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        植物工廠產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

        2023-12-09 07:16:50楊豫森宋艷梅張月恒
        照明工程學報 2023年4期
        關鍵詞:工廠植物日本

        汪 銳,楊豫森,王 琮,宋艷梅,張月恒

        (1.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司,北京 102209;2.華能國際電力股份有限公司,北京 100031)

        引言

        近年來,因新型冠狀病毒感染引發(fā)的肺炎疫情席卷全球,極大地沖擊了全球糧食安全[1],而不久前爆發(fā)的俄烏沖突,更是讓岌岌可危的全球糧食安全百上加斤(俄羅斯和烏克蘭供應了全球大麥出口總量的20%左右,供應小麥出口總量的25%以上[2])。加之近年來極端天氣頻發(fā),高溫干旱、洪澇災害等嚴重影響全球各地的糧食產量,因此迫切需要一種全新的作物生產方式,植物工廠為應對以上不利因素提供了一種解決方案。

        1 植物工廠的概念及優(yōu)勢

        日本東海大學教授髙遷正基先生在一本名為《植物工廠》的書中開創(chuàng)了植物工廠(plant factory)的概念。它是指在全封閉的設施內,利用人為環(huán)境的自動化控制,進行高效、省力、穩(wěn)定種植植物的生產方式[3]。該條件下的農事生產不受或很少受自然環(huán)境的制約,且可以進行周年連續(xù)生產,能有效地應對地緣政治、自然災害、瘟疫等不利因素。從光源上劃分,植物工廠可分為人工光型、自然光型以及人工光與自然光兩用型,而狹義上的植物工廠只采用人工光為唯一光源[4]。作為一種全新的規(guī)范化種植模式,植物工廠有多個優(yōu)點:1)不占用耕地,植物工廠可以建設在都市高樓中,也可以建設在近郊工廠,擺脫了地域限制;2)植物工廠內的環(huán)境由于可以實現(xiàn)人為操控,擺脫了外界環(huán)境氣候的限制,且可以全年連續(xù)進行作物生產;3)提高水肥利用率(植物工廠水肥資源利用率可達90%以上),采用循環(huán)供給營養(yǎng)液系統(tǒng),相比于大田種植,避免了水肥滲漏至地下造成的浪費,解決了施肥過量、土壤板結等問題,同時也降低了干旱或洪澇的風險[5];4)產量高、品質好,單位面積內,植物工廠的產量是大田種植的幾十倍甚至上百倍[6],此外,通過精準人工環(huán)境的控制,可為植物生長量身定制其所需的各種條件,大大增加植株生物量,縮短成熟周期,且植物工廠內潔凈度等級高,不產生病蟲害,產品無農藥殘留、重金屬殘留及微生物污染,安全放心。

        2 各國植物工廠發(fā)展現(xiàn)狀

        作為一種集約化的農業(yè)種植模式,植物工廠主要分布在一些發(fā)達國家。其中日本和荷蘭的植物工廠比較具有代表性,這兩個國家的栽培技術體系較為成熟,各類設施裝備齊全,生產作業(yè)流程更為規(guī)范,其產品的產量和品質也較高[7]。近年來,隨著資本市場的進入,植物工廠的規(guī)模越來越大,許多國家著手于大型植物工廠的建設(表1)。

