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腾昊组培详解植物工厂

文章作者:腾昊组培 发布时间:2020-04-24 14:43:50 浏览次数:0

  植物工厂是现代设施农业发展的高阶段,是一种高投入、高技术、精装备的生产体系,集生物技术、工程技术和软硬件系统技术于一体,使农业生产从自然生态束缚中脱离出来,按计划周年不间断进行植物产品生产的工厂化农业系统,是农业产业化进程中吸收应用高新技术成果活力和潜力的领域之一,代表着未来农业的发展方向。

腾昊组培详解植物工厂

  植物工厂(plant factory)的概念是由日本提出来的。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农业系统,是利用计算机、电子传感系统、农业设施对植物生育的温度、湿度、光照、CO₂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。

  按照不同的划分方式,植物工厂可分为以下几类:

  1.根据建设规模可分为大型(5000m以上)、中型(1000~5000m)、小型(100~1000m)、微型(100m以下)四种;

  2.根据生产功能可分为植物种苗工厂、叶菜、瓜果、花卉植物工厂,还有一部分大田作物、药用植物、食用菌等;

  3.从生产、研究对象的组织尺度上来说,植物工厂又可分为植物体生产型植物工厂、组培型植物工厂、细胞生产型植物工厂(光生物反应器)。

  4.根据光能的利用方式可分为三种类型,即太阳光利用型植物工厂、全人工光利用型植物工厂、太阳光和人工光并用的综合型植物工厂。其中,全人工光利用型植物工厂又称为密闭式植物工厂,它是植物工厂发展阶段。

腾昊组培详解植物工厂

  广义上来说,一切通过改变植物的生活环境的设施,包括大棚、温室、种苗繁育箱等都属于植物工厂概念范畴,但目前,比较习惯的分类方法是按照植物生长中重要的条件之一光能来进行分类。

  植物工厂的特征是: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CO₂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。

  植物工厂一般要求一个等级不同的洁净栽培空间,室内外空气交换要通过带有空气过滤装置的空调来实现,温度、湿度、二氧化碳浓度数据都可通过内外的监视器获得。植物工厂可以给植物提供合适生长环境的系统设备,分为蔬菜育苗和栽培两部分。

腾昊组培详解植物工厂

  植物工厂以节能LED植物生长灯为光源,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。通常情况下,叶用莴苣类植物工厂内的昼夜温度在18~23℃,湿度在65%~75%。二氧化碳浓度根据不同植物的不同需求,一般在400~1 200ppm。

  通过对植物生长环境的高精度控制,植物的生长几乎不受自然条件的制约,生长周期缩短。现在工厂内种植的生菜、小白菜等,20天左右就能收获,而在露地栽培中则需要一个月到40天。除了生长周期短,空间利用率高和一年四季不间断生产是植物工厂的重要特点,植物工厂具有立体栽培的优势,栽培模组的层数随着厂房的高度增加而增加。全人工光型植物工厂内,厂房内的栽培层数在10层内可调,每年可进行15-20次叶菜生产,单位面积产量相当于露地栽培的70~100倍。

腾昊组培详解植物工厂

  物工厂采用循环流动的营养液来满足植物的生长,不管何种类型的植物工厂,营养液栽培的基本原理都是将植物所需养分配置成科学合理的离子态营养液,通过输送,满足栽培作物的需求。营养液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铁锰锌等微量元素,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,所栽培植物的生长比土培快很多,安全性的管控也更加有效。

  植物工厂的营养液配置、灭菌、输送、回收都有专门的设施装置、电子仪器来完成,可实现营养液定量、自动供应,可实时监控营养液浓度、成分、酸碱度变化,通过自动补液,始终为植物创造好的营养液环境;营养液的流动速度和温度都保持在植物需要的适宜水平,以保证植物的优势生长。

  光照管理是植物工厂生产和成本降低的关键因素之一。在高精度环境控制的植物工厂中,LED照明作为新一代植物光源,它较传统农业领域的人工光源,具有光量可调整、光质可调整、冷却负荷低与允许提高单位面积栽培量等特点。在现代化农业的不断发展和节能环保的需求下,LED植物照明将逐步替换目前使用的传统荧光灯,成为植物生产过程中光环境调控的主要工具。

  光环境的调控主要包含光谱、光照强度和光周期3个方面,也即是所谓的“光配方”。在太阳光中,只有5%左右的不同波长的光对光合作用产生影响,大量的光不能被植物利用,这与植物生长所需要光质种类是不连续的、有选择性和可替代性有关。红光、蓝光是植物正常生长发育、完成生活史要光质,在红蓝光基础上添加一些特殊光质成分可有效地促进农作物的增产或刺激药用植物有效次生代谢物质的大量积累。在一定的光照强度范围内,植物的光合速率随光照强度的增加而加速。但也不是可以一味地提高光照强度,过高的光照一方面导致光抑制现象,影响产量和品质,另一方面也浪费了大量的电能,增加投资成本;在平衡产量、品质与能耗的关系上,往往要同时考虑光照强度和光照时间,针对每一种蔬菜或者每一个发育阶段,满足其每日的光需量。适宜的光照强度和光照时间在保证产量和节省成本方面能起到事半功倍的作用。

腾昊组培详解植物工厂

  为了更好地促进植物的生长发育,以及提高产量、品质等特殊指标,通过定制的光配方来实现植物工厂内的光环境调控。根据植物的生长环境区别设计,选取对光合作用贡献很大的光往往在提高光能利用效率和增产的同时,更节能。更为理想的“光配方”应该是在一个完全封闭的环境中,像工业生产一样去种植作物。定制的“光配方”意味着更快的生长速度、更高的产量和更好的品质。

  商业化植物工厂的成本分为一次性投资、设备折旧、生产管理三个方面。植物工厂的投入成本与建设规模有关,根据我国商业化大型植物工厂的数据计算,建设1000平米以下的小型植物工厂(包括内部装修、设备、设施),每平米的成本在15000元-20000元之间,建设5000-10000平米的中型植物工厂,每平米的成本在8000元-10000元,建设10000m以上的大型植物工厂,建设成本会下降至8000元/m以下。需要特别指出的是,一些研究型植物工厂的成本无法为商业化建设运营成本提供准确参考。

  在植物工厂的应用推广方面,降低建设成本、开发新材料、利用新能源、提高产量、用高自动化设备降低人工使用数量都是未来植物工厂提质增效的重要途径。

腾昊组培详解植物工厂

  植物工厂技术的突破将会解决人类发展面临的诸多瓶颈,甚至可以实现在荒漠、戈壁、海岛、水面等非可耕地,以及在城市的摩天大楼里进行正常生产。利用取之不尽的太阳能和其它各种清洁能源,加上一定的种子、水源和矿质营养,就可源源不断地为人类生产所需要的农产品。因此植物工厂被认为是21世纪解决粮食安全、人口、资源、环境问题的重要途径,也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段。

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