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植物工厂的定义与发展背景
作者: 时间: 2024-03-18
植物工厂作为设施园艺的最高级发展阶段，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系统，即利用计算机对环境温度、湿度光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内作物生长发育不受或很少受自然条件制约的省力型生产系统(杨其长和张成波，2005)。与传统农业生产系统相比，设施农业具有资源利用率高(土地资源、水肥资源、能源等)、生产要素可精准控制、复种指数高、系统可周年生产、高产稳产、产品优质无污染和工厂化、智能化管理等特点。
植物工厂是继我国塑料大棚、日光温室、玻璃温室、连栋温室后出现的新型设施园艺生产系统。与传统农业生产系统相比，植物工厂是设施园艺发展的最高阶段，也是现代农业发展的必然趋势植物工厂在蔬菜、花卉、果品、药用植物和食用菌生产方面具有重要用途，而且在种苗、组培苗、大田作物育苗(水稻、烟草等)和濒危植物(中草药)扩繁与生产中具有独特的用途。设施农业通过强化对光照、温度和CO2等环境要素，对水肥实施精准控制，可根据作物不同生长发育阶段的水肥需求进行定量供给，充分体现了“环境替代资源的战略”构想的内涵。植物工厂按光照来源可分为人工光植物工厂和太阳光植物工厂两种。前者指在完全密闭可控的环境下采用人工光源与营养液栽培技术，在不受外界气候条件影响的环境下，进行植物周年连续生产的植物工厂。后者指在半密闭的温室环境下，主要利用太阳光或短期人工补光以及营养液栽培技术进行植物周年连续生产的植物工厂，即智能化控制的连栋温室。狭义的植物工厂是指人工光植物工厂。
总结而言，植物工厂作为现代农业发展的必然趋势，其发展背景受多元背景因素的直接或间接驱动，是我国设施园艺发展的必然选择，通过植物工厂产业化实现中国设施园艺产业跨越式发展。多元驱动背景详述如下。
(1)全球气候变化背景。
①气候变化导致极端天气事件时有发生，气候灾害更加频繁，使露地农田系统生产性能稳定性降低;在诸多植物难以防御自然灾害面前，植物生产面临挑战;
②气候变化下温度、C02浓度等气象因素的变化直接影响作物生长发育和产量品质，设施农业人工调控干预的必要性和迫切性增加，设施农业生产策略需要调整;
③臭氧层破坏导致露地光辐射UV组分增强，影响露地及设施植物生长发育，需要制定应对策略。
(2)国际设施园艺发展背景。
①设施园艺是环控农业，环境控制是基本手段，生产要素的环控水平首先取决于设施类型的隔热保温、透光性能，因塑料大棚、日光温室、玻璃温室、连栋温室和植物工厂环控水平逐级提高，是设施农业发展的必然趋势;
②国际设施园艺强国均在发展以水肥一体化管控、环境因子自动化管控为技术特征的现代设施园艺产业。如日本、荷兰、以色列和美国等设施园艺发达国家实践经验指明了植物工厂发展的广阔前景。
(3)农业资源环境背景。
①农田环境污染严重(农药、重金属和抗生素等)，食品安全问题日益突出;
②农业资源(土地、水肥和电能等)短缺，质量下降。农业资源数量和质量，农业环境的承载力已无法支撑传统粗放式设施农业的发展，必须实施集约化、工厂化和规模化生产方式，提高资源利用效率，减少环境废弃物排放;③农业稀缺植物资源枯竭，需要植物工厂规模化生产保护种质资源。
(4)食物安全保障背景。
①快捷高效、大规模新鲜农产品周年连续生产的迫切需要，满足食物数量需求，保障有效供给;
②无污染、安全、高保健价值植物产品周年连续生产的需求，保证质量安全。由于是在干净无尘的环境中生长，加上没有使用杀虫剂，不含重金属等污染物，可富含特定保健营养物质所以植物工厂种植出来的蔬菜营养健全，口感佳，不需要清洗就能直接品尝鲜食。
(5)社会发展水平背景。
①全球人口在21世纪持续增长，对粮食和农产品的需求数量和质量逐年增加;
②城市化进程加快，农业劳动力短缺，必然需要提高设施农业自动化管控水平，减少对劳动力数量依赖:
③城市人口剧增，城市农业发展趋势明显，植物工厂就地产销的优势明显，减少了碳足迹和碳排放提高了土地利用效率。
(6)技术装备水平背景。
