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設施農業資訊 2024/07/22
什么是植物工廠？
根據日本學者古在豐樹教授的《人工光型植物工廠》和中國農業科學院都市農業研究所研究員楊其長的《植物工廠概論》給出的植物工廠定義，植物工廠是一種通過設施內高精度環境控制，實現作物周年連續生產的高效農業系統，是由計算機對作物生育過程的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、營養液等環境要素進行自動控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產方式。植物工廠充分運用了現代裝備工程、生物技術、設施園藝技術、植物生理、植物栽培工程與環控信息技術等手段，屬于技術高度密集型產業，多年來一直被國際公認為設施園藝的最高級發展階段，是衡量一個國家農業高技術發展水平的重要標志之一。
植物工廠的發展始于20世紀50年代歐美等一些發達國家。經過半個多世紀的發展，目前已經成為現代農業高技術產業的重要組成部分。植物工廠的基礎主要來自于營養液栽培技術和環境感知與控制技術的突破。植物工廠正是以這2項技術為基礎，實現了植物的周年連續生產。
各國研發力度與產業化步伐不斷加快，日本于2009年提出大力發展植物工廠、振興現代農業計劃，由農林水產省和經濟產業省拿出500億日元用于支援植物工廠的建設與研發，受此影響，一批大型企業如三菱、豐田、日立等紛紛介入，并計劃輸出植物工廠產品到中國、中東、歐美等國家或地區。2015年日本人工光植物工廠數量已達185座，其中位于宮城縣多賀市的占地面積2300㎡、15層立體栽培架、日產葉菜10000棵的LED植物工廠，以及大阪府立大學的占地面積550㎡、18層栽培架、日產葉菜5300棵的LED植物工廠，代表了日本近年來植物工廠的發展趨向。
我國植物工廠相比于歐、美、日等發達國家，起步較晚，但我國植物工廠建設發展速度是前所未有的，在這個過程中我國采取了走出去、引進來，加強技術交流，對植物工廠相關技術經過了吸收，消化、創新再創新的過程。在實驗示范階段期間，我國先后有浙江麗水農科院與國防科技大學合作，于2004年成功地建起了我國第一座植物工廠，標志著我國具有自主知識產權植物工廠的正式誕生，中國智能農業從這里開始。成為世界上少數幾個掌握植物工廠核心技術的國家之一，這將對提升我國植物工廠競爭力和對我國現代農業的發展產生深遠影響。
近年來，隨著世界環境、資源等問題日漸突出，植物工廠的發展優勢逐漸顯現：作物生產周期性強，可達到周年生產；不施農藥，產品安全無污染；多層立體栽培，資源（土地、水肥、空間等）利用率高；作物生長周期短，單位面積產量高；機械化、自動化程度高，勞動強度低；不受或很少受地理、自然環境的影響，甚至可在極端氣候區、外層空間等地區進行農業生產等。
由于不受環境影響、可就近供應蔬果的植物工廠正不斷升溫。中國已成為世界上植物工廠發展最快的國家，2021年，我國新增48座植物工廠，新增面積21.54萬㎡。目前，我國人工光植物工廠總數已超過250座，成為數量僅次于日本的植物工廠發展大國。
植物工廠的核心技術裝備包括四個方面，即立體多層無土栽培技術裝備、人工光照明技術裝備、智能環境控制技術裝備、植物生產空間自動化管控技術裝備。近幾年，這些核心技術裝備得到了很大的發展，正在被逐漸地標準化和大規模應用。植物工廠的外圍護結構設計、功能分區、各區域密閉性保證都很重要，直接關系到植物工廠初裝成本和運行成本及能耗，也關系著生產效率。
