崔佳維　陳智杰　鄭胤建　劉厚誠(chéng)　雷炳富

【摘要】隨著對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的深入了解和對(duì)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(duì)人工光利用型植物工廠的產(chǎn)生與發(fā)展、優(yōu)點(diǎn)與不足以及發(fā)展方向進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)人工光利用型植物工廠的核心技術(shù)：無(wú)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(duì)人工光利用型植物工廠的認(rèn)識(shí)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(zhǎng)，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(wèn)題的日益突出，植物工廠越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1]。植物工廠分為太陽(yáng)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(yùn)用現(xiàn)代化營(yíng)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(jí)形式，對(duì)國(guó)內(nèi)的普通大眾來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的概念，本文主要對(duì)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(kāi)展介紹，以期加深人們對(duì)人工光利用型植物工廠的認(rèn)識(shí)和了解。

人工光利用型植物工廠簡(jiǎn)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(guó)和奧地利，該階段屬于植物工廠的試驗(yàn)研究階段。隨后在歐美地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)各式各樣的植物工廠，開(kāi)發(fā)了更多的栽培形式和環(huán)境控制技術(shù)，太陽(yáng)光利用型植物工廠從試驗(yàn)研究階段開(kāi)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(yàn)研究階段。自20世紀(jì)70年代日本開(kāi)始著手人工光利用型植物工廠的研究以來(lái)，人工光利用型植物工廠的發(fā)展開(kāi)始進(jìn)入發(fā)展應(yīng)用階段[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前日本已經(jīng)有近250個(gè)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(guó)香港、俄羅斯和蒙古國(guó)等地[5]。從2009年開(kāi)始，韓國(guó)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(gè)型號(hào)的植物工廠產(chǎn)品[6]。由于歐美國(guó)家多以垂直農(nóng)場(chǎng)來(lái)定義植物工廠，統(tǒng)計(jì)缺乏一致性，因此尚未獲得確切數(shù)據(jù)。

中國(guó)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(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院建成人工光利用型植物工廠試驗(yàn)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(zhǎng)春建成；2010年5月，中國(guó)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(huì)展出[7]；2013年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)部于2013年以“863項(xiàng)目”形式啟動(dòng)了“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究（2013AA103000）”專項(xiàng)[4]。在中國(guó)臺(tái)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(zhǎng)到超過(guò)百家[8]。2016年6月，中國(guó)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(wàn)m2植物工廠并正式投產(chǎn)，日產(chǎn)綠色無(wú)污染、高品質(zhì)蔬菜1.5 t，成為中國(guó)商業(yè)化人工光利用型植物工廠的優(yōu)秀代表[9]。

優(yōu)勢(shì)

植物工廠生產(chǎn)作為設(shè)施生產(chǎn)的高級(jí)形式，在一定程度上進(jìn)一步減弱了植物對(duì)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(jí)形式，與普通植物工廠相比有更多的優(yōu)勢(shì)：①封閉程度高，環(huán)境可控能力強(qiáng)，可制定最優(yōu)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)控；②可實(shí)現(xiàn)無(wú)菌無(wú)蟲生產(chǎn)，避免農(nóng)藥的使用，產(chǎn)品安全無(wú)污染；③完全采用人工光，有利于更好探索植物對(duì)光的反應(yīng)機(jī)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(zhǎng)，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(shí)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(gè)角落，極大地?cái)U(kuò)展了生產(chǎn)空間。

缺點(diǎn)

目前大多數(shù)人工光利用型植物工廠處于試驗(yàn)示范階段，普及程度較低，與其存在的問(wèn)題有很大關(guān)系。人工光利用型植物工廠存在的缺點(diǎn)有：①植物工廠普遍存在投資大的問(wèn)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(jià)在千元以上，最高達(dá)萬(wàn)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(duì)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(lái)，僅有部分作物具有相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，大多數(shù)的作物在實(shí)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(duì)較少，在全人工光照條件下植物生長(zhǎng)的機(jī)理尚未明確。這一問(wèn)題會(huì)使部分未開(kāi)發(fā)的作物在植物工廠中的生長(zhǎng)效果和生產(chǎn)效率受到影響[13]。④經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題。由于初期投資大、運(yùn)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(chǎng)種植的蔬菜要高出50%～200%[7]。這就造成銷售價(jià)格過(guò)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(yíng)效果不佳，面臨破產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

