关于植物工厂，他们这样说

关于植物工厂，很多专家学者写过专门的论文或报告。小编特精选几篇，介绍一二。

植物工厂补光照明方法现状与趋势

（节选，作者: 赵静，周增产，卜云龙等）

植物对光照的需求

植物的生命活动离不开光照，光是植物光合作用的唯一能量来源，光照强度、光质（光谱）及光的周期性变化对作物的生长发育具有深刻影响，其中以光照强度对植物的光合作用影响最大。光照强度光照强度是辐射强度或者光强度，是指单位立体角输出的辐射功率或者流明值，在植物灯光谱技术里，称作光量，是指单位时间里输出的光子微摩尔数量。用光子通量PPF表示，单位是umol/s。光质光质，就是光辐射功率或者光子数量按照波长不同的分布形态和含量与相互的比例，光子和光量子是同一概念，在植物灯光谱技术里用微摩尔值表示光子数量的多少。

植物光合作用最重要的2种色素是叶绿素（Chlorophyll）和胡萝卜素（Carotenes）。图2为各光合色素的光谱吸收图谱，其中叶绿素吸收光谱集中在红蓝波段，照明补光系统是根据作物的光谱需求进行人工补光，以促进植物的光合作用。光周期光周期是植物灯每天的开启时间，对于太阳光，光周期是每天有效的光照时间。环境三要素中，光照强度是选择人工光源的重要依据，目前对光照强度有多种表述方法，主要包括如下3种。（1）光照度（Illumination）是指受照平面上接受的光通量面密度（单位面积的光通量），单位：勒克斯（lx）。（2）光合有效辐射照度PAR，单位：W/m²。（3）光合的光子通量密度PPFD即单位时间、单位面积上到达或通过的光合有效辐射的光量子数，单位：μmol/(m²·s)。主要指与光合作用直接有关的400~700nm的光照强度。也是植物生产领域最常用的光照强度指标。

典型补光系统的光源分析

人工补光是通过安装补光系统，提高目标区域内的光照强度或延长光照时间从而实现植物对光的需求。一般来说，补光系统包括补光设备、电路及其控制系统。补光光源主要包括白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯及LED等几种常用类型。由于白炽灯电光效率低，光合能效低等缺点，已经被市场淘汰了，故本文不做详细分析。荧光灯属于低压气体放电灯的类型。玻璃管内充有水银蒸汽或惰性气体，管内壁涂有荧光粉，光色随管内所涂荧光材料的不同而异。荧光灯光谱性能好，发光效率较高，功率较小，与白炽灯相比寿命较长（12000h），成本相对较低。因荧光灯自身发热量较小，可以贴近植物进行照明，适用于立体栽培，但荧光灯光谱布局不合理，国际上比较常用的方法是增设反光罩，尽量增加栽培区作物的有效光源成分。日本adv-agri公司还开发了新型补光光源HEFL，HEFL实际上属于荧光灯范畴，是冷阴极荧光灯（CCFL）及外部电极荧光灯（EEFL）的总称，是一种混合电极荧光灯。HEFL灯管极细，直径仅4mm 左右，长度按照栽培需要可从450mm调节到1200mm，算是常规荧光灯的改进版。金属卤化物灯在高压水银灯的基础上，通过在放电管内添加各种金属卤化物（溴化锡、碘化钠等）而形成的可激发不同元素产生不同波长的一种高强度放电灯。卤化灯发光效率较高、功率大、光色好、寿命较高、光谱大。但由于发光效率低于高压钠灯，寿命也比高压钠灯短，目前仅在少数植物工厂使用。高压钠灯属于高压气体放电灯类型。高压钠灯是在放电管内充高压钠蒸汽，并添加少量氙（Xe）和汞灯金属的卤化物的一种高效灯。由于高压钠灯具有较高的电光转换效率同时兼顾较低制造成本，所以目前农业设施补光应用中高压钠灯是最广泛的，但由于其光谱存在光合效率低的缺点，造成能效较低的短板。另一方面高压钠灯所发出的光谱成分主要集中在黄橙光波段，缺少植物生长必须的红色和蓝色光谱。发光二极管（LED）作为新一代光源，具有更高的电光转换效率，光谱可调、光合效率高等诸多优点。LED能够发出植物生长所需要的单色光，与普通荧光灯等补光光源相比，LED具有节能、环保、寿命长、单色光、冷光源等优点。随着LED的电光效率进一步提升，规模效应产生的成本下降，LED将成为农业设施补光的主流设备。

