植物工厂背景技术Word文件下载.docx
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从其研究对象层次上又可分为以研究植物体为主植物工厂、以研究植物组织为主组培植物工厂、以研究植物细胞为主细胞培养植物工厂。
但目前，比较习惯分类方法是按照植物生长中最重要条件之光能利用方式不同来划分，共有三种类型，即太阳光利用型、人工光利用型、太阳光和人工光并用型。
其中，人工光利用型被视为狭义植物工厂，称为密闭式植物工厂，它是植物工厂发展高级阶段。
植物工厂共同特征是：
有固定设施；
利用计算机和多种传感装置实行自动化、半自动化空盒子；
采用营养液栽培技术；
产品数量和质量大幅度提髙。
数字植物工厂是一种通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产高效农业系统，是由计算机对植物生育过程温度、湿度、光照、C02浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，不受或很少受自然条件制约全新生产方式。
由于数字植物工厂充分运用了现代工业、生物工程和信息技术等手段，技术高度密集。
多年来，数字植物工厂一直被国际上公认为设施农业发展最高级阶段，成为衡量一个国家农业高技术水平重要标志之一,目前仅有日本、美国、荷兰等少数发达国家掌握这项技术
数字植物工厂不占用农用耕地，产品安全无污染，操作省力，机械化程度高，单位面积产量可达露地儿十倍其至上百倍，因此又被认为是21世纪解决人口、资源、环境问题重要途径，也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物白给重要手段
数字植物工厂技术突破将会彻底解决人类发展面临诸多困惑，其至可以实现在荒漠、戈壁、海岛、水面等非可耕地，以及在城市摩天大楼里进行作物生产。
利用取之不尽太阳能，加上一定种子和矿质营养，就可源源不断地为人类生产所需要食品。
近年来，一些耕地资源紧缺发达国家正在加大资金及技术投入，加紧数字植物工厂研发和推广工作，在日本，政府采取补贴50%手段，推进数字植物工厂发展，预计3年后将新增150座数字植物工厂
这个国内第一例智能型数字植物工厂建筑面积为200平方米，共由植物苗工厂和蔬菜工厂两部分组成，以节能植物生长灯和LED为人工光源，采用制冷-加热双向调温控湿、光照-CO2耦联光合调控、空气均匀循环及流通、营养液（EC、pH、DO和液温等）在线检测及控制、图像信息传输、环境数据采集及自动控制等13个相互关联控制子系统，可实时对植物工厂温度、湿度、光照、气流、C02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。
植物苗工厂由双列五层育苗架组成，种苗均匀健壮，品质好，单位面积育苗效率可达常规育苗40倍以上，育苗周期可缩短40%以上。
蔬菜工厂采用五层栽培床立体种植，栽培方式选用DFT（深液流）水耕栽培模式，所栽培叶用萬苣从定植到釆收仅用16-18天时间，比常规栽培周期缩短40%,单位面积产量为露地栽培25倍以上，产品清洁无污染，商品价值高。
植物工厂作为设施园艺最高级发展阶段，集中应用了现代生物技术、新型材料、环境控制和信息技术最新科技成果，是现代农业高新技术集成产物。
因此，高新技术广泛应用和不断创新是植物工厂发展重要特征。
LED光源
光是植物工厂最重要环境因子之一，光能消耗约占植物工厂运行费用20%〜40%,能耗问题一直是影响植物工厂推广普及重要限制因素。
近年来，LED光源研究及开发为植物工厂尤其是人工光利用型植物工厂发展提供了良好契机，使植物工厂普及应用成为可能。
LED概况
LED是英文LightEmittingDiode（发光二极管）缩写，它基本结构是一块电致发光半导体材料，置于一个有引线架子上，四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线作用，因此LED抗振性能较好。
