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走进神秘的植物工厂：没有土不靠天

[日期：2010-06-04] 来源：科技日报作者：马爱平发表评论(0)打印

这是国内第一座大型植物工厂。这里颠覆了千百年来中国传统的农业生产方式，植物耕作将不受土地、气候等自然条件的限制和影响，改变“靠天吃饭”的现状，成为国内大型植物工厂的风向标。

　　总工程师名叫周增产，听起来与这里很“匹配”，他带领记者走进这座神秘的植物工厂。

　　—— 近距离接触 ——

　　高新技术的综合集成

　　“植物工厂就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，利用计算机对植物生长的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等进行自动控制，使设施内植物生长不受或很少受自然条件制约的省力型生产，是现代生物技术、环境工程、机械传动、自动化控制等高新技术综合集成的产物。”周增产说，“它的概念最早由日本提出，在荷兰、日本等设施农业发达国家进行了广泛研究与试验，总体技术已经达到成熟与实用阶段。”

　　根据国际分类，1000㎡以上为大型植物工厂。2010年3月底，占地1289㎡的北京农业机械研究所通州植物工厂建成。

　　四大区域三种模式

　　这是一座利用精确环境控制技术和自动化高新技术进行植物周年工厂化生产的封闭式建筑。

　　置身植物工厂，控制室的电脑里记载着工厂各生长单元的环境数据，给予植物“所需”营养。“我们的植物工厂内部分为四大区域：组培播种区、育（炼）苗区、生产收获区和包装储藏区。”周增产介绍道。

　　“在这里，育苗、蔬菜生长每一个环节所需环境条件都是可控的——从光照、温度、湿度到水分、二氧化碳浓度采用实时监控。”周增产说。

　　“我们的植物工厂由种苗繁育中心和三种不同模式的植物工厂化生产车间：人工光利用型、太阳光利用型、太阳光和人工光并用型组成。配备了精密播种育苗、生产、收获、包装过程的全套自动化装备，研制出播种育苗生产线、移栽机器人、收获机器人，从而生产高品质的种苗、叶菜和果菜，发挥出科研、生产、示范、孵化四项功能。”周增产介绍说。

　　—— 用了哪些技术 ——

　　营养液膜水培植物早熟20天

　　无土栽培是植物工厂的特色，这就让营养液成为了“明星”。

　　“通过采用无土栽培，不仅可以防止病虫害的传播，也可以节约耕地。植物的根系不是生长在土壤里，而是完全浸泡在营养液中。” 周增产说。

　　“营养液消毒效率、营养成分检测、营养液自动调控一直是封闭式营养液循环系统研究的热点和难点。”周增产说，“目前国际上营养液灭菌的主要方法包括热处理、紫外线、沙滤、臭氧等方式，其中热处理灭菌法、紫外线灭菌法和沙滤灭菌法最为有效。”

　　“我们的营养液消毒装备采用多段处理工艺，前级采用沙滤法去除营养液中的残留物、浮游物，提高营养液的透明度，后级采用UV-OH技术进行终端处理，利用真空紫外线和短波紫外线两类波长高能级UV的相互协同作用，产生高级氧化物羟基自由基，结合臭氧消毒技术，实现快速、高效、广谱灭菌，净化营养液中的有机、无机污染物。”

　　这种营养液成分检测循环补充系统主要研究营养液的动态监测调控软件和硬件系统，实现了自动检测营养液环境因子、自动补充营养要素。

　　“而营养液膜水培技术，可使营养液以切层流动形式在种植槽从较高的一端流向较低的一

　　端。水培的植物要比土壤栽培的生长周期要快很多，植物一年内可循环生长和多茬收获。”周增产说。算一笔账，普通温室叶菜 50—60天为一茬，通州植物工厂可以实现30—40天一茬。

