植物工廠的定義與發展背景
作者: 時間: 2024-03-18
植物工廠作為設施園藝的最高級發展階段，植物工廠是通過設施內高精度環境控制實現農作物周年連續生產的系統，即利用計算機對環境溫度、濕度光照、CO2濃度以及營養液等環境條件進行自動控制，使設施內作物生長發育不受或很少受自然條件制約的省力型生產系統(楊其長和張成波，2005)。與傳統農業生產系統相比，設施農業具有資源利用率高(土地資源、水肥資源、能源等)、生產要素可精準控制、復種指數高、系統可周年生產、高產穩產、產品優質無污染和工廠化、智能化管理等特點。
植物工廠是繼我國塑料大棚、日光溫室、玻璃溫室、連棟溫室后出現的新型設施園藝生產系統。與傳統農業生產系統相比，植物工廠是設施園藝發展的最高階段，也是現代農業發展的必然趨勢植物工廠在蔬菜、花卉、果品、藥用植物和食用菌生產方面具有重要用途，而且在種苗、組培苗、大田作物育苗(水稻、煙草等)和瀕危植物(中草藥)擴繁與生產中具有獨特的用途。設施農業通過強化對光照、溫度和CO2等環境要素，對水肥實施精準控制，可根據作物不同生長發育階段的水肥需求進行定量供給，充分體現了“環境替代資源的戰略”構想的內涵。植物工廠按光照來源可分為人工光植物工廠和太陽光植物工廠兩種。前者指在完全密閉可控的環境下采用人工光源與營養液栽培技術，在不受外界氣候條件影響的環境下，進行植物周年連續生產的植物工廠。后者指在半密閉的溫室環境下，主要利用太陽光或短期人工補光以及營養液栽培技術進行植物周年連續生產的植物工廠，即智能化控制的連棟溫室。狹義的植物工廠是指人工光植物工廠。
總結而言，植物工廠作為現代農業發展的必然趨勢，其發展背景受多元背景因素的直接或間接驅動，是我國設施園藝發展的必然選擇，通過植物工廠產業化實現中國設施園藝產業跨越式發展。多元驅動背景詳述如下。
(1)全球氣候變化背景。
①氣候變化導致極端天氣事件時有發生，氣候災害更加頻繁，使露地農田系統生產性能穩定性降低;在諸多植物難以防御自然災害面前，植物生產面臨挑戰;
②氣候變化下溫度、C02濃度等氣象因素的變化直接影響作物生長發育和產量品質，設施農業人工調控干預的必要性和迫切性增加，設施農業生產策略需要調整;
③臭氧層破壞導致露地光輻射UV組分增強，影響露地及設施植物生長發育，需要制定應對策略。
(2)國際設施園藝發展背景。
①設施園藝是環控農業，環境控制是基本手段，生產要素的環控水平首先取決于設施類型的隔熱保溫、透光性能，因塑料大棚、日光溫室、玻璃溫室、連棟溫室和植物工廠環控水平逐級提高，是設施農業發展的必然趨勢;
②國際設施園藝強國均在發展以水肥一體化管控、環境因子自動化管控為技術特征的現代設施園藝產業。如日本、荷蘭、以色列和美國等設施園藝發達國家實踐經驗指明了植物工廠發展的廣闊前景。
(3)農業資源環境背景。
①農田環境污染嚴重(農藥、重金屬和抗生素等)，食品安全問題日益突出;
②農業資源(土地、水肥和電能等)短缺，質量下降。農業資源數量和質量，農業環境的承載力已無法支撐傳統粗放式設施農業的發展，必須實施集約化、工廠化和規模化生產方式，提高資源利用效率，減少環境廢棄物排放;③農業稀缺植物資源枯竭，需要植物工廠規模化生產保護種質資源。
(4)食物安全保障背景。
①快捷高效、大規模新鮮農產品周年連續生產的迫切需要，滿足食物數量需求，保障有效供給;