利用注入式电致发光原理制作二极管叫发光二极管，通称LEDo当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色光线，光强弱及电流有关。
LED光源具备以下特点：
•使用低压电源，供电电压在6〜24V之间，比使用高压电源更安全。
•节能高效，消耗能量较同光效白炽灯减少80%。
•适用范围广。
形状很小，每个单元LED小片是边长为3〜5mm正方形，所以可以制备成各种形状器件，并且适合于易变环境。
•稳定性强。
可以使用5万小时以上，光衰为初始50%。
•响应时间快。
白炽灯响应时间为毫秒级，LED灯响应时间为纳秒级。
•无污染。
无有害金属汞，不污染环境。
•可以改变颜色。
改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料能带结构和带隙，实现红黄绿蓝橙多色发光。
•价格较昂贵。
这是影响其普及主要原因，但由于晶片技术改进，制造成本急剧下降，正朝着高效率低成本方向发展。
以上是LED—般性特征，将这些特征应用到植物栽培光源之中，又具体表现为以下优势：
•可以调节光源光谱分布
植物利用可见光中限定波长光有三种：
用于光合成反应红色光;
强光反应蓝色光；
红色光和远红色光。
使用LED可以集中特定波长光均衡地照射作物，不仅可以调节作物开花及结实，而且还能控制株高和植物营养成分。
•可以靠近作物照明
植物栽培上应用LED属于冷光源，可以置于离植物很近地方而
不会把作物烤伤。
光利用率很高，可用于多层栽培立体组合系
统。
•使植物生产设施小型化，使用寿命长
LED形状极小，每个单元只有0,3ram,用环氧树脂密封LED灯
每个单元小片是边长为3〜5mm正方形，所以可以制备成多种形状器件，占用空间很小，安装方便。
此外，其待强耐用性降低了运行成本。
LED试验研究及其在植物工厂应用前景
最早将LED用于植物栽培是日本三菱公司，早在1982年就有关于波长为650nm红色LED光源用于温室番茄补光试验报告。
此后，美国NASA研究中心也把此项技术作为宇宙基地等闭锁式生命维持系统（cELss）相关技术之一开展研究。
1987年以Wisconsin大学Dr.T1bbitts等为主研究小组正式釆用LED光源，开始进行萬苣栽培试验并形成阶段性成果研究报告。
1992年日本千叶大学进行了有关LED红色光、远红色光对马铃薯生理过程影响试验研究。
以色列和中国台湾省一些研究部门也进行过有关LED在植物工厂和组培室试验。
研究表明，植物并非利用太阳光全部成分来进行光合作用，以往照明灯中因含有红、蓝以外波长光，耗电量大，特别是红外线属于热光源。
利用蓝色和红色LED作光源栽培生菜试验已经取得成功。
此外，研究还表明植物一般在白天吸收红、蓝等限定波长光进行光合作用，夜间主要是进行生长。
因此，单一波长LED要比波段宽太阳光更能促进光合作用。
LED光源待别适合于人工光控制型植物工厂。
日本正在运行〜家LED蔬菜工厂，釆用NFT方式，栽培光源为改良型水冷式红色LED（660nm）,育苗光源为白色荧光灯。
该系统可以把培育植物环境要素控制在最佳状态，LED光源光利用效率达到了0.01,是目前正在运行
植物工厂中光利用效率最好实例。
当前，影响LED光源普及应用于植物工厂因素主要有两个方面，一是及广域光谱范围其他人工光源相比，单色光还难以应对更多种类作物；
二是LED高昂价格。
但是，随着半导体技术不断发展，蓝色LED成本将大幅度降低，一些经济、实用LED光源及其配套装置必将推出，为植物工厂普及推广将会起到重要推动作用。
营养液在线检测技术
目前，营养液栽培中可根据EC值检测进行肥料补充，使营养液达到要求。
但在我国目前存在设施水平低、各地水质和营养液配方差异大、环境控制水平不高等不利因素情况下，EC值在营养液管理中效果往往不共理想。
营养液管理需在线检测营养液中各营养成分浓度，才能及时调节营养液组成，使营养液始终保持养分均衡，满足作物生长需要。
目前尚不能检测所有营养元素，只能检测营养液儿个主要指标:
氮（N03-）、磷（HP042-,P023-）、钾（K+）、钙（Ca2+）、硫（S042-）和镁（Mg2+）浓度。