植物工厂是科技发展耦合驱动的产物。植物工厂是建立在人们对植物生理学规律全面认知，以及对无土栽培技术、LED照明技术、智能控制等技术、环境检测技术、太阳能光伏发电等技术发展耦合驱动的产物。其中，LED节能固态光源的发明及其照明技术发展是21世纪植物工厂技术与产业发展的最直接、最有效的科技驱动力，从技术、效率、产品质量和运营成本等多个方面提振了植物工厂产业发展信心，完善了植物工厂的发展策略。可以认为，20世纪60-90年代，LED光源的陆续发明与照明技术的成熟是推动植物工厂21世纪快速发展的最直接、最有效、最持久的技术装备因素，兼具多重效益目标、多元调控内涵、多样应用场景的巨大优势，成为替代传统光源实现植物工厂全生产要素智能化管控的关键且不可或缺的一环。
(7)我国设施园艺跨越式发展的客观需求。
在我国设施农业一直以北方日光温室和南方塑料大棚为主体的园艺设施，陷入了低投入一低产出一低效益的恶性循环中，单产不高，资源环境代价偏大，迫切需要利用工程手段进行变革实施“环境替代资源”发展战略，发展现代农业。只有在生产要素高精度条件下，才可改善农业生物的产量、品质，缩短生长周期，提高生产效益。我国农业发展正面临着人口、资源、环境的巨大压力和社会需求持续增长的严峻挑战以工业化生产理念构建工厂化农业正是摆脱耕地、水、气候等资源和环境的制约，实现产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代可持续农业的必由之路。国际上，设施园艺强国争相发展植物工厂产业，以应对各种农业可持续发展的挑战。
我国设施园艺(特别是设施蔬菜)产业发展处于变革的十字路口，待增强设施园艺自动化和环境可控化水平，摆脱设施蔬菜冬春季“忍饥受冻”和夏季“强光高温”的危害。必须充分利用土壤栽培的优点，削减因水肥过量使用导致的病虫害和土壤环境质量问题，实现清洁生产，提升单产和农产品品质当前设施园艺的主体设施是目光温室，基于日光温室的优缺点，必须大力发展太阳光植物工厂以弥补日光温室园艺作物生产的不足，加速我国设施园艺产业的发展。由于维护结构和空间结构特征差异，日光温室存在空间小、环控水平低、土壤栽培问题严重、水肥管控粗放、操作工人数量多、难以生产高档园艺作物等缺点，太阳光植物工厂恰能很好地解决上述问题。当然，太阳光植物工厂较日光温室，也存在成本高、维护运行费用高、工人素质要求高、资源能源投入高等问题，但从国际设施园艺发展的成功经验来看，放弃日光温室低投入一低产出一低效益的思想，走适当(高)投入-高产出一高效益的现代设施园艺产业思路是必然选择。植物工厂不仅极大地扩大和延长了农业生产的空间和时间，提高了土、肥、水、光、热等农业资源的利用率和集约化程度，使单位土地面积的生产能力、生产效率、经济效益成倍增长，还能克服传统土壤栽培中常见的连作障碍、土传病害的发生、土壤肥力的下降及因化学肥料的流失而造成的环境问题的发生(Massantini等，1988;Hayden，2006;段彦丹等2008;Rouphael等，2015)，被认为是21世纪解决粮食安全的有效途径。
植物工厂是继我国塑料大棚、日光温室、玻璃温室、连栋温室后出现的新型设施园艺生产系统。与传统农业生产系统相比，植物工厂是设施园艺发展的最高阶段，也是现代农业发展的必然趋势植物工厂在蔬菜、花卉、果品、药用植物和食用菌生产方面具有重要用途，而且在种苗、组培苗、大田作物育苗(水稻、烟草等)和濒危植物(中草药)扩繁与生产中具有独特的用途。设施农业通过强化对光照、温度和CO2等环境要素，对水肥实施精准控制，可根据作物不同生长发育阶段的水肥需求进行定量供给，充分体现了“环境替代资源的战略”构想的内涵。植物工厂按光照来源可分为人工光植物工厂和太阳光植物工厂两种。前者指在完全密闭可控的环境下采用人工光源与营养液栽培技术，在不受外界气候条件影响的环境下，进行植物周年连续生产的植物工厂。后者指在半密闭的温室环境下，主要利用太阳光或短期人工补光以及营养液栽培技术进行植物周年连续生产的植物工厂，即智能化控制的连栋温室。狭义的植物工厂是指人工光植物工厂。
总结而言，植物工厂作为现代农业发展的必然趋势，其发展背景受多元背景因素的直接或间接驱动，是我国设施园艺发展的必然选择，通过植物工厂产业化实现中国设施园艺产业跨越式发展。多元驱动背景详述如下。
(1)全球气候变化背景。
①气候变化导致极端天气事件时有发生，气候灾害更加频繁，使露地农田系统生产性能稳定性降低;在诸多植物难以防御自然灾害面前，植物生产面临挑战;
②气候变化下温度、C02浓度等气象因素的变化直接影响作物生长发育和产量品质，设施农业人工调控干预的必要性和迫切性增加，设施农业生产策略需要调整;
③臭氧层破坏导致露地光辐射UV组分增强，影响露地及设施植物生长发育，需要制定应对策略。
(2)国际设施园艺发展背景。
①设施园艺是环控农业，环境控制是基本手段，生产要素的环控水平首先取决于设施类型的隔热保温、透光性能，因塑料大棚、日光温室、玻璃温室、连栋温室和植物工厂环控水平逐级提高，是设施农业发展的必然趋势;
