摘 要：隨著農(nóng)業(yè)工程技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，植物工廠技術(shù)是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)前沿科技的綜合體現(xiàn)，是農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。為此，在綜合分析國(guó)內(nèi)外植物工廠技術(shù)的發(fā)展歷程及水稻育秧所面臨問(wèn)題的基礎(chǔ)上，明確了植物工廠相關(guān)技術(shù)應(yīng)用在水稻育秧過(guò)程中的必要性及亟待解決的核心技術(shù)問(wèn)題，并論述了基于植物工廠技術(shù)的水稻育秧的發(fā)展前景，為培育高質(zhì)量的水稻秧苗及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)參考與發(fā)展模式方面的借鑒。

關(guān)鍵詞：植物工廠技術(shù);水稻育秧;育秧工藝;核心技術(shù);環(huán)境參數(shù)。

引 言

水稻是世界上重要的糧食作物，120 個(gè)國(guó)家和地區(qū)廣泛栽培種植，是全球 50% 以上、中國(guó) 60% 以上人口的主食[1].隨著人口的不斷增長(zhǎng)及可利用耕地面積逐年減少，糧食需求問(wèn)題日益嚴(yán)峻，提高水稻產(chǎn)量顯得尤為重要，其中提高秧苗的質(zhì)量是增加稻谷產(chǎn)量的重要途徑之一。秧苗素質(zhì)與生育進(jìn)程及其最終產(chǎn)量息息相關(guān)，提高秧苗素質(zhì)、增強(qiáng)抗性，進(jìn)而促進(jìn)插秧后能夠早生快發(fā)，成為水稻產(chǎn)量提高的重要舉措[2].

近年來(lái)，極端氣候頻發(fā)，傳統(tǒng)溫室大棚抵御能力較差，直接危及水稻生產(chǎn)[3].哈爾濱市呼蘭區(qū) 2012 - 2014年采用人工方式對(duì)光、溫、水、氣、肥等作物生長(zhǎng)要素實(shí)施調(diào)控，因環(huán)境精度與及時(shí)性受到人為因素干擾，出現(xiàn)大面積不出苗、爛秧、死苗和稻苗長(zhǎng)勢(shì)弱的現(xiàn)象[4].2016 年，重慶市受 4 月份陰雨寡照天氣影響，秧苗長(zhǎng)勢(shì)較緩，單株分蘗比 2015 年少1 ~2 個(gè)，移栽進(jìn)度較2015年慢 3 個(gè)百分點(diǎn)[5].為解決此類問(wèn)題，前人做過(guò)大量的研究。對(duì)于光照不足的問(wèn)題，林超輝等[6]采用補(bǔ)光的方法，研究設(shè)計(jì)了太陽(yáng)光與人工光相結(jié)合的育秧大棚;為解決占地面積問(wèn)題，郭占斌等[7]采用多層立體大棚旋轉(zhuǎn)鋼結(jié)構(gòu)架，研制出立體式工廠化育秧大棚;為獲取棚室內(nèi)較高精度的環(huán)境參數(shù)，郭有強(qiáng)等[8]采用帶解耦模糊控制算法，研制出具有高精度環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)的水稻育秧大棚。秦雯等[9]設(shè)計(jì)了一套環(huán)境參數(shù)自動(dòng)調(diào)控的智能化大棚育秧系統(tǒng)。

上述方法能夠解決水稻育秧過(guò)程中單一因素引起的問(wèn)題，卻難以保證光照、溫度、濕度、通風(fēng)、營(yíng)養(yǎng)液供給等因素之間的相互影響及參數(shù)精度.

植物工廠相關(guān)技術(shù)不僅提供高精度環(huán)境參數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化及智能化控制。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在植物工廠技術(shù)上進(jìn)行了大量的研究，國(guó)外植物工廠技術(shù)已經(jīng)處于成熟階段，而我國(guó)尚處于初級(jí)階段，基于植物工廠技術(shù)的水稻育秧研究水平一直落后于其在生產(chǎn)上的利用程度，這種理論研究滯后于生產(chǎn)實(shí)踐的局面勢(shì)必影響其在實(shí)際應(yīng)用中的進(jìn)一步大規(guī)模利用。研究基于植物工廠技術(shù)的水稻育秧，不僅對(duì)水稻產(chǎn)量的提高具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)將為研究禾谷類作物育秧提供理論借鑒。因此，開(kāi)展基于植物工廠技術(shù)的水稻育秧的研究和探討具有十分重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義.

1.植物工廠技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀。

植物工廠的概念最早是由日本提出來(lái)的.植物工廠是通過(guò)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)，是利用計(jì)算機(jī)對(duì)植物生育的溫度、濕度、光照、CO2濃度及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制，使設(shè)施內(nèi)植物不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)。植物工廠是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，是現(xiàn)代生物技術(shù)、建筑工程、環(huán)境控制、機(jī)械傳動(dòng)、材料科學(xué)、設(shè)施園藝和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科集創(chuàng)新、知識(shí)與技術(shù)高度密集的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[10 - 13].

