植物工厂系列谈——植物工厂研究现状及其发展趋势

    植物工厂研究现状
    植物工厂发展历史
    植物工厂发展历程概括起来大致分为3个阶段，各个阶段之间既相互联系又各有特点。
    试验研究阶段(20世纪40年代-60年代末)
     早在20世纪40年代，美国加州帕萨迪纳建立了第一座人工气候室，并把营养液栽培与环境控制有机地结合起来。人工气候室(Phytotron)的出现引发出“模拟生态环境”研究领域的一场革命。1953年和1957年日本和前苏联也相继建成了大型人工气候室，进行人工可控环境下的栽培试验。人工气候室以及北欧在同一时期发展起来的设施园艺技术为植物工厂的出现奠定了技术基础。1957年世界上第一座植物工厂在丹麦约克里斯顿农场建成，面积为1000平方米，属人工光和太阳光并用型，栽培作物为水芹，从播种到收获采用全自动传送带流水作业，年产水芹400万袋，约合100万千克。1963年，奥地利的卢斯那公司建成一座高30m的塔式植物工厂，利用上下传送带旋转式的立体栽培方式种植莴苣，完全采用人工光源，使植物在均匀一致的光环境中生长，但运行成本较高。
    这一阶段的植物工厂特点是：①建设规模小。除个别规模较大之外，一般仅为几十平方米-几百平方米。②范围窄。主要局限在实验室内。③试验作物品种单一。以芹菜和沙拉莴苣为主。④植物工厂类型多是人工光利用型，采用人工气候室，便于完全控制，但运行成本较高。
    示范应用阶段(20世纪70年代初-80年代中期)
     水培技术的发展是这一阶段植物工厂应用的重要标志。1973年英国温室作物所的Cooper教授提出了营养液膜法(Nutrient Film Technique，简称NFT)水培模式。由于NFT简化了设备结构，大大降低了生产成本，因而很快在植物工厂和无土栽培领域得到广泛应用。此间，波兰、罗马尼亚等国先后建成大小不等的10多家植物工厂。英国还开发出果树植物工厂，利用固体基质，把苹果、梨、桃等果树的枝条插在树枝形的橡胶管上，合成的营养液通过橡胶管输送到各个枝条中，每一个枝条都能像在树上一样开花结果，而且座果率很高。果实成熟后，只需在橡胶管子中输入脱落酸，果实即可自行脱落。这样的果枝可用2-3茬，1年能收获3-5次。维也纳技术大学也建成一座太阳光利用型钢架玻璃结构植物工厂，面积虽小，但自动化程度很高，植物在人工模拟环境下生长良好，番茄每平方米产量可达80千克，是露地生产的十几倍。在这一时期，世界上许多国家如美国、日本、英国、奥地利、挪威、希腊、伊朗、利比亚等近20家企业都曾利用植物工厂开展过莴苣、番茄、菠菜、药材和牧草等作物的栽培与生产，但除了日本发展较快外，其余国家大多停留在示范和小规模应用阶段。此外，一些国际著名公司如荷兰的菲利浦、美国的通用电气、日本的日立和电力中央研究所、三菱重工和九州电力公司等也纷纷投入巨资与科研机构联手进行植物工厂关键技术开发，为植物工厂的快速发展奠定了坚实的基础。
    这一阶段的特点是：①应用范围较广；②营养液配方技术日臻成熟，自动化控制系统逐渐完善；③开发力度加大，示范效果明显。
    快速发展阶段(20世纪80年代中期-至今)
     20世纪80年代中期，瑞典的爱伯森公司从节能和降低运行成本的角度出发，建成了一座人工光和太阳光并用型大型植物工厂，其中Swedeponic系统在光照、温度、气体等环境控制的自动化方面作了大量改进，为植物工厂的快速推广奠定了基础。此后，美国和加拿大也相继建成了一些有实用价值的植物工厂，美国的亚基塔尼约卢·米德兰都农场建立了一座面积为18000平方米的植物工厂，是迄今为止世界上规模最大的。加拿大冈本农园建立的人工光蔬菜工厂，充分利用了得天独厚的气候资源，大大节省了能源和运行成本，为寒冷地区植物工厂的建设树立了典范。荷兰是建立植物工厂最早的国家之一，尤其是计算机用于植物工厂环境控制方面居于世界前列。与欧美国家相比，日本在植物工厂方面的研究相对来讲起步较晚，但其研究与开发的速度很快。1974年日立公司最早开始研究，随后一些电子、精密仪器、重工业领域的大企业和科研机构也纷纷投入。1985年在日本筑波世博会上展示的一套三层楼高的塔式人工光利用型植物工厂，是日本在这一时期植物工厂成就的重要标志。随后，千叶县、东京等地陆续出现了生产莴苣、苜蓿苗、豆芽菜和菠菜等作物的植物工厂。在营养液配制技术领域相继研究开发出山崎配方和园试配方，在营养液栽培方面推出了深液流(Deep Flow Technique，简称DFT)栽培模式，形成了M式、神园式、协和式、新和等量交换式等系统，为植物工厂的发展提供了技术支持，仅1992年-2002年短短10年间，全日本实际建成运行的植物工厂有26个，总规模达18900平方米，遍及日本各地。其投资建设的主体除农业领域外，还扩大到石油、电力、重工、食品、环境、汽车制造以及金融等领域，其中以神内公司规模最大，也最具代表性。同时，日本国内外学术交流活动也十分频繁，1989年成立了日本植物工厂学会，目前该学会已有会员1200多位，每年举行一次全国性的学术会议，开展学术研究与推广普及活动，其会刊《植物工厂学会志》具有很强的影响力。该学会还与设施园艺学会、生物园艺学会、生物环境调节学会以及气象、照明、电气等学会密切协作，以保证其研究水平的先进性和实用性。加之，日本政府在政策与资金方面的大力支持，使植物工厂成为21世纪高科技农业的重要发展领域，极大地推动了植物工厂的普及与发展。
