顧小小+闕寧磊+朱春燕

【摘要】家庭植物工廠是技術(shù)密集的集約型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高新技術(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)，它滿足了人們對綠色蔬菜的需求和對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)體驗的向往。本文介紹了家庭植物工廠的優(yōu)勢，并分析相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)階段開發(fā)應(yīng)用中存在的問題提出相應(yīng)對策，對其未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

概述

概念

從狹義上講，植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制，實現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是由計算機(jī)對作物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行自動控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)模式[1]。家庭植物工廠是把大型植物工廠的各種技術(shù)集成在較小的空間里，利用精準(zhǔn)的控制來栽培家庭所需的植物，是一種技術(shù)高度密集，資源高效利用的生產(chǎn)方式[2]。

優(yōu)勢

家庭植物工廠的研發(fā)具有一定現(xiàn)實意義，主要有以下優(yōu)勢：

安全無公害 家庭植物工廠種植的植物全程在全封閉的無菌環(huán)境下生長，不受自然病蟲細(xì)菌的侵害與環(huán)境污染，不需要施用農(nóng)藥，植物的整個生長過程的環(huán)境都處于可控狀態(tài)，種植出來的植物潔凈衛(wèi)生無污染，滿足了人們對安全綠色無公害蔬菜的需求。

生產(chǎn)效率高 使用家庭植物工廠進(jìn)行種植，可以縮短作物生育期，增加茬數(shù)；單株產(chǎn)量在最適宜的人工環(huán)境下比常規(guī)栽培有所增加，從而大幅度提高產(chǎn)出率。

增添生活樂趣 滿足城區(qū)居民親近自然，體驗綠色的渴望；滿足老年人的栽種喜好；孩子可以通過種植活動了解植物的生長知識、培養(yǎng)動手能力；為家庭供應(yīng)食材的同時，可作為綠色裝飾來美化家居[3]。

對環(huán)境要求低 家庭植物工廠的種植過程可排除外界環(huán)境的不利影響，適用范圍和區(qū)域較廣。

生態(tài)作用 家庭植物工廠的種植采用資源循環(huán)利用技術(shù)，既提高了資源利用率，又實現(xiàn)了零污染零排放[4]，系統(tǒng)會定時控制栽培區(qū)內(nèi)空氣與家居環(huán)境空氣進(jìn)行氣體交換[5]，顯著改善家庭微生態(tài)環(huán)境。家庭植物工廠讓果蔬實現(xiàn)了就近生產(chǎn)，就近消費，減少中間環(huán)節(jié)，既能保持果蔬的新鮮度，又可減少物流成本和碳排放量[5]。

滿足特殊要求 植物生長周期穩(wěn)定，可實現(xiàn)周年均衡生產(chǎn)，能定茬如期準(zhǔn)確地供應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品；作物生長在一個可控、精確、穩(wěn)定的環(huán)境，能夠像工廠一樣生產(chǎn)出外形及質(zhì)量均符合標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)產(chǎn)品；可以人為培育出最具營養(yǎng)價值、口味極佳的反季節(jié)果蔬[6]。

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

在一些發(fā)達(dá)國家，家庭植物工廠進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，相關(guān)市場形成了制造和供應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈，普通消費者可以便捷地從零售渠道獲得種子、營養(yǎng)液、栽培用具和各種耗材[7]。其中，日本在家庭植物工廠的研究和市場投入方面位居世界前列。日本國民有吃生菜的習(xí)慣，而核電事故后，居民對蔬菜安全越發(fā)擔(dān)心，一些有實力的企業(yè)紛紛研發(fā)家庭植物工廠，每年都有新技術(shù)推出[8]。

中國對家庭植物工廠的研究晚于發(fā)達(dá)國家。近年來，政府極為重視農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，大力推動了植物工廠建設(shè)，并已取得一定的規(guī)模和成果。2010年上海世博會展示的“低碳·智能·家庭植物工廠”，開啟了我國家庭植物工廠商品化的道路。2016年6月，習(xí)近平總書記在參觀國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展展出的“智能LED植物工廠”時，對植物工廠產(chǎn)業(yè)的科技成果表示肯定，也對其未來的發(fā)展提出了期望。