在线检测原理是将对氮（N03）、磷（HP042-，P023-）、钾（K1）、钙（Ca2+）、硫（S042-）和镁（Mg2+）等离子浓度以及pH值和EC值分成若干个模糊子集，确定模糊规则，建立一个模糊控制器来实现对P、Mg.S控制。
应该指出是，不同作物对营养元素需求量不同，同〜种作物不同生长期对营养元素需求也不尽相同，因此单一模型只适合于作物某一生长期模拟，不同作物及其不同生长阶段需由相应模型来对应。
营养元素在线检测技术具有很大优越性和应用价值，有助于提高营养液管理水平，降低运行成本，保护环境，也有利于提高作物产量和品质。
随着科学技术不断进步，营养液在线检测技术一定会日臻完善，在实践中得到广泛应用。
光独立营养组培育苗技术组织培养技术及其应用
植物组织培养乂称为植物离体培养，或称为植物细胞及组织培养。
许多学者又将其形象地称为“植物克隆”。
目前，植物组织培养在遗传育种、种质资源保护、脱毒快繁等方面得到了广泛应用。
在组培快繁方面，许多重要园艺作物（如兰花、草莓、甘暮等）、药用植物以及造林用树木等种苗大量快繁基本上都实现了组织培养。
自20世纪80年代以来,以商品化为目组培苗生产以20%〜30%速度逐年递增。
整个西欧1996年生产组培苗近2亿株，到2002年已达到100亿株。
2002年，我国组培苗生产仅蝴蝶兰花卉一项就达7000万株。
林木方面，华南和华北地区分别具备了年产桜树组培苗250万株、杨树组培苗150万株能力。
可以预见，组培苗工厂化生产将走向产业化，组织培养技术在解决21世纪随着地球人口增加而带来粮食及燃料不足，以及环境恶化问题中将得到长足发展和大规模普及。
光独立营养组织培养技术
以培养基中添加糖作为植物生长所需碳源、采用密闭小容器为主要特征常规植物组织培养技术在过去30多年中取得了长足发展，得到了广泛应用。
但是，常规植物组织培养技术存在很多亟待解决问题。
为了解决常规组织培养存在问题，以组培容器大型化和组培操作省力化为目光独立营养组织培养（以下简称光独立组织培养）技术应运而生。
光独立组织培养是指在培养基中不添加糖和生长调节物质情况下,通过提高培养器周围光合成有效光量子流密度（PPFD）、CO。
浓度以及气流速度等来提高组培植物光合成速率。
其技术创新在于依靠组培植物本身光合作用来自我调节生长速度。
光独立组织培养优势表现在：
•改善了培养环境条件，促进组培苗生长发育：
・减少激素和生长调节物质应用；
•利于大型培养容器应用并减少生物污染：
•简化生根、驯化程序：
•减少组培苗生理、形态上异常，提高组培苗品质：
•简化组织培养繁杂人工操作：
•利于采用机械化、自动化操作：
•缩短培养周期，降低生产成本。
目前，这一技术己在植物工厂内应用，并取得了明显效果。
中国农业科学院于1997年开始引进该项技术，开展了兰花、石斛、蕨类以及马铃薯等方面试验，进行了耐盐抗旱品种筛选及培育，取得了阶段性成果。
植物苗工厂
随着现代农业不断发展，育苗业已逐渐从传统种植业中分离出来，形成颇具活力新兴产业。
在美国，20世纪70年代前后就已实现了种苗商品化，所有移栽蔬菜苗都由专业育苗公司来提供。
Speedling（美国维生公司）是世界上最大种苗公司，年产10亿株商品苗。
此外，还有山本种苗公司和Santafenorsery种苗公司，年产规模也在20007J至1亿株商品苗之间。
他们都有现代化植物苗工厂设施，生产共同特点是苗质整齐，成本低，技术含量高。
20世纪80年代以来，世界性商业用种苗数量和种类急剧增加，进入21世纪以来，势头更猛。
植物苗工厂化生产已经成为世界性趋势。
植物苗工厂特征
植物苗工厂就是生产种苗植物工厂。
这里所指“种苗”是特指“苗”，不包含“种子”。
所以也可称之为“苗工厂”。
植物苗工厂及植物工厂一样也有三种类型。
其中，人工光型植物苗工厂将是植物苗工厂发展重要方向之一。
人工光型种苗工厂是指在一个相对封闭设施内，釆用营养液栽培（水培或基质培）技术和人工光源，对植物生长所需诸多环境因子进行自动化控制。
其特征主要表现在以下方面：
•对光强、光质、光照时间等要素可以较容易地进行单独调节，不受天气条件影响，容易控制苗生长，提高苗质量。