        表1 國內外大型植物工廠匯總Table 1 Summary of large-scale plant factories at home and abroad

        2.1 日本

        日本對于植物工廠方面的研究始于1974年。1983年,日本第一座商用型植物工廠在靜岡縣三浦農場建成,該植物工廠采用氣霧培與水培的栽培模式。1985年,日本千葉縣一家購物中心的蔬菜銷售區(qū)也推出了植物工廠。1989年4月,日本成立了專注于植物工廠研究的農業(yè)高技術學會,之后每年1月份定期組織關于植物工廠的研討會,該學會的成立極大地推動了日本植物工廠產業(yè)的發(fā)展。截至20世紀90年代末,日本約建成20座人工光型植物工廠。進入21世紀后,日本植物工廠蓬勃發(fā)展。2001年,位于北海道的神內農場投資2.8億元人民幣,打造了當時日本乃至世界上設備最精良、技術最先進、投資最多的人工光與太陽光兩用型神內植物工廠[8]。2009年日本政府出臺一系列政策促進植物工廠產業(yè)發(fā)展,并撥款500億日元,支持植物工廠的建設與研發(fā)。在政府和政策的影響下,日本多個大型企業(yè)如日立、豐田、三菱等紛紛進軍植物工廠[9],之后日本植物工廠的數(shù)量持續(xù)增長,2009年至2017年間日本用于商業(yè)化生產的植物工廠數(shù)量增長如圖1所示(2015年至2017年間,植物工廠的總數(shù)幾乎保持不變)。目前日本約有400座人工植物工廠,其中只有250座左右在實際運營[10]。

        圖1 日本商業(yè)化植物工廠的數(shù)量變化Fig.1 Change in the number of commercial plant factories in Japan

        2.2 中國

        近年來隨著國家政策的支持及業(yè)內人士的推動,植物工廠的研發(fā)和產業(yè)化在我國均呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的勢頭,但與歐美國家相比,整體規(guī)模偏小,用途以科研展示為主,大型商業(yè)化植物工廠較少。福建省中科三安植物工廠是商業(yè)化運營的大型工廠之一,其栽培面積超過10 000 m2,日產蔬菜1.8 t左右,作為植物工廠解決方案供應商,該公司在國內落地了多個項目,如位于山西長治的10 000 m2混合型植物工廠,與國家電力投資集團聯(lián)合打造的智能植物工廠等。此外,該公司還在美國、加拿大、日本、韓國、新加坡、阿聯(lián)酋、德國、西班牙等20 多個國家開拓了植物工廠市場。2020年11月,四維生態(tài)在浙江省義亭鎮(zhèn)缸窯村打造了一座總投資950萬元、占地面積約1 000 m2的植物工廠。2022年江西上饒云谷田園生態(tài)小鎮(zhèn)打造了一座全自動的垂直葉菜工廠,該工廠占地1 147 m2、模組總層數(shù)20層、高11.2 m,其產量與9 800 m2的平面種植面積持平,是同等占地面積下傳統(tǒng)種植的30倍。該植物工廠利用智能裝備如AGV自動物流車、立體升降機等,實現(xiàn)了全自動化精準快速播種、育苗、定植、采收等工作,極大地提高了工作效率。

        3 植物工廠裝備技術進展現(xiàn)狀

        植物工廠是一個涉及生命科學、生物技術、設施園藝、環(huán)境控制、計算機、自動化及人工智能等多個學科的交叉領域,該領域的核心技術包括LED照明技術、營養(yǎng)液循環(huán)調控技術、栽培采收技術、智能裝備技術及智能環(huán)境控制技術等,各技術的協(xié)調統(tǒng)一,互相搭配為植物工廠穩(wěn)定高效運行出力。如荷蘭的太陽光型植物工廠利用先進的智能環(huán)控系統(tǒng)以及水肥管理系統(tǒng),使得番茄年產量高達85~90 kg/m2[11]。日本的人工光植物工廠技術較為領先,通過系統(tǒng)集成的方法使植物工廠年產量提高至55 t/hm2[12]。近年來,我國植物工廠裝備研究也取得了巨大進展,智能裝備系統(tǒng)在播種、移栽、采收、運輸、包裝等多個環(huán)節(jié)中得到應用[13],如方嘯等[14]采用自適應動態(tài)規(guī)劃算法解決了智能運輸車自主尋路、避障的問題。田志偉等[15]利用機器視覺技術進行產品分級、檢測植物養(yǎng)分脅迫、病蟲害等;馬浚誠等[16]利用機器視覺技術構建支持向量機來識別與診斷黃瓜霜霉病,準確率達到90%;劉蒙蒙[17]選取害蟲形態(tài)特征作為表征蟲害的特征參數(shù),基于支持向量機進行分類,害蟲平均識別準確率達到了93.5%。David等[18]以生菜頂部冠層面積作為形態(tài)特征進行監(jiān)測,評估早期生菜中鈣缺乏情況等。目前人工光植物工廠光源能耗占總能耗的50%~60%[19],降低運行能耗也是植物工廠裝備技術的研究熱點之一,Li等[20]通過優(yōu)化LED光源與冠層的位置、改變光線投影大小等提高了光能利用率,此外還利用室內外溫差優(yōu)勢,通過新風方式引入室外冷源,達到節(jié)能的目的。石惠嫻等[21]通過使用水蓄能型地下水源熱泵式供熱系統(tǒng)對植物工廠供熱,研究表明該系統(tǒng)不僅能移峰填谷,降低運行費用,同時相對于傳統(tǒng)的燃煤鍋爐和燃氣鍋爐,其節(jié)能率分別為81.05%和74.83%,碳排放量分別為80%和34.13%。王君等[22]利用風機引進外界低溫空氣與空調協(xié)同降溫方式,以低功率的風機運行減少了高功率空調運行,明暗期節(jié)省的降溫耗電量分別為24.6%~63.0%和2.3%~33.6%。

