未来农业新希望——植物工厂

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3 k1 k) t' R4 C* }! Q未来农业新希望——植物工厂

* i: [  \$ T5 ^7 T! F    植物工厂（plant factory）的概念最早是由日本提出来的。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、二氧化碳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型生产。植物工厂是现代农业的重要组成部分，是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是现代生物技术、建筑工程、环境控制、机械传动、材料科学、设施园艺和计算机科学等多学科集成创新、知识与技术高度密集的农业生产方式。

    1957年世界上第一家植物工厂诞生在丹麦，1974年日本等国也逐步发展起来。美国犹他州立大学试验用植物工厂种植小麦，全生育期不到2月，一年可收获4－5次。20世纪60年代初次进行植物工厂的试，并开始推。1964年奥地利开始试验一种塔式植物工厂（高30米、面积5000平方米）。1971年丹麦也建成了绿叶菜工厂，快速生产独行菜、鸭儿芹、莴苣等。1974年日本建成一座电子计算机调控的花卉蔬菜工厂，该厂由1栋2层的楼房（830平方米）和两栋栽培温室（每栋800平方米）构成，在一年内生产两茬金香、两茬垄民花、一茬番茄，做到周年生产。至1998年，日本已有用于研究展示、生产的植物工厂近四十个，其中生产用植物工厂17个。2004年，中国农业大学开发了利用嵌入式网络式环境控制的人工光型密闭式植物工厂。

0 c1 n6 f+ ]; d" L! A; u. c分类
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    关于植物工厂的分类，因所持的角度不同，其划分方式也各异。 1.从建设规模上来分可分为大型（1000m以上）、中型（300~1000m）和小型（300m以下）三种； 2.从生产功能上来分可分为植物种苗工厂和商品菜、果、花植物工厂，还有一部分大田作物、食用菌等； 3.从其研究对象的层次上又可分为以研究植物体为主的狭义的植物工厂、以研究植物组织为主的组培植物工厂、以研究植物细胞为主的细胞培养植物工厂。 4.按光能的利用方式不同来划分，共有三种类型，即太阳光利用型（简称太型）、人工光利用型或者叫完全控制性（简称完型）、太阳光和人工光并用型（综合型）。

  t7 G6 X) l" ~$ d/ \    其中，人工光利用型被视为狭义的植物工厂，称为密闭式植物工厂或者叫完全控制性（简称完型），它是植物工厂发展的高级阶段。广义上来说，植物工厂由分为温室型半天候的植物工厂和封闭式全天候的植物工厂，包含了豆芽菜、蘑菇、萝卜缨等的生产工厂；半自动控制的温室水耕系统；种苗繁育系统或人工种子生产系统。但目前，比较习惯的分类方法是按照植物生长中最重要的条件之一光能来分类的。
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  ]! U: R" o0 {8 T主要特征
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: `8 Y& X  w5 Y. t) T8 w7 w% L4 |* [    植物工厂的共同特征是：有固定的设施；利用计算机和多种传感装置实行自动化、半自动化对植物生长发育所需的温度、湿度、光照强度、光照时间和CO？浓度进行自动调控；采用营养液栽培技术；产品的数量和质量大幅度提高。
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环境要求
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    走进植物工厂，室内布满栽培架，上面种满生菜、小白菜等蔬菜植物。墙上的显示屏正报告着温度、湿度等数据。植物工厂是给植物提供合适生长环境的系统设备，分为植物苗工厂和蔬菜工厂两部分。植物工厂是国际上公认的设施农业最高级发展阶段，是一种技术高度密集、不受或很少受自然条件制约的全新生产方式。
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    目前，仅有日本、美国等少数发达国家掌握这项技术。植物工厂以节能植物生长灯和LED为人工光源，采用制冷—加热双向调温控湿、光照—二氧化碳耦联光合与气肥调控、营养液在线检测与控制等13个相互关联的控制子系统，可实时对植物工厂的温度、湿度、光照、气流、二氧化碳浓度以及营养液等环境要素进行自动监控，实现智能化管理。
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! p% f6 K: T9 }# k8 D收获快速
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+ {. J: {/ m7 c) V: W, C/ P: j    通过对工厂内环境的高精度控制，植物的生长在这里几乎不受自然条件的制约，生长周期加快。现在工厂内种植的生菜、小白菜等，20天左右就能收获，而在普通的大田里，则需要一个月到40天的时间。除了收获快，空间利用率高也是植物工厂的重要特点。在工厂内看到的都是三层的栽培架，从面积上就相当于同样大小露天耕地的三倍，加上其种植密度大，因此，植物工厂的产量可以达到常规栽培的几十甚至上百倍。