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(gè)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(chǎng)，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，就必須提高生產(chǎn)效率，而實(shí)現(xiàn)這一目的的方法之一就是擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。隨著城市化的發(fā)展和人們對(duì)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?cè)诠ぷ髦喔惺芴飯@樂(lè)趣的同時(shí)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(wú)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(dòng)化的領(lǐng)域發(fā)展，不但可以節(jié)約成本，降低維護(hù)費(fèi)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(yùn)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(méi)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(lái)，照明市場(chǎng)進(jìn)入全紅海階段，半導(dǎo)體市場(chǎng)出現(xiàn)產(chǎn)能過(guò)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(duì)植物工廠方面的研究取得一定成果，但投入生產(chǎn)實(shí)踐的很少，高校與企業(yè)合作是植物工廠發(fā)展的契機(jī)；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(wú)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(zhǎng)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(wàn)別，但由于植物生長(zhǎng)具有一般規(guī)律性，通過(guò)大量試驗(yàn)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(wú)土栽培技術(shù)

◎ 無(wú)土栽培形式的選擇

無(wú)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(yíng)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(duì)較少[17]。

◎ 營(yíng)養(yǎng)液配方的選擇

營(yíng)養(yǎng)液是無(wú)土栽培技術(shù)的核心，不論哪一種栽培形式都離不開(kāi)營(yíng)養(yǎng)液配方的選擇，作為植物生長(zhǎng)所需礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的來(lái)源，配方的適用性直接影響到植物生長(zhǎng)狀況。世界上營(yíng)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(zhǎng)狀況，在營(yíng)養(yǎng)液配方上要根據(jù)需求和對(duì)應(yīng)性來(lái)選擇。當(dāng)有某種作物對(duì)應(yīng)的配方時(shí)，盡量采用對(duì)應(yīng)配方。比如在番茄育苗試驗(yàn)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(zhǎng)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在葉菜無(wú)土栽培試驗(yàn)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(yíng)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(yíng)養(yǎng)液是循環(huán)利用的，因此營(yíng)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(yíng)養(yǎng)液的消毒殺菌方法目前國(guó)內(nèi)外已有大量的研究報(bào)道，如紫外線消毒，紫外線-臭氧聯(lián)合消毒，高溫消毒，慢砂過(guò)濾等。而對(duì)營(yíng)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(yíng)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?；钚蕴课郊夹g(shù)具有吸附飽和點(diǎn)，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(qiáng)烈的氧化性來(lái)降解營(yíng)養(yǎng)液中累積的自毒物質(zhì)，試驗(yàn)證明對(duì)6種典型自毒物質(zhì)降解有效，可以利用在營(yíng)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(shí)踐中，一般以白熾燈、高壓鈉燈、熒光燈作為植物補(bǔ)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(zhǎng)、光效高、可控性好、光譜可調(diào)和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)光環(huán)境的完全調(diào)控。根據(jù)多年的觀察和試驗(yàn)，徐永[26]提出光在七個(gè)維度上調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)，包括光強(qiáng)、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(zhǎng)一般歸因于三個(gè)維度，即光強(qiáng)、光質(zhì)和光照模式。現(xiàn)階段光影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的研究和應(yīng)用也大多集中在這三個(gè)方面。

光強(qiáng)直接影響植物的光合作用的強(qiáng)弱，在植物的生產(chǎn)和研究中，光強(qiáng)通常由光合有效光量子通量（photosynthetic photon flux，PPF）來(lái)表示，PPF的單位為μmol/（m2·s）。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和一些試驗(yàn)（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(qiáng)為宜，后期300 μmol/（m2·s）左右的光強(qiáng)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(qiáng)為宜；茄果類的育苗以

300 μmol/（m2·s）左右的光強(qiáng)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(yàn)，確定具體適宜光強(qiáng)。