•苗生长环境比较稳定，调节比较容易，利于苗生长及管理。
•农药、肥料、水、植物生长调节剂等生产资料使用量达到最小化。
•采用多层式育苗方式，提高了空间利用率，而且可以提高搬运、管理等作业效率。
单株苗生产成本大为降低。
•利于实现技术国际标准化。
苗生产是在封闭型人工光环境控制下进行，其生产技术没有地区性限制，完全可以在苗生产方法、程序等方面制定出国际化标准。
标准化内容重要是指环境调节方法、施肥方法等方面技术规程。
•利于实现自动化控制、计算机管理和省力化作业•利于技术保密和排除外界干扰。
除特殊情况外，植物苗工厂内设施和技术一般不对外参观，内部生产也不受外界天气限制和人为干扰。
・易于阻隔微生物、昆虫侵入，苗生产环境不会被污染。
•作业环境舒适。
封闭型苗生产温度大都稳定在20〜30°
C之间，没有强日光照射。
所以作业环境舒适。
•能够实现周年生产，提高生产效率•其不利之处在于：
①封闭型种苗生产系统，在建设初期投资很大。
②这种系统运行费用，尤其是照明装置、制冷制暖等设备运转耗能很高。
基本技术
人工光利用型种苗工厂建设及运营所必需技术包括照明、空调、脱毒苗贮藏、繁殖、移植、搬运、生产计划及管理等。
其基本技术构成包括：
照明系统
包括硬件和软件两部分。
硬件是光源、反射斗等照明设备，软件是照明设备配置方法和使用方法等。
照明系统方面重要评价标准是植物受光率。
现在人工光利用型种苗生产系统植物受光率平均在20%以下。
为了提高苗生长期间整个植物受光率，就必须对照明硬件和软件进行动态控制。
为了促进苗光合成，需要夜间补光，但并不是同一设施内所有苗都需要在同一时间内受光，有时也要分成若干时间带。
光源
光合作用所需光波长范围是400〜700hm。
在这个范围内光量子及光合成具有同等作用。
植物苗工厂人工光源都适宜釆用发光二极管（LED）,这一新光源己经引起广泛关注并开始应用于试验之中。
制冷、换气和制暖
人工光利用型植物苗工厂墙壁采用隔热结构，为了防止病原菌侵入就必须进行空气过滤，所以安装强制换气设备和留有进出口是最基本条件。
用隔热材料覆盖封闭式苗生产设施，电消耗是很大开支。
照明用电占整个用电量60%〜65%,制冷用电占25%〜30%,其余5%〜10%被搬运等动力机器消耗掉。
这里动力机器主要指用于调节空气风扇、搬运种苗或箱板机器、灌水泵、管理系统设施等。
病原微生物控制技术
封闭型种苗生产设施系统〜大优点是可以把病原菌对设施内侵入以及设施内部繁殖控制到最小程度。
病原菌控制技术主要有病原菌检测技术、抑制和除菌技术、杀菌技术、抑制繁殖及生长技术等。
杀菌手段有加热、加压、臭氧暴露、紫外线、丫线照射或是紫外线及氧化钛并用、无机银、活性氧、化学药品（NaCIO、C2HsOH、CH3C00H、H202等）、高压脉冲、酸性电解水等；
除菌手段有：
多种过滤膜、分离膜。
需要注意是，这些技术不仅会杀死微生物，处理不当对植物本身也有杀伤作用。
当然，在特定条件下，苗生长过程中存在一种促进其生长微生物，比如共生菌存在。
也有防止、阻碍病原菌侵入及繁殖微生物和天敌昆虫。
积极利用这些微生物和昆虫，将是今后植物工厂发展新研究课题。
计算机智能化管理
计算机优势之一就是可以对众多信息进行快速处理。
植物工厂正是充分利用计算机这一优势来进行科学管理及控制。
植物工厂属于大型化、连续生产设施，因此必须对环境监测信息、植物体信息、栽培管理信息、销售信息等进行及时处理，才能促进生产效益提高。
这里介绍一下一种正在开发计算机系统构成，作为大型化生产设施计算机应用参考。
上图为大型植物ZJ-计算机系统结构图。
在这个结构中，及生产直接相关计算机系统有环境、植物体、生产作业、销售和生产资材五个方面。
从抽象角度进行信息处理系统主要包括三个方面：
即生产分析、生产信息、经营战略。
生产分析系统作用就是对及生产直接相关各计算机系统记录下来庞大数据、信息进行综合处理。
植物生产信息系统作用就是利用计算机网络，对流通信息、气象信息、病虫害信息、栽培技术信息等进行交换。
经营战略支撑系统作用就是指导缩短生产周期，提高品质，准确把握上市臼期，节省能源成本等。