: G0 ?! u1 z$ V! a) F! @    菜种植之外，植物工厂在育苗上也有应用。在黄瓜和番茄的育苗方面都做了实验。相比蔬菜生产，育苗的周期更短，一般为一周左右。虽然常规栽培的周期也不是很长，但在育苗的整齐和健壮度上不如工厂的产品。毕竟大田的不可控因素太多，今天光照也许很好，但明天可能阴天，后天有可能降温，而这些在工厂里都可以得到控制。
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营养生长
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    不靠太阳不用土，这是营养液在循环，用来固定植株的塑料泡沫板掀起，原来植物的根系根本不是生长在土壤里，而是完全浸泡在营养液中，土壤的作用是提供营养元素和水分，而营养液除了提供水分，也提供了植物生长所需的各种元素，包括氮磷钾等大量元素及锌铁锰等微量元素，因此没有必要使用土壤栽培。无土栽培的技术现在已经非常成熟，而且水栽比土栽的生长周期要快很多，也是使用水栽的重要原因。
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4 Z" Q: ^( O" Y, M0 Q  O    墙上显示器上有营养液监控的数据，那是对营养液温度控制的参数。在寒冷的天气中，系统会对营养液进行加热，如果温度很低，会对植物的根系造成伤害。植物工厂的小屋没有窗户，外界的光线几乎无法进入，万物生长靠太阳这句俗语人人皆知，但工厂内的植物却不见天日，难道它们生长不靠阳光？
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. \% S: c# w! i( c) W( E! z7 s0 S# jLED灯照明

    “完全不用阳光”，在每个栽培架上，都装有一块灯板。不同的是左侧是LED（发光二极管）灯，右侧是荧光灯。两种灯光都能满足植物生长的需要，只是LED比荧光灯更加节能。 LED灯板以红灯为主，中间按一定距离均匀分布着蓝灯，比例大概为8∶1到9∶1，太阳光对于植物而言是全波段的，红光、蓝光、紫外线、红外线等都包括，但实验显示，植物吸收的光线波段主要是红光和蓝光，比例超过60%.因此将红光和蓝光按照一定配比制成光源，就能满足植物生长需求。
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1 \1 S7 ?& n% H/ c7 l% m# q* ~4 U    红外和远红外等成分主要以热量的形式出现，而且耗能严重。去掉那些部分，不会影响植物品质。他们做过实验，这种环境下成长起来的植物，维生素和糖的含量几乎没有变化。由于植物工厂内环境可控性强，栽培环境的二氧化碳浓度可以得到大幅增加，使植物的光合效率提高，植物生物量的形成和营养物质的积累，都是常规栽培的几倍。
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成本较高

    尽管植物工厂在产量和效率方面优点突出，但存在的问题也同样明显，那就是高昂的成本，在一定程度上影响了它的推广。一个一般规模的植物工厂，建成需要十几万元的投入，后期的运行和维护也是一笔花销，因此如何降低成本是下一步所要面对的问题。 在降低建设成本方面，他们将主要致力于新材料的研发，制作出成本低、隔热保温性能好、便于安装的新材料。而在运营方面，除了尽可能减少动力方面的消耗外，新能源的利用也是重要的手段。

3 Y  G7 v, i  q; [  F3 J" v    如果能使用太阳能、风能等清洁能源，虽然会增加前期投入，但运营费用也会大大降低。那么植物工厂这种生产方式，植物工厂将来肯定会走向普及，但由于其需要一定的投入，因此全部使用它来供应粮食蔬菜并不现实，但在一些特殊环境下，比如极地或太空中，它作为主要供应方式还是有可能的。

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老大啊，如果这东东能实用了，那偶们是不是就吃不起植物了该？成本高高的。

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很多东西是技术成熟了，等待市场可承受了才大发展啊，这个过程也许就是几十年。