在自然條件下，植物生長(zhǎng)接受的是太陽(yáng)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(zhǎng)發(fā)育的需求，同時(shí)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(shí)間長(zhǎng)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(kāi)來(lái)，在人工光條件下可以實(shí)現(xiàn)光期頻率自由調(diào)節(jié)。研究證明光波動(dòng)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(shí)際生產(chǎn)中，光強(qiáng)、光質(zhì)、光照模式是相互影響的，不同作物、不同生長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)發(fā)育和生理生化，而對(duì)分子生物學(xué)機(jī)理研究較少，植物工廠中光環(huán)境的調(diào)控一般靠經(jīng)驗(yàn)，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(duì)植物生長(zhǎng)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(zhǎng)相關(guān)，且峰值在紅光波段（620～670 nm），在光質(zhì)對(duì)蔬菜生長(zhǎng)影響的試驗(yàn)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(zhǎng)，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(yàn)中，純紅光處理的葉菜，株高最大。在番茄育苗試驗(yàn)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(shì)[43]?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)紅光是植物光合作用和生長(zhǎng)最有效的光，然而單一的紅光并不能滿足植物正常生長(zhǎng)和營(yíng)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(yàn)中發(fā)現(xiàn)，紅光對(duì)光合系統(tǒng)的建立和葉片的生長(zhǎng)均有害，對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(shí)轉(zhuǎn)色時(shí)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(huì)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(zhǎng)、提高作物品質(zhì)的作用，大量試驗(yàn)表明，紅藍(lán)復(fù)合光處理，植物生長(zhǎng)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(guò)上文的分析可知，生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(xiàng)參數(shù)綜合效應(yīng)最佳。而在瓜類茄果類育苗試驗(yàn)中，會(huì)因試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)植物的工廠化生產(chǎn)。工廠化生產(chǎn)有2個(gè)主要特點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)化和高速度，因此一要量化環(huán)境和植物生長(zhǎng)的關(guān)系，二要研究通過(guò)環(huán)境控制促進(jìn)植物生長(zhǎng)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(jì)算機(jī)和多種傳感器裝置對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的溫度、濕度、光照時(shí)間和CO2濃度等進(jìn)行自動(dòng)化或半自動(dòng)化的調(diào)控。該技術(shù)是通過(guò)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(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，來(lái)實(shí)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(chǔ)功能模塊和人機(jī)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(guó)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(jì)算機(jī)控制-分布式控制，分時(shí)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(guò)程控制-反饋控制、ON-OFF控制、PID控制。綜合國(guó)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(gè)方面[59]。

◎ 無(wú)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(cè)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(diǎn)多，就會(huì)造成復(fù)雜的布線問(wèn)題，同時(shí)增加建設(shè)成本[62]。新型無(wú)線通訊傳輸技術(shù)的應(yīng)用可以解決這一問(wèn)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(diǎn)、可靠安全的無(wú)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(shí)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(gè)領(lǐng)域，它的可移動(dòng)性和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)是有線技術(shù)的補(bǔ)充，傳輸速度快又是ZigBee技術(shù)無(wú)法企及的[69]，因此將WiFi技術(shù)運(yùn)用到植物工廠中是目前研究的熱點(diǎn)。

◎ 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2015年7月1日，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確提出利用互聯(lián)網(wǎng)提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、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(yíng)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(xiàng)具體任務(wù)[70]。將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到農(nóng)業(yè)上是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，植物工廠作為智能化農(nóng)業(yè)的代表，未來(lái)一定能夠滿足用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)和監(jiān)控的需要。利用嵌入式Web服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)植物工廠內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)和圖像信息并可對(duì)連接在服務(wù)器上的執(zhí)行機(jī)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(yùn)用到植物工廠中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物工廠的遠(yuǎn)程移動(dòng)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(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)。人工光利用型植物工廠中的能耗主要來(lái)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為植物提供必要的質(zhì)量跟強(qiáng)度的光，LED比熒光燈節(jié)省40%的電力[76]。二是通過(guò)改善照明布局、選擇光質(zhì)最優(yōu)配比和合適光照強(qiáng)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(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電為植物工廠空調(diào)負(fù)荷的試驗(yàn)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(duì)于冷水機(jī)組與燃?xì)忮仩t配套和直燃式溴化鋰?yán)錈崴畽C(jī)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(shí)，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(yǔ)

2013年，中國(guó)正式把植物工廠列入國(guó)家“863”科技發(fā)展計(jì)劃，隨著人們對(duì)人工光利用型植物工廠各方面的探索，將各項(xiàng)高新技術(shù)運(yùn)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(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，但以目前情況來(lái)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(zhǎng)的時(shí)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(chǎng)活力，發(fā)揮其最大優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] Masayyuki NOZUE. New Development and Challenges in Plant Factory[J]. Japan Oil Chemists Society， 2013，

13（6）：267-273.