②無污染、安全、高保健價值植物產品周年連續生產的需求，保證質量安全。由于是在干凈無塵的環境中生長，加上沒有使用殺蟲劑，不含重金屬等污染物，可富含特定保健營養物質所以植物工廠種植出來的蔬菜營養健全，口感佳，不需要清洗就能直接品嘗鮮食。
(5)社會發展水平背景。
①全球人口在21世紀持續增長，對糧食和農產品的需求數量和質量逐年增加;
②城市化進程加快，農業勞動力短缺，必然需要提高設施農業自動化管控水平，減少對勞動力數量依賴:
③城市人口劇增，城市農業發展趨勢明顯，植物工廠就地產銷的優勢明顯，減少了碳足跡和碳排放提高了土地利用效率。
(6)技術裝備水平背景。
植物工廠是科技發展耦合驅動的產物。植物工廠是建立在人們對植物生理學規律全面認知，以及對無土栽培技術、LED照明技術、智能控制等技術、環境檢測技術、太陽能光伏發電等技術發展耦合驅動的產物。其中，LED節能固態光源的發明及其照明技術發展是21世紀植物工廠技術與產業發展的最直接、最有效的科技驅動力，從技術、效率、產品質量和運營成本等多個方面提振了植物工廠產業發展信心，完善了植物工廠的發展策略。可以認為，20世紀60-90年代，LED光源的陸續發明與照明技術的成熟是推動植物工廠21世紀快速發展的最直接、最有效、最持久的技術裝備因素，兼具多重效益目標、多元調控內涵、多樣應用場景的巨大優勢，成為替代傳統光源實現植物工廠全生產要素智能化管控的關鍵且不可或缺的一環。
(7)我國設施園藝跨越式發展的客觀需求。
在我國設施農業一直以北方日光溫室和南方塑料大棚為主體的園藝設施，陷入了低投入一低產出一低效益的惡性循環中，單產不高，資源環境代價偏大，迫切需要利用工程手段進行變革實施“環境替代資源”發展戰略，發展現代農業。只有在生產要素高精度條件下，才可改善農業生物的產量、品質，縮短生長周期，提高生產效益。我國農業發展正面臨著人口、資源、環境的巨大壓力和社會需求持續增長的嚴峻挑戰以工業化生產理念構建工廠化農業正是擺脫耕地、水、氣候等資源和環境的制約，實現產出高效、產品安全、資源節約、環境友好的現代可持續農業的必由之路。國際上，設施園藝強國爭相發展植物工廠產業，以應對各種農業可持續發展的挑戰。
我國設施園藝(特別是設施蔬菜)產業發展處于變革的十字路口，待增強設施園藝自動化和環境可控化水平，擺脫設施蔬菜冬春季“忍饑受凍”和夏季“強光高溫”的危害。必須充分利用土壤栽培的優點，削減因水肥過量使用導致的病蟲害和土壤環境質量問題，實現清潔生產，提升單產和農產品品質當前設施園藝的主體設施是目光溫室，基于日光溫室的優缺點，必須大力發展太陽光植物工廠以彌補日光溫室園藝作物生產的不足，加速我國設施園藝產業的發展。由于維護結構和空間結構特征差異，日光溫室存在空間小、環控水平低、土壤栽培問題嚴重、水肥管控粗放、操作工人數量多、難以生產高檔園藝作物等缺點，太陽光植物工廠恰能很好地解決上述問題。當然，太陽光植物工廠較日光溫室，也存在成本高、維護運行費用高、工人素質要求高、資源能源投入高等問題，但從國際設施園藝發展的成功經驗來看，放棄日光溫室低投入一低產出一低效益的思想，走適當(高)投入-高產出一高效益的現代設施園藝產業思路是必然選擇。植物工廠不僅極大地擴大和延長了農業生產的空間和時間，提高了土、肥、水、光、熱等農業資源的利用率和集約化程度，使單位土地面積的生產能力、生產效率、經濟效益成倍增長，還能克服傳統土壤栽培中常見的連作障礙、土傳病害的發生、土壤肥力的下降及因化學肥料的流失而造成的環境問題的發生(Massantini等，1988;Hayden，2006;段彥丹等2008;Rouphael等，2015)，被認為是21世紀解決糧食安全的有效途徑。