        適合植物工廠栽培的植物品種較多,如葉菜、茄果、芽苗菜、食用香料和花卉、中草藥等,近年來,“七天牧草”是植物工廠的熱門栽培品種之一,該方式生產的鮮食牧草生長周期短、產量高、適口性好,能解決畜牧業(yè)部分“口糧”問題,保證牲畜“糧食安全”[23]。除此之外,植物工廠還能為科研提供支撐,如通過延長光照時間等措施縮短水稻育種年限,加速繁育新品種[24]。植物工廠在醫(yī)藥領域也有應用,如利用生菜做生物反應器,通過植物瞬時蛋白表達技術平臺快速、低價生產抗體等藥物[25]。

        4 植物工廠產業(yè)發(fā)展存在的問題

        雖然目前植物工廠勢頭正盛,但成本始終是限制其大規(guī)模發(fā)展的主要因素,包括投資成本高、回報周期長、運營成本高等。以日本為例,一座日產7 000株生菜(單株重80 g)規(guī)模的植物工廠,電力成本、人工成本、設備折舊費分別占生產成本的29%、26%、23%(圖2)[26]。此外,自動化植物工廠設備普遍停留在科研階段,大多數(shù)商業(yè)化植物工廠自動化設備普及程度較低,許多操作仍需要人工完成,這也進一步增加了植物工廠的生產成本。植物工廠產品主要為葉菜,少部分為茄果類,種類較為單一,因其特殊的生產方式,植物工廠產品價格顯著高于大田種植價格,諸多因素都導致植物工廠的產品市場占有率低下。

        圖2 植物工廠生產成本構成Fig.2 Production cost composition of plant factories

        5 結語

        得益于礦質營養(yǎng)學說和環(huán)控技術的不斷發(fā)展,植物工廠也在不斷“進化”。光源從高耗能的高壓鈉燈逐步轉換至熒光燈,再到今天更為節(jié)能的LED燈。植物工廠的規(guī)模也逐漸從小型化的科研展示型向大型化、智能化的商業(yè)生產型轉變。植物工廠作為農業(yè)的高級形式,能真正修復傳統(tǒng)農業(yè)對生態(tài)系統(tǒng)帶來的傷害,且相比于傳統(tǒng)溫室長距離運輸,植物工廠的碳足跡更短,因運輸產生的碳排放更少,但具體的減排量尚不明確,缺少充分的數(shù)據(jù)及方法學支撐。其次,植物工廠內作物生長需消耗二氧化碳,植物工廠是高效率吸收和利用二氧化碳的一種有效途徑,植物工廠還可通過調整生長期實現(xiàn)用電的移峰填谷,若能將植物工廠上述特征與熱電廠煙氣碳捕集、調峰調頻富余電力消納結合,將產生良好的互補協(xié)同作用,但如何實現(xiàn)植物工廠與熱電廠能源系統(tǒng)的匹配設計與優(yōu)化運行,仍有待進一步深入研究。

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        為什么工廠的煙囪都很高?
        植物罷工啦?
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