植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是利用智能計(jì)算機(jī)和電子傳感系統(tǒng)對(duì)植物生長(zhǎng)的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制，使設(shè)施內(nèi)植物的生長(zhǎng)發(fā)育不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式。

植物工廠是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級(jí)階段，是一種高投入、高技術(shù)、精裝備的生產(chǎn)體系，集生物技術(shù)、工程技術(shù)和系統(tǒng)管理于一體，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從自然生態(tài)束縛中脫離出來，按計(jì)劃周年性進(jìn)行植物產(chǎn)品生產(chǎn)的工廠化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中吸收應(yīng)用高新技術(shù)成果最具活力和潛力的領(lǐng)域之一，代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

植物工廠的主要特征

環(huán)境條件植物工廠一般要求一個(gè)等級(jí)不同的潔凈栽培空間，室內(nèi)外空氣交換要通過帶有空氣過濾裝置的空調(diào)來實(shí)現(xiàn)，溫度、濕度、二氧化碳濃度數(shù)據(jù)都可通過大數(shù)據(jù)中心獲得。

植物工廠以節(jié)能LED植物生長(zhǎng)燈為光源，采用制冷—加熱雙向調(diào)溫控濕、光照—二氧化碳耦聯(lián)光合與氣肥調(diào)控、營(yíng)養(yǎng)液在線檢測(cè)與控制等相互關(guān)聯(lián)的控制子系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)對(duì)植物工廠的溫度、濕度、光照、氣流、二氧化碳濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)智能化管理。通常情況下，葉用萵苣類植物工廠內(nèi)的晝夜溫度在18~23℃，濕度在65%~75%。二氧化碳濃度根據(jù)不同植物的不同需求，一般在400~1200ppm。

作物產(chǎn)量通過對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的高精度控制，植物的生長(zhǎng)幾乎不受自然條件的制約，生長(zhǎng)周期縮短。現(xiàn)在工廠內(nèi)種植的牧草，割完以后迅速再長(zhǎng)一茬，20天左右就能收獲一茬，而在露地栽培中則需要一個(gè)月到40天。除了生長(zhǎng)周期短，空間利用率高和一年四季不間斷生產(chǎn)是植物工廠的重要特點(diǎn)，植物工廠具有立體栽培的優(yōu)勢(shì)，每年可進(jìn)行15-20次生產(chǎn)。

營(yíng)養(yǎng)供給植物工廠采用循環(huán)流動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)液來滿足植物的生長(zhǎng)，不管何種類型的植物工廠，營(yíng)養(yǎng)液栽培的基本原理都是將植物所需養(yǎng)分配置成科學(xué)合理的離子態(tài)營(yíng)養(yǎng)液，通過輸送，滿足栽培作物的需求。營(yíng)養(yǎng)液提供了植物生長(zhǎng)所需的各種元素，包括氮磷鉀等大量元素及鐵錳鋅等微量元素，因此沒有必要使用土壤栽培。無土栽培的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，所栽培植物的生長(zhǎng)比土培快很多，安全性的管控也更加有效。

植物工廠的營(yíng)養(yǎng)液配置、滅菌、輸送、回收都有專門的設(shè)施裝置、電子儀器來完成，可實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液定量、自動(dòng)供應(yīng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控營(yíng)養(yǎng)液濃度、成分、酸堿度變化，通過自動(dòng)補(bǔ)液，始終為植物創(chuàng)造最優(yōu)的營(yíng)養(yǎng)液環(huán)境;營(yíng)養(yǎng)液的流動(dòng)速度和溫度都保持在植物需要的適宜水平，以保證植物的最優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)。 光照管理光照管理是植物工廠高效生產(chǎn)和成本降低的關(guān)鍵因素之一。

在高精度環(huán)境控制的植物工廠中，LED照明作為新一代植物光源，它較傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的人工光源，具有光量可調(diào)整、光質(zhì)可調(diào)整、冷卻負(fù)荷低與允許提高單位面積栽培量等特點(diǎn)。在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展和節(jié)能環(huán)保的需求下，LED植物照明將逐步替換目前使用的傳統(tǒng)熒光燈，成為植物生產(chǎn)過程中光環(huán)境調(diào)控的主要工具。

光環(huán)境的精準(zhǔn)調(diào)控主要包含光譜、光照強(qiáng)度和光周期3個(gè)方面，也即是所謂的“光配方”。在太陽光中，只有5%左右的不同波長(zhǎng)的光對(duì)光合作用產(chǎn)生影響，大量的光不能被植物利用，這與植物生長(zhǎng)所需的必需光質(zhì)種類是不連續(xù)的、有選擇性和可替代性有關(guān)。紅光、藍(lán)光是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育、完成生活史的必須光質(zhì)，在紅藍(lán)光基礎(chǔ)上添加一些特殊光質(zhì)成分可有效地促進(jìn)農(nóng)作物的增產(chǎn)或刺激藥用植物有效次生代謝物質(zhì)的大量積累。

在一定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，植物的光合速率隨光照強(qiáng)度的增加而加速。但也不是可以一味地提高光照強(qiáng)度，過高的光照一方面導(dǎo)致光抑制現(xiàn)象，影響產(chǎn)量和品質(zhì)，另一方面也浪費(fèi)了大量的電能，增加投資成本;在平衡產(chǎn)量、品質(zhì)與能耗的關(guān)系上，往往要同時(shí)考慮光照強(qiáng)度和光照時(shí)間，針對(duì)每一種蔬菜或者每一個(gè)發(fā)育階段，滿足其每日的光需量。適宜的光照強(qiáng)度和光照時(shí)間在保證產(chǎn)量和節(jié)省成本方面能起到事半功倍的作用。

為了更好地促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，以及提高產(chǎn)量、品質(zhì)等特殊指標(biāo)，通過定制的光配方來實(shí)現(xiàn)植物工廠內(nèi)的光環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控。根據(jù)植物的生長(zhǎng)環(huán)境區(qū)別設(shè)計(jì)，選取對(duì)光合作用貢獻(xiàn)最大的光往往在提高光能利用效率和增產(chǎn)的同時(shí)，更節(jié)能。更為理想的“光配方”應(yīng)該是在一個(gè)完全封閉的環(huán)境中，像工業(yè)生產(chǎn)一樣去種植作物。定制的“光配方”意味著更快的生長(zhǎng)速度更高的產(chǎn)量和更優(yōu)秀的品質(zhì)。

植物工廠的研究意義

植物工廠技術(shù)的突破將會(huì)解決人類發(fā)展面臨的諸多瓶頸，甚至可以實(shí)現(xiàn)在荒漠、戈壁、海島、水面等非可耕地以及在城市的摩天大樓里進(jìn)行正常生產(chǎn)。

利用取之不盡的太陽能和其它各種清潔能源，加上一定的種子、水源和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，就可源源不斷地為人類生產(chǎn)所需要的農(nóng)產(chǎn)品。因此被認(rèn)為是21世紀(jì)解決糧食安全、人口、資源、環(huán)境問題的重要途徑，也是未來航天工程、月球和其他星球探索過程中實(shí)現(xiàn)食物自給的重要手段。