    日本神内植物工厂外景
    这一阶段的主要特点是：①发展速度快；②涉及到的行业广泛，规模不断扩大；③国际学术活动频繁；④高科技成果应用多。
    这一阶段也正是我国设施园艺发展最快的时期，我国园艺工作者在无土栽培领域进行了大量研究。一些科教单位如中国农业科学院、中国农业大学、华南农业大学、南京农业大学等先后在营养液栽培方面进行了一些研究与开发，并取得了阶段性的成果。但就真正意义上的植物工厂而言，我国尚属空白，与国外的技术差距较大。
    植物工厂发展趋势
    栽培作物种类将更加专用化
    初期试验阶段植物工厂的作物品种主要局限于叶菜类，经过技术的不断成熟，品种范围将会不断扩大，适生的作物种类可扩展到：叶菜类、芽菜类和茄果类蔬菜；草莓、甜瓜等瓜果类；玫瑰、百合等切花类；薰衣草、薄荷等草药类；食用菌类；桃、梨、苹果等果树类；水稻等粮食作物。但严格来讲，真正适宜于植物工厂环境下生产的专用作物品种还很少，今后将更多地向着品种专用化方向发展，培育出“植物工厂专用品种”系列。
    建设规模逐渐大型化
    在植物工厂半个多世纪的发展过程中，建设规模也随着技术的不断成熟而扩大，由小型到中型逐渐向大型化方向发展。大型化已经成为必然的趋势。
    生产设施实用化
    尽管植物工厂的建设内容和运行原理大致相同，但在具体建设过程中各国都根据自己的地域、气候、技术水平以及经济实力等实际情况的不同，有选择地配置了更加实用化的设施。一方面降低了生产成本，另一方面加快了应用步伐。
    系统更加集成化与智能化
    如果说20世纪80年代以前的植物工厂集中体现的是栽培技术革新的话，那么此后的发展则是更多地体现了电子信息与计算机技术以及新材料、新设施等高新技术的应用，使植物工厂的控制系统更加集成化与智能化。
    控制成本最优化
    所谓最优化，是指用最少的投入在最短的时间内获得最大的收益。因此，今后植物工厂的建设与运行必须考虑各种环境因子的优化整合，优选成本低、效果好的控制过程，使控制成本达到最优化。
    我国发展植物工厂的思路与建议
    在我国发展植物工厂机遇与挑战并存，我们必须采取积极措施，应对新的挑战，掌握新形势下现代农业发展的主动权。
    从可持续发展的战略角度出发，应将植物工厂的研究与开发列入国家重点项目之中。植物工厂是现代农业的重要窗口，它的发展在一定程度上反映了一个国家和地区整体农业发展的水平和现状。因此，我们必须从战略的高度出发，将植物工厂列入国家重点项目，科学规划，大力扶持，积极推进。
    扩大开放、积极参与国际交流
    世界上设施农业发达的国家在植物工厂的总体技术上已达到了成熟和实用阶段，而我国尚属空白，亟需采取多种途径走出去、请进来，积极参与学术交流，大力引进、吸收先进成熟的技术成果，结合我国具体情况，扬长避短，不断研究、开发、创新，努力缩小差距。当前的重点应放在提高环境控制水平，开发栽培技术体系和培育优良专用品种等方面，争取在较短的时间内在国际植物工厂领域占有一席之地。
    加强多学科协作，共同推进植物工厂健康、快速发展
    植物工厂是现代园艺发展的高级阶段，我们应该建立多学科的攻关队伍，共同协作，联合攻关，实现资源、技术、信息等成果共享，力争在5-10年内使我国的植物工厂技术达到国际先进水平。在发展战略上，国家有关部门应制定长期发展规划，在建设规模上应坚持循序渐进、先易后难、先小后大的原则。在应用技术和设备上，应积极引进国外先进经验和技术、装备，结合我国各地实际情况，加以吸收、改进，最终开发出适合国情的系列化设备与技术。在建设区域上，应先从经济发达地区开始，在北京、上海、广州、深圳等消费水平高的大都市城郊建设若干个植物工厂，进而推广示范。在物流上应优先考虑大都市星级宾馆和大型超市，建立食品专供基地，辟出植物工厂食品专柜，引导市场和消费。
    加强基础研究
    我国应将植物工厂列入环境工程学和设施园艺学等学科的教育大纲之中，同时，科研管理部门应该尽早启动相关的科研项目，进行基础研究和多学科的学术交流，借鉴发达国家的先进经验倡导电子、精密仪器、重工业、化工等大型企业与科研教育部门联手，优势互补、共同发展，以实现植物工厂事业的早日腾飞。