技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

人工光源技術(shù)

光照是植物生長的能量源泉，家庭植物工廠根據(jù)作物的種類及發(fā)育階段，通過一定的設(shè)施創(chuàng)造良好光照環(huán)境，以提高作物的光合效率。LED具有發(fā)熱少、單色可組合、節(jié)能環(huán)保、壽命長等優(yōu)勢，可大幅度縮小栽培層間距，使空間緊湊，是家庭植物工廠人工光源的理想選擇。

研究結(jié)果表明，植物吸收的光線波段主要是紅光和藍(lán)光，將紅、藍(lán)光按一定配比制成光源，就能滿足植物生長需求。紅外和遠(yuǎn)紅外等成分主要以熱量的形式出現(xiàn)，而且耗能嚴(yán)重[9]。在家庭生活中，人們比較喜歡接近日光的色彩。目前，家庭植物工廠一般選用組合顏色偏白的光源（如紅、綠、藍(lán)三色LED進(jìn)行組合）來滿足人們的視覺偏好。

營養(yǎng)液栽培技術(shù)

植物生長離不開的并不是土地，而是土壤中的養(yǎng)料[10]。家庭植物工廠中植物生長所需養(yǎng)分是通過調(diào)配好的營養(yǎng)液進(jìn)行補(bǔ)給，植物生長環(huán)境更潔凈，食品安全更可控，避免了重茬，節(jié)約了土地。營養(yǎng)液栽培使生產(chǎn)管理更趨于自動化、技術(shù)流程更簡化、可操作性更強(qiáng)、生產(chǎn)效率更高。植物的外觀和味道也可以通過控制營養(yǎng)液的種類和數(shù)量等方式改變。

家庭植物工廠的營養(yǎng)液循環(huán)采用多層集中定時供液、各層獨立控制流量的方式，由計算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)需要定時控制營養(yǎng)液的循環(huán)。循環(huán)過程中，通過空氣混入裝置，增加營養(yǎng)液的氧氣含量；通過紫外消毒裝置，對回流的營養(yǎng)液進(jìn)行消毒；通過供液閥門和回流插芯，有效控制各層營養(yǎng)液的供液速度和液面高度。

人工環(huán)境監(jiān)控技術(shù)

家庭植物工廠完全擺脫了大田生產(chǎn)條件下自然和氣候條件的制約，應(yīng)用智能環(huán)境模擬技術(shù)和自動控制技術(shù)，為植物的生長發(fā)育創(chuàng)造出最佳的人工環(huán)境。

傳感器實時檢測各項參數(shù)，完成數(shù)據(jù)采集后傳輸?shù)街锌叵到y(tǒng)進(jìn)行儲存和顯示；中控系統(tǒng)根據(jù)植物在整個生育期的營養(yǎng)與環(huán)境需求，通過軟件的分析和判斷，向相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送指令，完成對系統(tǒng)的控制。

溫度 家庭植物工廠內(nèi)的氣溫、營養(yǎng)液或基質(zhì)的溫度對作物的光合作用、呼吸作用、光合產(chǎn)物的輸送、根系的生長、水分養(yǎng)分的吸收均有著顯著的影響。將溫度控制在作物生長所需水平才能使作物有正常的生理活動及生化反應(yīng)。當(dāng)栽培區(qū)溫度不適宜時，可以通過啟動制冷器或加熱器使溫度保持設(shè)定值。

濕度 家庭植物工廠內(nèi)的空氣相對濕度影響作物的葉面蒸發(fā)[6]和光合作用強(qiáng)度。根據(jù)不同作物的品種以及所處生育期對空氣相對濕度的要求，可啟動加濕或除濕設(shè)備，來保證各層栽培空間的環(huán)境濕度。

CO2濃度 CO2是作物生長的重要原料，其濃度高低直接影響作物的生長情況[6]。通過系統(tǒng)精密計算，可控制栽培區(qū)內(nèi)的空氣與家居環(huán)境進(jìn)行氣體交換，又能防止加熱或制冷后的空氣被排走而造成能源浪費。