1949 年，美國(guó)的植物學(xué)家和園藝學(xué)家在加州帕薩迪納建立了第一座人工氣候室[14],它的出現(xiàn)是植物工廠的早期模型，為植物工廠完善和發(fā)展做了成功探索和實(shí)踐.在“人工氣候室”的基礎(chǔ)上，1957 年丹麥在哥本哈根市郊約克里斯頓農(nóng)場(chǎng)建起了世界上第一座真正意義上的植物工廠，該植物工廠屬于人工光與太陽(yáng)光并用型;1964 年，&地利盧斯那公司研發(fā)了人工光型立體回轉(zhuǎn)移動(dòng)栽培式植物工廠[10],隨后荷蘭、以色列、意大利、美國(guó)、日本、瑞典、俄羅斯、韓國(guó)等國(guó)家展開(kāi)了植物工廠技術(shù)的進(jìn)一步研究。由于地理情況(耕地不足)的限制，這些國(guó)家的植物工廠發(fā)展的都比較早，植物工廠機(jī)械及作業(yè)裝備已經(jīng)達(dá)到了機(jī)械化水平，有些甚至達(dá)到了智能化水平。植物工廠的分類如表1 所示。

日本將植物工廠當(dāng)作是解決土地、人口、糧食、食品安全、能源、農(nóng)業(yè)人員老齡化、氣候、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展等問(wèn)題的根本途徑[15];是“活化地域的起爆劑”,為地域生產(chǎn)發(fā)展、技術(shù)聚集、人員就業(yè)、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)繁榮帶來(lái)變化;是“中間產(chǎn)業(yè)”,不僅能帶動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展，還帶動(dòng)工業(yè)、健康產(chǎn)業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。大阪府立大學(xué)的植物工廠被認(rèn)為是目前世界上最先進(jìn)的完全人工光控制型植物工廠，是最新型植物生產(chǎn)的樣板，也是全球研究和培訓(xùn)中心;是世界上首例用機(jī)器人選苗技術(shù)，首次導(dǎo)入自動(dòng)運(yùn)輸機(jī)器人以及自動(dòng)搬運(yùn)線，從育苗到栽培工程全部使用LED 光源;具有最適配的空調(diào)系統(tǒng)，解決了光源產(chǎn)生熱而造成周圍環(huán)境溫度差的問(wèn)題.日本千葉大學(xué)未來(lái)(Mirai)植物工廠主要栽培生菜及苦苣等15種以上的蔬菜，在無(wú)土栽培方面具有30年多的經(jīng)驗(yàn).

千葉大學(xué)原校長(zhǎng)古在豐樹(shù)教授，是日本乃至世界植物工廠技術(shù)裝備及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的奠基人和倡導(dǎo)者，以他為代表的NPO 植物工廠研究會(huì)，一直在積極促進(jìn)植物工廠的發(fā)展和技術(shù)的升級(jí).

1987 - 1989 年，美國(guó)在亞利桑那州圖森市北部的愛(ài)德華建起了目前全球最大的超大型植物工廠-生物圈二號(hào)，為后來(lái)研究地球系統(tǒng)科學(xué)與農(nóng)業(yè)的人提供了一個(gè)非常好的學(xué)習(xí)樣板[16].1998年，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)生態(tài)學(xué)家迪克森·德斯波米爾(Dickson De - spom-mier)首次提出“垂直農(nóng)場(chǎng)”這一概念，成為植物工廠未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì).美國(guó)垂直空中植物工廠、太空植物工廠已開(kāi)始由設(shè)計(jì)圖向現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)變。

荷蘭農(nóng)業(yè)資源有限，政府把植物工廠作為發(fā)展目標(biāo)之一。其利用植物工廠主要發(fā)展蔬菜和花卉，對(duì)建造植物工廠的企業(yè)實(shí)行補(bǔ)貼，從而使荷蘭成為世界上設(shè)施園藝產(chǎn)品出口量最大的國(guó)家[17].植物工廠機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化程度高，太陽(yáng)光型植物工廠技術(shù)全球領(lǐng)先，現(xiàn)已把太陽(yáng)光型植物工廠全套技術(shù)和設(shè)備作為強(qiáng)項(xiàng)產(chǎn)業(yè)，向中東、非洲、中國(guó)等國(guó)家和地區(qū)出口。國(guó)外植物工廠如圖 1 所示。

我國(guó)從 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始植物工廠技術(shù)的研發(fā)工作，2004年浙江麗水農(nóng)科院與國(guó)防科技大學(xué)合作成功建成我國(guó)第一座植物工廠，2005 年研制出 LED 植物工廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，2009 年建成首例智能型植物工廠，2010年上海世博會(huì)首次展出家庭 LED 植物工廠，2013 年國(guó)家正式將“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究”項(xiàng)目列入“863”計(jì)劃[18].

植物工廠生產(chǎn)模式不受氣候影響，具備生長(zhǎng)周期固定、品質(zhì)穩(wěn)定，農(nóng)作物產(chǎn)量穩(wěn)定等特點(diǎn)。然而，目前全球正在經(jīng)營(yíng)中的植物工廠，真正能夠獲利的比例并不高.日本具有世界上先進(jìn)的植物工廠技術(shù)，真正獲利的僅占 20%、損益兩平的約占 60%,其余 20% 仍面臨相當(dāng)大的虧損[13],而荷蘭的狀況也相近。2015 年，美國(guó)谷歌母公司 Alphabet 放棄了 X 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自動(dòng)化垂直農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目，他們使用一些技術(shù)只種出了一些蔬菜，最終卻沒(méi)能成功種出谷物和大米等主要糧食作物，所以不得不放棄這個(gè)項(xiàng)目.之所以如此，其原因在于目前經(jīng)營(yíng)植物工廠的業(yè)者，在關(guān)鍵技術(shù)的掌握上并不全面[19].因此，開(kāi)展基于植物工廠技術(shù)的糧食作物的研究和探討具有十分重要的理論價(jià)值。

本文來(lái)源：藏刊網(wǎng)，參考文獻(xiàn)略