对于经营者决策来讲，这些都是很重要信息提示。
这一系统就是要对及生产有直接关联计算机系统做出必要提示。
植物工厂采用计算机系统将会达到如下目标：
•设施大型化：
•作业省力化；
•生产节能化；
•产品高品质化；
•产品质量均衡化；
•生产安全化。
机器人在植物工厂中应用
机器人技术作为20世纪人类最伟大发明之一，自20世纪60年代初问世以来，经历了近半个世纪发展，取得了惊人进步。
在日本、美国等发达国家，农业人口较少，随着农业生产规模化、多样化、精确化，劳动力不足现象越来越明显。
许多作业项目如蔬菜、水果挑选及釆摘，蔬菜嫁接等都是劳动力密集型工作，再加上时令要求，劳动力问题很难解决。
正是基于这种情况，农业机器人应运而生。
使用农业机器人所带来好处有：
•提高作业率机器人作业比人工作业速度快、功率大且具有耐久性。
通过使用机器人能够提高作业效率，使适况适期作业变为可能。
•提高作业精度机器人能够提高作业精度，准确完成操作内容，这样可大大提高作物产量和均一质量，增加商品价值。
•节省劳力机器人作业能够弥补生物生产中劳动力不足，降低人工费用。
不受作业时期和时问限制，对于解决一些发达国家劳动力不足和老龄化问题是一项有效措施。
•无人化作业应用机器人系统，可实现生物生产作业高度自动化和无人化。
•对作业环境适应性机器人能够代替人工进行不适合人工完成简单、单调工作，也容易实现在特殊环境条件下所进行生物技术作业。
•减轻作业强度应用机器人，能够减轻在生物生产中枯燥、重体力、有危险或令人不快作业给劳动者精神和肉体上带来负担和强度。
现在已开发出来农业机器人有耕耘机器人、施肥机器人、除草机器人、喷药机器人、蔬菜嫁接机器人、收割机器人、釆摘机器人以及果实分拣机器人等。
其中，移栽、嫁接、喷农药、收获和继植机器人是儿种应用于植物工厂有代表性机器人。
移栽机器人
现在研制出来移栽机器人有两条传送带，一条用于传送插盘，另一条用于传送盆状容器。
其他主要部件包括插入式拔苗器、杯状容器传送带、漏插分选器和插入式栽培器等。
这种自动化移栽机器人移栽速度是人工5〜6倍。
嫁接机器人
嫁接机器人技术，是近年來在国际上出现一种集机械、自动控制及园艺技术于一体高新技术，它可在极短时间内，把蔬菜苗茎、秆直径为儿毫米砧木、穗木切口嫁接为一体，使嫁接速度大幅度提高，同时由于砧木、穗木接合迅速，避免了切口长时间氧化和苗内液体流失，从而大大提高嫁接成活率，因此，嫁接机器人技术被称为嫁接育苗一场革命。
从1986年起日本开始了对蔬菜嫁接自动化及嫁接机器人技术进行研究；
20世纪90年代初，韩国也开始了对自动化嫁接技术进行研究。
在蔬菜嫁接育苗配套技术方面，日本、韩国已生产出专门用于嫁接苗育苗营养钵盘。
在欧洲，一些农业发达国家如意大利、法国等，蔬菜嫁接育苗相当普遍，大规模植物苗工厂全年向用户提供嫁接苗。
由于这些国家尚未有自己嫁接机器人，所以嫁接作业部分仍采用手工嫁接，一部分采用口本嫁接机器人进行作业。
继植机器人
继植机器人由机械手、图像处理部分及计算机系统构成。
这是一种专门为组织培养开发出来智能化程度很高机器人。
生物技术作业特征是要在无菌状态下小心谨慎地处理微小易伤组织和幼植体。
脐月氐体、PLB、苗条原基等大量繁殖组织培养继代培养需要自动化。
植物组织继植机器人系统就是一种可替代人工组织培养操作、以减少污染行之有效方法。
中国农业科学院农业环境及可持续发研究所100081
环境监控技术在设施农业中应用来源：
《安徽农业科学》.-2009
（16）.-7672-7673作者：
梁竹君,武丽阅读次数：
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摘要：
设施农业中温室工程建设和发展是都市型现代化农业发展重要组成部分，也是设施农业发展高级阶段。
环境监控技术则是实现温室生产管理自动化、科学化基础。
在简述国内外温室环境监控技术发展概况基础上，分析了我国温室环境监控技术存在问题，同时展望了环境监控技术发展趋势。
随着现代农业发展，温室工
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