的生長環境。然而，現在還不能實現完全脫 離自然環境，植物工廠與自然環境最大的不同是，需要通過把電能轉化為光能、熱能等，而電能是需要由燃煤、水流等提供的熱能或動能轉化而來的，這些都是大自 然的能量。如何在實現人工智能控制環境的基礎上，降低能耗，真正實現植物工廠的綠色節能，仍是重要的研究方向。

　　專家聲音

　　植物工廠是農業科技發展的集中體現之一，相較于傳統農業生產方式有很多優點，一是少受外界氣候影響，生產能力比較穩定;二是土地和空間資源的利用效率較高;三是生產自動化程度高，產量也比較高;四是可以有效避免重金屬等污染。

　　——中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所研究員楊其長

　　植物工廠采用了溫濕光的自動化補償，互聯網的智能化控制，有效降低成本，提高了效率，特別是中國本土化的山野菜和食用菌實現了生產，效益也是比較好的，在設施農業方面找出了一條新路。

　　——中國農業科學院蔬菜花卉研究所研究員賀超興

　　植物工廠是完全可控的生產方式，自動化程度高，意味著生產效率也高。因為狹義的植物工廠主要靠人工光，我們最大的能耗來自光源，如何有效利用光源，是我們面臨的最大挑戰。

　　——華南農業大學園藝學院教授劉厚誠

　　我國植物工廠的發展起步相對較晚，與國際上相比還有差距。我國植物工廠規模小，單品規模小，處于示范型、展示型階段的比較多。

　　——農業照明技術創新與應用戰略聯盟秘書長劉文科

　　案例一 LED蔬菜工廠：惡劣氣候也能產出優質菜

　　天氣寒冷會影響蔬菜生產，讓市民可挑選的蔬菜越來越少，怎樣解決氣候原因導致蔬菜減少的問題呢?近日筆者走訪了江西省科學院生物資源研究所，該所工作人員告訴筆者，LED光源蔬菜可以解決這一難題。

　　LED光源蔬菜是以新型節能環保的LED燈為人工光源，探索LED蔬菜的人工環境控制和配套栽培技術，實現LED蔬菜的自動化生產，最終建立智能數字的LED蔬菜工廠。

　　江西省科學院生物資源研究所采用水培和基質培兩種方式，開展LED光源對蔬菜工廠生產栽培影響的研究，結果表明：紅光促進植物高生長，藍光促進植物莖的增粗生長，紅：藍為8：1條件下，生菜和白菜生長快速，少量紫外光(UV-B)的加入可促進蔬菜維生素C的積累。

　　江西省科學院院長王曉鴻告訴記者：“研究表明，水培條件下蔬菜生長快速，而水培的一大問題是亞硝酸鹽含量容易超標。我們將LED光源水培蔬菜經江西省分析測試中心測定，表明蔬菜的亞硝酸鹽含量在正常偏低水平，纖維含量低，維生素含量高，保證了蔬菜的品質和口感。”

　　目前，LED光源蔬菜工廠已經基本建立，可以對光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度進行控制，同時生產出的蔬菜經品質和口感檢測安全、潔凈、口感好，不受惡劣氣候影響。

　　案例二 無塵室農場：無菌蔬菜做成1周沙拉

　 　日本神奈川縣的許多便利店最近多了一些新產品，那就是冷藏柜里的1周沙拉。與往常的方形盒裝沙拉不一樣，1周沙拉被裝在圓形塑料杯包裝中，杯子的頂部是 一個圓形穹頂，下方是一個支撐著這片“天空”的大大的立體數字，醒目標注了不同生產日期沙拉的食用期限。在包裝之下是沒打過農藥也不用洗、采下來就能吃的 無菌蔬菜，名符其實，它可以冷藏保鮮一周。

　　這些蔬菜可不是在菜農的田地里采摘的，而是來自電子巨頭東芝在一家經改造的工 廠——橫須賀東芝無塵室農場里生產的最新產品。近年來，日本電子界吹起了一股新風，不僅東芝，富士通、松下、夏普等巨頭也紛紛將閑置的工廠改裝為高科技溫 室大棚，種植無菌蔬菜，電子工程師也隨之搖身一變，成為新時代“農夫”。

　　橫須賀東芝無塵室農場位于神奈川縣橫須賀市，由原來的軟盤工廠內的四層建筑改建而成，占地面積近1969平方米。培育的綠葉蔬菜有散葉生菜、玻璃生菜、直立生菜、瑞士甜菜、雪菜、菠菜、芝麻菜等。

　 　從播種到栽培，植物工廠的工人會根據菜苗的成長階段，細心地為每株菜苗更換栽培棚。在播種階段，工人會將種子種在小盒子的海綿上，然后放在托盤的孔中。 而在栽培階段，隨著植物的生長，小盒子會被換到孔間隔更大的托盤上。與其他植物工廠采用的連托盤一起更換栽培棚的方法相比，這種方式更麻煩，但根據植物大 小而改變栽培密度并更換到高度不同的栽培棚的方式可以更有效地利用空間。