通过比较，可清晰了解不同补光光源的特性，如表1所示。

移动式补光装置

光照强弱与作物的生长密切相关，植物工厂中多采用立体栽培，但受栽培架结构所限，层架间的光照、温度分布不均，这样会影响作物的产量，收获期也不同步。北京一公司在2010年已成功开发手动升降补光装置，其原理是通过摇动摇柄转动小型卷膜器带动传动轴及固定在其上面的绕线器转动，实现收放钢丝绳的目的，吊挂补光灯钢丝绳通过多组换向轮与升降器的绕线轮连接，从而达到调整补光灯高低的效果。2017年上述公司设计开发了新型移动式补光装置，该装置可以根据作物生长需求实时自动调节补光高度。该调节装置现安装在3层式光源升降式立体栽培架上，装置顶层为光照情况最好的层级，所以配置高压钠灯；中间层及底层配置可升降调节系统， 安装LED灯具， 可根据光传感器的检测信号，自动调节补光灯高度，为作物提供合适的光照环境。相对于为立体栽培量身订制的移动式补光装置，荷兰开发了一种可水平移动的补光灯装置。为了免于阳光下补光灯的阴影对植物生长的影响，可将补光灯沿水平方向通过伸缩式滑道推向支架两边，让阳光全面照射到植物上；没有太阳光的阴雨天，可将补光灯推向支架中间，使补光灯的光照均匀地给植物补光；通过支架上的滑道水平方向移动补光灯，避免了频繁地拆装和搬动补光灯，降低了员工的劳动强度，有效提高了工作效率。

典型作物补光系统设计思路

从移动式补光装置的设计不难看出，植物工厂补光系统的设计通常以不同作物生育期的光照强度、光质和光周期参数以及末端调控特殊手段最为设计的核心内容，依赖智能控制系统来执行实施，达到节能高产的终极目标。目前，有关叶菜的补光设计构建已逐渐成熟。举例来说，叶菜可分为苗期、生长中期、生长后期和末端处置4个阶段；果菜可分为苗期、营养生长期、开花阶段、采收阶段。从补光光照强度属性来说，苗期光照强度应略低，在60~200 μmol/(m²·s)，随后逐渐增大。叶菜最高可至100~200 μmol/(m²·s)，果菜可达300~500 μmol/(m²·s)，以保障各生育期植物光合作用对光照强度的要求，实现高产的需要；对光质而言，红蓝比例至关重要。苗期为了增加苗质量，防止徒长，一般把红蓝比例设置在较低水平[(1~2):1]，随后逐渐降低，以满足植物光形态建成的需求，可将叶菜红蓝光比设置(3~6):1。对光周期而言，与光照强度类似，应呈现随生育期延长而增加的趋势，以使得叶菜有更多地光合时间进行光合作用。果菜的补光设计会更加复杂，除上述基本规律外，应重点关注开花期的光周期设置，必须促进蔬菜的开花结果，以免适得其反。值得提出的是，光配方应包括末端处置光环境设置内容，比如通过连续补光可大幅提高水培叶菜苗菜的产量和品质，或者通过UV处理可显著提高芽菜和叶菜（尤其是紫叶和红叶生菜）的营养品质。除了对特选作物进行优化补光外，一些人工光型植物工厂的光源控制系统近年来也发展迅速，这种控制系统一般是基于B/S架构，通过WIFI实现远程操控对作物生育过程的温度、湿度、光照、CO2浓度等环境因素进行自动控制，不受外界条件制约的生产方式。这种智能补光系统，采用LVD无极灯作为补光光源，结合远程智能控制系统，能够满足植物波长光照需求，特别适合应用于光控植物设施栽培环境，可以很好地满足市场需求。（来源：城市照明商情）

植物工厂的崛起与未来

（节选，作者：徐鸣 ）

植物工厂的优势

植物工厂是现代设施农业发展的一个重要标志。日本植物工厂学会曾对植物工厂做过一个定义：即利用环境自动控制、电子技术、生物技术、机器人和新材料等进行植物周年连续生产的系统，也就是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生育不受自然气候制约的省力型生产。

简而言之，植物工厂就是创造一个适宜植物生长的人工环境，实施自动化半自动化的生产管理，可以全年无休进行植物栽培的农业系统。一般来说，狭义的植物工厂专指人工光源的植物生产系统，广义的植物工厂泛指所有的设施农业。现在的大多数植物工厂都采用了人工光源（LED光源）和水耕栽培技术（无土水培技术），植物工厂的机械化和机器人使用情况则根据不同植物生产对象采取了不同方式。植物工厂的生产对象一般为蔬菜、花卉、果树、食用菌及部分大田作物。

