现代设施农业发展的高级阶段:植物工厂

文章来源:聚英云农 发布时间: 2023-12-11 10:11:14
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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高效农业系统,是利用智能计算机和电子传感系统对植物生长的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制,使设施内植物的生长发育不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式。

植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段,是一种高投入、高技术、精装备的生产体系,集生物技术、工程技术和系统管理于一体,使农业生产从自然生态束缚中脱离出来,按计划周年性进行植物产品生产的工厂化农业系统,是农业产业化进程中吸收应用高新技术成果最具活力和潜力的领域之一,代表着未来农业的发展方向。

现代设施农业发展的高级阶段:植物工厂

植物工厂的主要特征

环境条件植物工厂一般要求一个等级不同的洁净栽培空间,室内外空气交换要通过带有空气过滤装置的空调来实现,温度、湿度、二氧化碳浓度数据都可通过大数据中心获得。

植物工厂以节能LED植物生长灯为光源,采用制冷—加热双向调温控湿、光照—二氧化碳耦联光合与气肥调控、营养液在线检测与控制等相互关联的控制子系统,可实时对植物工厂的温度、湿度、光照、气流、二氧化碳浓度以及营养液等环境要素进行自动监控,实现智能化管理。通常情况下,叶用莴苣类植物工厂内的昼夜温度在18~23℃,湿度在65%~75%。二氧化碳浓度根据不同植物的不同需求,一般在400~1200ppm。

作物产量通过对植物生长环境的高精度控制,植物的生长几乎不受自然条件的制约,生长周期缩短。现在工厂内种植的牧草,割完以后迅速再长一茬,20天左右就能收获一茬,而在露地栽培中则需要一个月到40天。除了生长周期短,空间利用率高和一年四季不间断生产是植物工厂的重要特点,植物工厂具有立体栽培的优势,每年可进行15-20次生产。

营养供给植物工厂采用循环流动的营养液来满足植物的生长,不管何种类型的植物工厂,营养液栽培的基本原理都是将植物所需养分配置成科学合理的离子态营养液,通过输送,满足栽培作物的需求。营养液提供了植物生长所需的各种元素,包括氮磷钾等大量元素及铁锰锌等微量元素,因此没有必要使用土壤栽培。无土栽培的技术现在已经非常成熟,所栽培植物的生长比土培快很多,安全性的管控也更加有效。

植物工厂的营养液配置、灭菌、输送、回收都有专门的设施装置、电子仪器来完成,可实现营养液定量、自动供应,可实时监控营养液浓度、成分、酸碱度变化,通过自动补液,始终为植物创造最优的营养液环境;营养液的流动速度和温度都保持在植物需要的适宜水平,以保证植物的最优势生长。 光照管理光照管理是植物工厂高效生产和成本降低的关键因素之一。

在高精度环境控制的植物工厂中,LED照明作为新一代植物光源,它较传统农业领域的人工光源,具有光量可调整、光质可调整、冷却负荷低与允许提高单位面积栽培量等特点。在现代化农业的不断发展和节能环保的需求下,LED植物照明将逐步替换目前使用的传统荧光灯,成为植物生产过程中光环境调控的主要工具。

光环境的精准调控主要包含光谱、光照强度和光周期3个方面,也即是所谓的“光配方”。在太阳光中,只有5%左右的不同波长的光对光合作用产生影响,大量的光不能被植物利用,这与植物生长所需的必需光质种类是不连续的、有选择性和可替代性有关。红光、蓝光是植物正常生长发育、完成生活史的必须光质,在红蓝光基础上添加一些特殊光质成分可有效地促进农作物的增产或刺激药用植物有效次生代谢物质的大量积累。

在一定的光照强度范围内,植物的光合速率随光照强度的增加而加速。但也不是可以一味地提高光照强度,过高的光照一方面导致光抑制现象,影响产量和品质,另一方面也浪费了大量的电能,增加投资成本;在平衡产量、品质与能耗的关系上,往往要同时考虑光照强度和光照时间,针对每一种蔬菜或者每一个发育阶段,满足其每日的光需量。适宜的光照强度和光照时间在保证产量和节省成本方面能起到事半功倍的作用。

为了更好地促进植物的生长发育,以及提高产量、品质等特殊指标,通过定制的光配方来实现植物工厂内的光环境精准调控。根据植物的生长环境区别设计,选取对光合作用贡献最大的光往往在提高光能利用效率和增产的同时,更节能。更为理想的“光配方”应该是在一个完全封闭的环境中,像工业生产一样去种植作物。定制的“光配方”意味着更快的生长速度更高的产量和更优秀的品质。

植物工厂的研究意义

植物工厂技术的突破将会解决人类发展面临的诸多瓶颈,甚至可以实现在荒漠、戈壁、海岛、水面等非可耕地以及在城市的摩天大楼里进行正常生产。

利用取之不尽的太阳能和其它各种清洁能源,加上一定的种子、水源和矿质营养,就可源源不断地为人类生产所需要的农产品。因此被认为是21世纪解决粮食安全、人口、资源、环境问题的重要途径,也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段。

 

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