　　组培技术：一小块组织生产出大量苗木

　　组培技术被称为是农业应用上的一次“革命”。

　　该植物工厂内建有小型研究试验用组培室，进行光独立植物组织培养技术与设备的研究。

　　“组培育苗系统由药品室、接种室和培养室组成。可在人工控制的条件下进行集约化生产，不受自然环境中季节和恶劣天气的影响。它只需要取出原材料上的一小块组织或器官就能在短期内生产出大量苗木，繁殖的后代整齐一致能保持原有品种的优良性状。组培操作从取材到接种到培养到生根到移栽，都能工厂化一样生产，空气洁净度可达10万级。”周增产说。

　　“密闭式工厂化育苗系统则采用绝热壁板围成的空间，将系统内外的物质和热能的交换控制在最小限度范围内。室内温度采用空调机维持设定，灯具提供植物成长所需光照。”周增产说，“这样做的优点是，系统封闭性极好使换气次数少，可将系统内外的物质和热能的交换降低到最小限度；没有多余的营养液向外排出，有利于环境保护；人工光源提供植物生长所需的光照，我们利用多层立体培养架，提高了空间利用率和单位面积产量，缩短了生产周期。”

　　■延伸阅读

　　创新点一：新能源显神通

　　周增产坦言，在这座植物工厂建设过程中，成本控制、维护结构的密封、环境调控、营养液调控、自动收获是最大的技术难点，也是需要创新的点。

　　“采用地源热泵系统和太阳能发电系统是通州植物工厂的重大技术创新。”周增产说。

　　无论是早期的探索还是最终的发展壮大，植物生产运行成本居高不下，一直是无法普及的根本问题。

　　通州植物工厂引入新能源新技术，不仅仅为了搭上低碳经济顺风车，在成本控制上也不可小视。“我们从设计伊始即引入浅层地源热泵、光伏发电等新能源新技术，减少对于煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放。而15kW的太阳能独立光伏发电系统，可将清洁无污染的太阳能转为电能供植物工厂使用，即使连续3天雨雪或电力供应不正常时，仍能维持植物工厂核心部分闭锁型育苗室和人工光植物生产车间的正常运作。补光灯消耗能源比较大，我们就把太阳能发电系统应用进来，运行以后就基本没什么消耗。”周增产说。

　　创新点二：传感器温室环境智能调控

　　另据了解，国外各种传感器和温室环境控制系统价格昂贵，也是导致其不能普及推广的主要原因。

　　“我们自主开发了植物生长的叶片温度、茎流速率、茎杆微变化、果实生长等传感器，利用内嵌以太网芯片开发基于有线/无线局域网的温室环境调控系统，对植物工厂内部多个环境因子进行检测与控制，实时动态监测植物信息，运用图像处理技术和通信技术远距离栽培管理。”周增产说，“通过这些传感器我们获取了温室内外环境条件的实时数据和历史数据，建立起反映能耗指标和环境调控结果的能耗与环境评价模型，从而确立了以最低能耗和适度环境控制为控制目标的温室预测型环境调控战略，最终实现温室环境智能调控。”

　　农产品从播种到收获的生长周期缩短，实现周年生产；精确调控的环境适合各种特色蔬菜、花卉以及经济价值较高的作物生产；完全采用机械自动化和计算机信息技术，人力物力的节省；用多层栽培，单位面积的植物生产面积达到温室的3—5倍以上……智能调控牢牢控制了成本。

　　■ 核心提示

　　近十年来，我国部分大学和科研院所在无土栽培和植物工厂方面进行了研究与开发，在组培苗技术、营养液调控技术、人工光源领域取得了成果，建立了小规模的植物工厂，但是国内实际生产应用几乎一片空白。

　　2010年3月底，国内第一座大型植物工厂——北京农业机械研究所通州植物工厂建成。这座投资1000万，由北京市农业机械化研究所和北京京鹏环球科技股份有限公司共同设计建成的植物工厂，动工于2009年。在有限的面积之内，尽可能全面和深入地对国际前沿的植物工厂新技术新装备进行研究和展示，是这座植物工厂的总体技术思路。

编辑：Aggie | 阅读：次

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