②国际设施园艺强国均在发展以水肥一体化管控、环境因子自动化管控为技术特征的现代设施园艺产业。如日本、荷兰、以色列和美国等设施园艺发达国家实践经验指明了植物工厂发展的广阔前景。
(3)农业资源环境背景。
①农田环境污染严重(农药、重金属和抗生素等)，食品安全问题日益突出;
②农业资源(土地、水肥和电能等)短缺，质量下降。农业资源数量和质量，农业环境的承载力已无法支撑传统粗放式设施农业的发展，必须实施集约化、工厂化和规模化生产方式，提高资源利用效率，减少环境废弃物排放;③农业稀缺植物资源枯竭，需要植物工厂规模化生产保护种质资源。
(4)食物安全保障背景。
①快捷高效、大规模新鲜农产品周年连续生产的迫切需要，满足食物数量需求，保障有效供给;
②无污染、安全、高保健价值植物产品周年连续生产的需求，保证质量安全。由于是在干净无尘的环境中生长，加上没有使用杀虫剂，不含重金属等污染物，可富含特定保健营养物质所以植物工厂种植出来的蔬菜营养健全，口感佳，不需要清洗就能直接品尝鲜食。
(5)社会发展水平背景。
①全球人口在21世纪持续增长，对粮食和农产品的需求数量和质量逐年增加;
②城市化进程加快，农业劳动力短缺，必然需要提高设施农业自动化管控水平，减少对劳动力数量依赖:
③城市人口剧增，城市农业发展趋势明显，植物工厂就地产销的优势明显，减少了碳足迹和碳排放提高了土地利用效率。
(6)技术装备水平背景。
植物工厂是科技发展耦合驱动的产物。植物工厂是建立在人们对植物生理学规律全面认知，以及对无土栽培技术、LED照明技术、智能控制等技术、环境检测技术、太阳能光伏发电等技术发展耦合驱动的产物。其中，LED节能固态光源的发明及其照明技术发展是21世纪植物工厂技术与产业发展的最直接、最有效的科技驱动力，从技术、效率、产品质量和运营成本等多个方面提振了植物工厂产业发展信心，完善了植物工厂的发展策略。可以认为，20世纪60-90年代，LED光源的陆续发明与照明技术的成熟是推动植物工厂21世纪快速发展的最直接、最有效、最持久的技术装备因素，兼具多重效益目标、多元调控内涵、多样应用场景的巨大优势，成为替代传统光源实现植物工厂全生产要素智能化管控的关键且不可或缺的一环。
(7)我国设施园艺跨越式发展的客观需求。
在我国设施农业一直以北方日光温室和南方塑料大棚为主体的园艺设施，陷入了低投入一低产出一低效益的恶性循环中，单产不高，资源环境代价偏大，迫切需要利用工程手段进行变革实施“环境替代资源”发展战略，发展现代农业。只有在生产要素高精度条件下，才可改善农业生物的产量、品质，缩短生长周期，提高生产效益。我国农业发展正面临着人口、资源、环境的巨大压力和社会需求持续增长的严峻挑战以工业化生产理念构建工厂化农业正是摆脱耕地、水、气候等资源和环境的制约，实现产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代可持续农业的必由之路。国际上，设施园艺强国争相发展植物工厂产业，以应对各种农业可持续发展的挑战。
我国设施园艺(特别是设施蔬菜)产业发展处于变革的十字路口，待增强设施园艺自动化和环境可控化水平，摆脱设施蔬菜冬春季“忍饥受冻”和夏季“强光高温”的危害。必须充分利用土壤栽培的优点，削减因水肥过量使用导致的病虫害和土壤环境质量问题，实现清洁生产，提升单产和农产品品质当前设施园艺的主体设施是目光温室，基于日光温室的优缺点，必须大力发展太阳光植物工厂以弥补日光温室园艺作物生产的不足，加速我国设施园艺产业的发展。由于维护结构和空间结构特征差异，日光温室存在空间小、环控水平低、土壤栽培问题严重、水肥管控粗放、操作工人数量多、难以生产高档园艺作物等缺点，太阳光植物工厂恰能很好地解决上述问题。当然，太阳光植物工厂较日光温室，也存在成本高、维护运行费用高、工人素质要求高、资源能源投入高等问题，但从国际设施园艺发展的成功经验来看，放弃日光温室低投入一低产出一低效益的思想，走适当(高)投入-高产出一高效益的现代设施园艺产业思路是必然选择。植物工厂不仅极大地扩大和延长了农业生产的空间和时间，提高了土、肥、水、光、热等农业资源的利用率和集约化程度，使单位土地面积的生产能力、生产效率、经济效益成倍增长，还能克服传统土壤栽培中常见的连作障碍、土传病害的发生、土壤肥力的下降及因化学肥料的流失而造成的环境问题的发生(Massantini等，1988;Hayden，2006;段彦丹等2008;Rouphael等，2015)，被认为是21世纪解决粮食安全的有效途径。