營養(yǎng)液 作物的根系大部分生長在營養(yǎng)液中，吸收其中的水分、養(yǎng)分和氧氣。同時根系分泌的有機(jī)物、脫落的殘根及各種微生物等會影響營養(yǎng)液的質(zhì)量，而外界溫度會影響液溫。因此，必須對營養(yǎng)液的各影響因素進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

在家庭植物工廠中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過信息傳感、視頻監(jiān)控裝置以及網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，實時進(jìn)行信息交換、通訊、智能化監(jiān)控、調(diào)節(jié)與控制。人們即使不在家，也可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用手機(jī)、筆記本、iPad等網(wǎng)絡(luò)終端隨時隨地了解蔬菜長勢和相關(guān)信息，調(diào)整控制參數(shù)，實現(xiàn)在線管理、遠(yuǎn)程控制、實時操作。

品質(zhì)調(diào)控技術(shù)

蔬菜是人體攝入硝酸鹽的主要來源，但過量硝酸鹽進(jìn)入人體后，會轉(zhuǎn)化形成亞硝酸鹽，導(dǎo)致高血紅蛋白癥的發(fā)生。在家庭植物工廠的生產(chǎn)過程中，可控制水氮供應(yīng)來降低蔬菜的硝酸鹽含量，直到允許值以內(nèi)，保障食用安全[11]。

VC是維持人類生長、繁殖和保證人體健康所必須的營養(yǎng)物質(zhì)。家庭植物工廠生產(chǎn)過程中，采用光與營養(yǎng)調(diào)控等措施，提高葉菜中VC含量從而提高其營養(yǎng)品質(zhì)。除VC外的其他抗氧化物質(zhì)為次生代謝物質(zhì)，如類黃酮、花青素、酚酸等。通過氮素營養(yǎng)與光環(huán)境的協(xié)同調(diào)控，可使次生代謝物質(zhì)等指標(biāo)顯著提升，提高營養(yǎng)保健價值。

存在問題及應(yīng)對措施

成本高

家庭植物工廠產(chǎn)出的蔬菜比普通農(nóng)場種植的蔬菜成本要高50%～200%，原因：一是投入成本高，家庭植物工廠對環(huán)境調(diào)控提出了較高的要求，這些設(shè)施成本都較昂貴；二是生產(chǎn)批量少，單機(jī)生產(chǎn)成本高；三是運行和維護(hù)成本高。

通過產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，才有望大幅度降低成本。此外，加大研發(fā)力度，研制成本低廉、性能良好、安裝便捷的智能調(diào)控新設(shè)備、新材料來降低建造成本。開發(fā)節(jié)能技術(shù)，有效利用太陽能、風(fēng)能、生物能、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉纯山档瓦\行成本[9]，并促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

能耗大

能源消耗大是限制家庭植物工廠發(fā)展的重要因素之一，人工光植物工廠的能耗主要包括人工光源、空調(diào)及營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)等。為降低能耗，需不斷改進(jìn)箱體隔熱材料和填充工藝；采用人工光源節(jié)能技術(shù)；研究通過熱泵調(diào)溫、光溫耦合節(jié)能調(diào)溫等技術(shù)減少空調(diào)能耗；優(yōu)化營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動組件的設(shè)計和空氣交換系統(tǒng)的布置，減少電力消耗，降低運行維護(hù)成本。

品種少

不同作物生長所需要的光照、溫度、濕度和營養(yǎng)液等條件都不相同，同種作物在不同時期的生長需求也不相同。但是到目前為止，僅有部分作物具有相對標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)指標(biāo)，還有很多未開發(fā)作物在實際生產(chǎn)中缺乏生產(chǎn)指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持[2]。需加強(qiáng)對不同作物水、肥、氣、溫、光等影響要素的深入研究，不斷探索耦合機(jī)制，豐富作物生產(chǎn)管理指標(biāo)，以確保家庭植物工廠可以模擬出各植物的各生育階段所需的生長環(huán)境并對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控。

配套不完善

國外有專門的種子公司，不斷培育各種蔬菜的矮生和迷你品種，以適合小空間栽種。而我國城市居民購買適合家庭種植的蔬菜種子的渠道較少，且品種有限，質(zhì)量也難有保障，這就需要相關(guān)部門和企業(yè)進(jìn)行引導(dǎo)和市場培育。