[2] 李明，王志強(qiáng).智能生產(chǎn)時(shí)代的人工光植物工廠技術(shù)展望[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2016，36（28）：16-19.

[3] 余錫壽，劉躍萍.植物工廠的產(chǎn)生發(fā)展與未來(lái)[J].農(nóng)業(yè)展望，2012（4）：39-43.

[4] 賀冬仙.植物工廠的概念與國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2016，36（28）：13-15.

[5] 賀冬仙.日本人工光植物工廠技術(shù)進(jìn)展與典型案例[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2016，36（13）：21-23.

[6] 楊其長(zhǎng).植物工廠現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2016，36（28）：9-12.

[7] 楊其長(zhǎng).植物工廠的發(fā)展策略[J].科技導(dǎo)報(bào)，2014，32（10）：20-24.

[8] 方煒.臺(tái)灣植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展與商業(yè)模式[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2016，36（13）：17-20.

[9] 黃光輝.中科院和福建三安合力打造全球最大植物工廠[DB/OL].

http：//news.163.com/17/0425/23/CITG9O0G00018AOQ.

html，2017-04-25.

[10] 劉文科，楊其長(zhǎng).農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀分析[C].中國(guó)照明學(xué)會(huì).2015年中國(guó)照明論壇——LED照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)、應(yīng)用與創(chuàng)新論壇論文集.南京：中國(guó)照明學(xué)會(huì)，2015：1-11.

[11] 高菊玲.植物工廠發(fā)展趨勢(shì)探討[J].輕工科技，2012（9）：129-130.

[12] 袁端端，辛聞.成本高能耗大，垂直農(nóng)業(yè)能否席卷中國(guó)[N].糧油市場(chǎng)報(bào)，2015-5-26（B01）.

[13] 邱兆美，趙龍，賈海波.植物工廠發(fā)展趨勢(shì)與存在問(wèn)題分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（10）：230-233.

[14] 王旭芳.智能植物工廠讓都市田園夢(mèng)不再遙遠(yuǎn)[J].中國(guó)農(nóng)村科技，2016（6）：22-25.

[15] LED企業(yè)深陷紅海亟需探索新藍(lán)海[J].電源世界，2016（6）：10.

[16] 劉文科，楊其長(zhǎng).LED植物光質(zhì)生物學(xué)與植物工廠發(fā)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2014，32（10）：25-28.

[17] 余錫壽，劉躍萍.封閉型植物工廠發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)展望，2015（7）：46-49.

[18] 孫敏紅，許益娟.不同營(yíng)養(yǎng)液配方對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)的影響[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（8）：55-57.

[19] 莊華才，高芳云，何建齊，等.4種營(yíng)養(yǎng)液配方對(duì)水培日本牛油生菜的影響[J].蔬菜，2012（7）：66-68.

[20] 侯迷紅，范富，宋桂云，等.不同配方營(yíng)養(yǎng)液對(duì)三種葉菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26（5）：541-544.

[21] 謝新太.不同配方營(yíng)養(yǎng)液對(duì)水培空心菜的影響[D].貴州：貴州師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，2014.

[22] 丁文雅，鄔小撐，劉敏娜，等.不同營(yíng)養(yǎng)液配方對(duì)霧培生菜生物量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，38（2）：175-184.

[23] 胡娜，高麗紅.韭菜DFT栽培適宜營(yíng)養(yǎng)液配方篩選[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2009，29（8）：44-45.

[24] 邱志平.TiO2光催化去除營(yíng)養(yǎng)液中自毒物質(zhì)的效果研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，2013.

[25] 劉文科，楊其長(zhǎng)，魏靈玲.LED光源及其設(shè)施園藝應(yīng)用[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2012：1-13.

[26] Xu Y. Seven dimensions of light in regulating plant growth[Z]. 8th International Symposium on Light in Horticulture， 2016（1134）：445-452.endprint

[27] 周華，歐陽(yáng)雪靈，劉淑娟，等.LED光強(qiáng)和光質(zhì)對(duì)余干辣椒幼苗生長(zhǎng)和形態(tài)的影響[J].北方園藝，2016（12）：40-43.

[28] 侯艷鋒，曲英華，鄧建，等.閉鎖室內(nèi)水分、養(yǎng)分及光照強(qiáng)度對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)的影響[J].中國(guó)蔬菜，2007（5）：18-20.