植物工廠是繼我國塑料大棚、日光溫室、玻璃溫室、連棟溫室后出現的新型設施園藝生產系統。與傳統農業生產系統相比，植物工廠是設施園藝發展的最高階段，也是現代農業發展的必然趨勢植物工廠在蔬菜、花卉、果品、藥用植物和食用菌生產方面具有重要用途，而且在種苗、組培苗、大田作物育苗(水稻、煙草等)和瀕危植物(中草藥)擴繁與生產中具有獨特的用途。設施農業通過強化對光照、溫度和CO2等環境要素，對水肥實施精準控制，可根據作物不同生長發育階段的水肥需求進行定量供給，充分體現了“環境替代資源的戰略”構想的內涵。植物工廠按光照來源可分為人工光植物工廠和太陽光植物工廠兩種。前者指在完全密閉可控的環境下采用人工光源與營養液栽培技術，在不受外界氣候條件影響的環境下，進行植物周年連續生產的植物工廠。后者指在半密閉的溫室環境下，主要利用太陽光或短期人工補光以及營養液栽培技術進行植物周年連續生產的植物工廠，即智能化控制的連棟溫室。狹義的植物工廠是指人工光植物工廠。
總結而言，植物工廠作為現代農業發展的必然趨勢，其發展背景受多元背景因素的直接或間接驅動，是我國設施園藝發展的必然選擇，通過植物工廠產業化實現中國設施園藝產業跨越式發展。多元驅動背景詳述如下。
(1)全球氣候變化背景。
①氣候變化導致極端天氣事件時有發生，氣候災害更加頻繁，使露地農田系統生產性能穩定性降低;在諸多植物難以防御自然災害面前，植物生產面臨挑戰;
②氣候變化下溫度、C02濃度等氣象因素的變化直接影響作物生長發育和產量品質，設施農業人工調控干預的必要性和迫切性增加，設施農業生產策略需要調整;
③臭氧層破壞導致露地光輻射UV組分增強，影響露地及設施植物生長發育，需要制定應對策略。
(2)國際設施園藝發展背景。
①設施園藝是環控農業，環境控制是基本手段，生產要素的環控水平首先取決于設施類型的隔熱保溫、透光性能，因塑料大棚、日光溫室、玻璃溫室、連棟溫室和植物工廠環控水平逐級提高，是設施農業發展的必然趨勢;
②國際設施園藝強國均在發展以水肥一體化管控、環境因子自動化管控為技術特征的現代設施園藝產業。如日本、荷蘭、以色列和美國等設施園藝發達國家實踐經驗指明了植物工廠發展的廣闊前景。
(3)農業資源環境背景。
①農田環境污染嚴重(農藥、重金屬和抗生素等)，食品安全問題日益突出;
②農業資源(土地、水肥和電能等)短缺，質量下降。農業資源數量和質量，農業環境的承載力已無法支撐傳統粗放式設施農業的發展，必須實施集約化、工廠化和規模化生產方式，提高資源利用效率，減少環境廢棄物排放;③農業稀缺植物資源枯竭，需要植物工廠規模化生產保護種質資源。
(4)食物安全保障背景。
①快捷高效、大規模新鮮農產品周年連續生產的迫切需要，滿足食物數量需求，保障有效供給;
②無污染、安全、高保健價值植物產品周年連續生產的需求，保證質量安全。由于是在干凈無塵的環境中生長，加上沒有使用殺蟲劑，不含重金屬等污染物，可富含特定保健營養物質所以植物工廠種植出來的蔬菜營養健全，口感佳，不需要清洗就能直接品嘗鮮食。
(5)社會發展水平背景。