植物工厂是一种高投入、高技术、精装备的农业生产体系。与传统农业生产方式相比，植物工厂的优势主要表现为：

1、植物工厂生产的计划性强，可以在不受自然环境影响的条件下，实现周年均衡生产；

2、植物工厂营造植物生长最佳环境，增加光照时间，科学配水施肥，能够获得较高的单位面积产量；

3、植物工厂采用机械化半机械化作业，降低了工厂用工水平，劳动生产率大幅提高；

4、植物工厂实行封闭式生产，严格投入品管理，少施肥不用药，产品更加安全健康；

5、植物工厂设置多层、垂直空间结构，采取立体栽培模式，大幅节省土地与能源；

6、采用垂直封闭结构和人工光技术的高层植物工厂，能够与现代城市建设紧密结合，为大中城市居民就近供应大量新鲜、健康的蔬菜。

植物工厂有着诸多优势，而制约植物工厂发展的关键是生产成本较高，植物工厂的农业产品仍缺乏市场竞争能力。但植物工厂代表了未来农业发展的一个方向。未来植物工厂的发展将重点采用新的基因技术、物联网技术和人工智能技术，培育更适宜人工栽培的植物品种，营造更适合植物品种生长的工厂环境，建立更节省人力资源的生产流程，提高植物工厂农产品的市场竞争能力。

农产品的生产，除了蔬菜、花卉、果树和食用菌之外，还有畜牧、水产和大田作物。先进的畜牧、水产养殖也已经在某种程度上进入了工厂化行列。现代畜牧养殖场给每一头牲畜打上耳标，对牲畜的饮食、防疫、运动等进行信息化管理。现代水产养殖场采用物联网技术，对养殖水体和养殖对象生长状况进行智能化管理等。这些措施都提高了畜牧、水产的养殖效率。大田作物主要指适宜大规模种植的农作物，如小麦、稻谷、大豆、棉花、甘蔗等。这些大田作物生产主要是采用物联网技术加强生长管理，大量使用农业机械以节约人力成本，以此提高生产效率。

未来农业的发展将从两个方向展开，一是农业工厂向集约化、精准化方向发展，一是大田作物向规模化、机械化方向发展。基因技术、人工智能技术将在未来农业发展中扮演更为重要的角色。

植物工厂的未来

以色列历史学家尤瓦尔在《未来简史》一书中指出：“过去几百年间，科技、经济和政治的进步，打开了一张日益强大的安全网，使人类脱离生物贫困线。”这就是说，人类在整体上已经摆脱了食物不足的困境。提供健康、安全的农产品是未来农业发展的一个新的方向，而植物工厂正是顺应了这一历史趋势。目前，影响植物工厂发展最突出的因素是产品的市场竞争能力。植物工厂高技术、高投入、生产高成本，也带来了产品相应的高价格，成为制约植物工厂发展的一个主要瓶颈。未来植物工厂的发展既要降低生产成本，提高生产效率，又要明确市场定位，突出优质优价，使之成为大中城市蔬菜供应的一个重要生产途径。

植物工厂是现代科学与技术发展的产物，植物工厂的未来也将寄希望于科学与技术的进步。

培育更丰富的植物品种。目前，植物工厂的生产品种主要是生菜、菠菜、水芹、莴苣、黄瓜、番茄等，以叶菜、瓜果为主，品种尚不丰富。今后，要运用现代生物技术，培育更多适宜植物工厂水培方式生长的蔬菜、瓜果、花卉、食用菌品种，不断开拓植物工厂的生产类型，让植物工厂既满足大中城市的新鲜农产品供应，也成为城市一道靓丽的景观，形成质感丰富的都市农业景象。

寻找更优质的人工光源。早期植物工厂一般采用太阳光与人工光相结合的办法，现代植物工厂多数采用封闭结构的人工光源，以给予植物充足的光照。植物工厂的光源从过去的农用钠灯到了现在普遍使用的LED灯。种植实践表明，不同的植物对不同的光谱有着不同的敏感性，同一植物在不同的生长期也对不同的光谱有着不同的敏感性。因此，植物工厂通常会选择全光谱光源，以满足各种植物生长需要。光照在植物工厂的生产成本中占有很大比重，探索更高效的新型光源是未来植物工厂发展的一个方向。

配制更高效的液体肥料。植物工厂大多数采用水耕栽培技术，水耕栽培也叫做营养液栽培，将植物生长所需要的养分制成营养液供植物吸收，植物的根系生长在营养液之中。营养液为植物生长提供充足、稳定的水分与营养，植物在营养液中生长的速率要高于土壤生长。水耕栽培技术的核心是营养液的配方，不同的植物需要不同的营养，同一植物在不同生长阶段也需要不同营养，这些都需要经过反复实验取得经验。营养液中的各种营养物质要能够很好地溶于水，并易于植物吸收。因此，植物工厂的光照配方和营养液配方往往成为植物工厂的不传之秘。

探索更优化的管理模型。植物工厂是典型的农业高科技产物。植物工厂由计算机对植物生育过程的温度、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，实现了可控环境下的高效生产。植物工厂不仅控制工厂生产环境，还将由计算机掌握目标市场供应情况，合理安排植物生产与种植茬口衔接，以期获得更高的生产效益。这些都需要经验积累和大数据的分析运用。从本质上讲，植物工厂就是未来的农业智能工厂。（来源：长江产经智库）

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