[29] 劉曉英，焦學(xué)磊，徐志剛，等.紅藍(lán)LED光照強(qiáng)度對(duì)櫻桃番茄幼苗生長(zhǎng)和抗氧化酶活性的影響[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（5）：1-10.

[30] 路濤，劉玉鳳，李天來(lái).不同光強(qiáng)對(duì)番茄幼苗光合作用和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響[J].園藝學(xué)報(bào)，2013，40（S）：2667.

[31] Fan X， Zhang J， Xu Z et al. Effects of different light quality on growth， chlorophyll concentration and chlorophyll biosynthesis precursors of non-heading Chinese cabbage （Brassica campestris L.）[J]. Acta Physiol Plant，2013（35）：2721-2726.

[32] 周愷.植物工廠條件下氮素與光照互作對(duì)霧培生菜產(chǎn)量和抗氧化營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響[D].浙江：浙江大學(xué)，2013.

[33] 姜仕豪.光照強(qiáng)度、溫度和連續(xù)光照對(duì)水培生菜硝酸鹽積累的影響[J].長(zhǎng)江蔬菜，2014（12）：36-39.

[34] 周秋月，吳沿友，許文祥，等.光強(qiáng)對(duì)生菜硝酸鹽累積的影響[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009（1）：189-192.

[35] Fu Y， Li H， Yu J et al. Interaction effects of light intensity and nitrogen concentration on growth， photosynthetic characteristics and quality of lettuce（Lactuca sativa L. Var. youmaicai）[J]. Scientia Horticulturae， 2017（214）：51-57.

[36] 丁娟娟，楊振超，王鵬勃，等.LED光強(qiáng)對(duì)不結(jié)球小白菜生長(zhǎng)與光合特性的影響[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，43（3）：113-118.

[37] 謝素珍，劉世哲，陳建勝，等.不同光強(qiáng)的LED光源對(duì)水培上海青生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013（14）：41-47.

[38] 劉文科，楊其長(zhǎng).人工光在植物工廠中的應(yīng)用[J].照明工程學(xué)報(bào)， 2014， 25（4）： 50-53.

[39] Jeong H K， Sugumaran K K， Sarah L S A， et al. Light Intensity and Photoperiod Influence the Growth and Development of Hydroponically Grown Leaf Lettuce in a Closed-type Plant Factory System[J]. Hort. Environ. Biotechnol.， 2013， 54（6）： 501-509.

[40] 時(shí)志立，胡圣堯，毛罕平，等.植物工廠間歇式人工光源的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015（6）：141-145.

[41] 周華，劉淑娟，王碧琴，等.不同波長(zhǎng)LED光源對(duì)生菜生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2015，31（2）：429-433.

[42] 徐文棟，劉曉英，焦學(xué)磊，等.藍(lán)光量對(duì)萵苣生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，38（6）：890-895.

[43] 蔡華，楊振超，王達(dá)菲，等.光質(zhì)配比和營(yíng)養(yǎng)液耦合對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響[J].北方園藝，2016（10）：10-13.

[44] Govert T， Sander W. H， Olaf van K， et al. Plasticity of

photosynthesis after the'red light syndrome'in cucumber[J].

Environmental and Experimental Botany， 2016（121）： 75-82.

[45] Yuta S， Hiroshi S， Hiroshi N， et al. The effect of light quality

on growth of lettuce[J]. IFAC Proceedings Volumes，2010，

43（26）：294-298.

[46] 郭洪助.紅藍(lán)光比例對(duì)綠葉蔬菜生理特性及品質(zhì)的影響[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，2014.

[47] 鄭冬梅，林志斌，陳藝群，等.不同光質(zhì)對(duì)櫻桃番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（8）：567-571.

[48] 余意，楊其長(zhǎng)，劉文科.LED紅藍(lán)光質(zhì)對(duì)三種蔬菜苗期生長(zhǎng)和光合色素含量的影響[J].照明工程學(xué)報(bào)，2015，26（4）：107-110.

[49] 劉少梅，王麗娟，切巖祥和.不同比例紅藍(lán)光對(duì)櫻桃番茄幼苗生長(zhǎng)的影響[J].天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，22（1）：33-35.

[50] 劉丹.LED光源對(duì)花生以及黃瓜幼苗生長(zhǎng)的影響[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，2013.

[51] 樊小雪，宋波，徐海等.不同LED光質(zhì)對(duì)小白菜品質(zhì)的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（10）：18-19.endprint