①全球人口在21世紀持續增長，對糧食和農產品的需求數量和質量逐年增加;
②城市化進程加快，農業勞動力短缺，必然需要提高設施農業自動化管控水平，減少對勞動力數量依賴:
③城市人口劇增，城市農業發展趨勢明顯，植物工廠就地產銷的優勢明顯，減少了碳足跡和碳排放提高了土地利用效率。
(6)技術裝備水平背景。
植物工廠是科技發展耦合驅動的產物。植物工廠是建立在人們對植物生理學規律全面認知，以及對無土栽培技術、LED照明技術、智能控制等技術、環境檢測技術、太陽能光伏發電等技術發展耦合驅動的產物。其中，LED節能固態光源的發明及其照明技術發展是21世紀植物工廠技術與產業發展的最直接、最有效的科技驅動力，從技術、效率、產品質量和運營成本等多個方面提振了植物工廠產業發展信心，完善了植物工廠的發展策略。可以認為，20世紀60-90年代，LED光源的陸續發明與照明技術的成熟是推動植物工廠21世紀快速發展的最直接、最有效、最持久的技術裝備因素，兼具多重效益目標、多元調控內涵、多樣應用場景的巨大優勢，成為替代傳統光源實現植物工廠全生產要素智能化管控的關鍵且不可或缺的一環。
(7)我國設施園藝跨越式發展的客觀需求。
在我國設施農業一直以北方日光溫室和南方塑料大棚為主體的園藝設施，陷入了低投入一低產出一低效益的惡性循環中，單產不高，資源環境代價偏大，迫切需要利用工程手段進行變革實施“環境替代資源”發展戰略，發展現代農業。只有在生產要素高精度條件下，才可改善農業生物的產量、品質，縮短生長周期，提高生產效益。我國農業發展正面臨著人口、資源、環境的巨大壓力和社會需求持續增長的嚴峻挑戰以工業化生產理念構建工廠化農業正是擺脫耕地、水、氣候等資源和環境的制約，實現產出高效、產品安全、資源節約、環境友好的現代可持續農業的必由之路。國際上，設施園藝強國爭相發展植物工廠產業，以應對各種農業可持續發展的挑戰。
我國設施園藝(特別是設施蔬菜)產業發展處于變革的十字路口，待增強設施園藝自動化和環境可控化水平，擺脫設施蔬菜冬春季“忍饑受凍”和夏季“強光高溫”的危害。必須充分利用土壤栽培的優點，削減因水肥過量使用導致的病蟲害和土壤環境質量問題，實現清潔生產，提升單產和農產品品質當前設施園藝的主體設施是目光溫室，基于日光溫室的優缺點，必須大力發展太陽光植物工廠以彌補日光溫室園藝作物生產的不足，加速我國設施園藝產業的發展。由于維護結構和空間結構特征差異，日光溫室存在空間小、環控水平低、土壤栽培問題嚴重、水肥管控粗放、操作工人數量多、難以生產高檔園藝作物等缺點，太陽光植物工廠恰能很好地解決上述問題。當然，太陽光植物工廠較日光溫室，也存在成本高、維護運行費用高、工人素質要求高、資源能源投入高等問題，但從國際設施園藝發展的成功經驗來看，放棄日光溫室低投入一低產出一低效益的思想，走適當(高)投入-高產出一高效益的現代設施園藝產業思路是必然選擇。植物工廠不僅極大地擴大和延長了農業生產的空間和時間，提高了土、肥、水、光、熱等農業資源的利用率和集約化程度，使單位土地面積的生產能力、生產效率、經濟效益成倍增長，還能克服傳統土壤栽培中常見的連作障礙、土傳病害的發生、土壤肥力的下降及因化學肥料的流失而造成的環境問題的發生(Massantini等，1988;Hayden，2006;段彥丹等2008;Rouphael等，2015)，被認為是21世紀解決糧食安全的有效途徑。