家庭植物工廠是面對不具備栽培專業(yè)知識的普通用戶，各種專業(yè)性較強(qiáng)的操作和設(shè)置往往會讓用戶無所適從。所以，配套相關(guān)培訓(xùn)、專家服務(wù)以及技術(shù)支持是非常必要的，這樣才能保障家庭植物工廠的正常運行。

運作模式未成熟

家庭植物工廠的整體研究開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化、后期維護(hù)、配套服務(wù)等內(nèi)容還處于摸索階段，要增強(qiáng)與園藝、照明、電氣等相關(guān)領(lǐng)域的密切協(xié)作，以保證其產(chǎn)品的先進(jìn)性和實用性；要借鑒發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)經(jīng)驗，取長補(bǔ)短；要循序漸進(jìn)增強(qiáng)宣傳培訓(xùn)，推動家庭植物工廠的普及和發(fā)展；更應(yīng)盡快制定標(biāo)準(zhǔn)，完善技術(shù)規(guī)程，引導(dǎo)行業(yè)有序發(fā)展。

發(fā)展趨勢

①家庭植物工廠要融入日常家居生活，在外觀設(shè)計上應(yīng)注重方便實用、精巧美觀、便于擺放、易于移動；內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計上要合理分區(qū)以提高利用率并保證安全衛(wèi)生。②應(yīng)向多元化作物的生產(chǎn)環(huán)境控制研究發(fā)展，不斷增加適宜種植的作物品種和類別；不斷拓展功能，在種菜的同時可以實現(xiàn)發(fā)酵、養(yǎng)水生動物等功能，使家庭植物工廠真正成為未來家庭栽培的有機(jī)生態(tài)箱。③考慮面向不同的受眾，拓寬在日常生活中的應(yīng)用范圍，如家居、小區(qū)、寫字樓、商場、餐廳、學(xué)校等，開發(fā)有針對性、實用性、藝術(shù)性、趣味性的適合不同場合的微型植物工廠，并實現(xiàn)按照不同需求進(jìn)行個性化定制。④早日實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，降低能耗、降低家庭植物工廠建造、運行和維護(hù)成本，才能適用于更多的消費者。⑤開發(fā)和完善專家系統(tǒng)，控制軟件需附帶專門的數(shù)據(jù)庫，操作系統(tǒng)必須簡易便捷；可在線與專家及其他用戶進(jìn)行交流，分享種植體驗和收獲，用戶可授權(quán)專家遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊其長，魏靈玲，劉文科，等.植物工廠系統(tǒng)與實踐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出社，2015.

[2] 邱兆美，趙龍，賈海波.植物工廠發(fā)展趨勢與存在問題分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（10）：230-233.

[3] 李奕頤.家庭種植裝置系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].上海：東華大學(xué)，2014：1-55.

[4] 余錫壽，劉躍萍.中國植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].農(nóng)業(yè)生產(chǎn)展望，2014（12）：50-55.

[5] 鄭曉婷.基于植物工廠的未來生態(tài)家電發(fā)展趨勢探析[J].藝術(shù)生活，2014（4）：71-73.

[6] 劉曉潔，楊劍坤.植物工廠數(shù)字農(nóng)業(yè)的革命[J].文明，2011（3）：30-48.

[7] 曉東，敖娟.植物工廠或?qū)⒊砷L為一個新產(chǎn)業(yè)[N].中國建材報，2011-7-11（B03）.

[8] 馬愛平.家庭植物工廠能否讓生活更開心[N].科技日報，2011-4-6（004）.

[9] 文武.在家里開農(nóng)場，你準(zhǔn)備好了嗎[J].環(huán)境，2011（Z1）：64-66.

[10] 給作物定制舒服的“家”[J].農(nóng)民文摘，2016（5）：35-37.

[11] 楊其長.植物工廠的發(fā)展策略[J].科技導(dǎo)報，2014（10）：20-24.

作者簡介：顧小?。?986-），女，江蘇啟東人，工程師，研究方向：農(nóng)業(yè)工程。