立體多層無土栽培技術裝備是指采用無土栽培方法，借助栽培床和層架管路裝備，實現植物在多層立體栽培架上進行生產的技術裝備。立體多層無土栽培技術裝備是人工光植物工廠必要的本質裝備，也是太陽光植物工廠需要迫切發展的技術裝備。當前，以NFT和DFT技術為基礎的多種立體多層無土栽培技術裝備已經開發出來，適合葉菜、根莖類植物生產。立體多層無土栽培技術裝備主要包括營養液儲存供給系統（營養液池、泵動系統、供液回液管路、定植床、控制系統等）。
人工光照明技術裝備是人工光植物工廠核心技術裝備，為植物生產提供光合能量和光照信號。熒光燈是傳統光源，LED是新型光源。兩種光源的植物生理響應機制已經被廣泛揭示，兩種光源應用的生物學基礎已非常明確。但是，LED作為新型固態半導體光源具有熒光燈無法比擬的光電優勢，包括可按植物生長發育需求調制光譜，按需用光，生物光效高；冷光源，可貼近植物照射，提高空間利用率；可控性好，可精準調控光強、光質和光周期等；節能、環保、長壽命、體積小、質量輕；）LED光源裝置多樣（燈板、燈帶、燈管和燈泡），適用于設施園藝各領域。
智能環境控制技術裝備由執行機構、檢測機構、控制機構組成，控制因子包括溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、氣流、營養液供給等多種生產要素，在很大程度上環境控制智能化水平的高低決定著植物工廠的運行效率。智能環境控制以植物環境控制為基礎，特別需要以環境因子耦合控制下的植物生理響應效應作為依據，尚需深入地系統研究。在環境控制要素中，最重要的是養分和光照，其控制策略具有時間和空間要求，也需要和其他環境要素耦合統籌控制。
植物生產空間自動化管控技術裝備包括植物移栽定植技術裝備、植物空間水平垂直移動傳輸技術裝備、光源燈具水平垂直移動傳輸裝備，以及機械化自動升降機、自動收獲等生產管理技術裝備等。植物生產空間自動化管控技術裝備是植物工廠流水線作業的主體裝備，有利于提高生產效率和管控水平。
植物工廠行業雖然具有高效、可持續和環境控制精準等優點，但也存在一些亟待解決的問題。初期投資成本高是植物工廠行業的一大挑戰，包括設施建設、設備購置、能源供應系統以及高級技術支持等都需要大量資金投入。其次，能源消耗大也是問題之一，植物工廠需要全天候人工光源和恒溫恒濕環境，這導致能源需求量大，影響其經濟性和環保性。再者，技術瓶頸有待突破，如光合作用效率提升、物種適應性改良、病蟲害防控等問題需要進一步科研攻關。此外，植物工廠的運營管理和人才短缺也是困擾行業發展的問題，包括專業種植技術、設施維護、市場開拓等方面的專業人才相對匱乏。消費者對植物工廠產品的認知度和接受度還有待提高，市場需求和價格定位也需要進一步探索和研究。總的來說，植物工廠行業需要在降低成本、節能減排、技術創新、人才培養和市場開發等方面做出努力，以實現長期可持續發展。
面對當前問題，植物工廠的發展對策概括如下。
通過持續研發、改進節能高效的植物工廠生產技術裝備，顯著提升植物工廠的光效與能效，不斷降低光源與空調的能耗，大幅減少系統運行費用。
通過營養調控和光調控等手段，顯著提高植物工廠產品的VC含量、可溶性糖含量以及其他功能品質，同時通過選用一些功能性蔬菜、藥用植物甚至特種作物等高附加值的產品進行種植，提升植物工廠產品的經濟效益，增強植物工廠的盈利能力。
建立品牌戰略，加快植物工廠農產品和技術裝備的社會認知度和認可度。著力發展植物工廠植物產品品牌，夯實品質保證機制，加大品牌宣傳推廣力度，使植物工廠產品深入民心，進而提高銷售量和產值。
構建多種植物工廠類型、產品，拓展盈利模式。著力開發家庭型、商用型、社區型等植物工廠類型，豐富植物工廠商業化產品，擴大購買人群；增加植物工廠生產的植物種類，充分利用植物工廠的多種功能實現可持續盈利。