人造光植物工厂的发展现状及未来技术发展趋势
随着人口增长，耕地数量日益减少，食品安全和农业从业人员老龄化严重，植物工厂应运而生。工厂是一个高效的农业系统，通过设施内的高精度环境控制，实现农作物的全年连续生产。利用智能计算机和电子传感系统自动控制温度、湿度、光照、CO 2浓度、营养液等植物生长的环境条件，使设施内植物的生长发育不受或很少受自然条件的限制。目前植物工厂在光的利用方面主要分为两类，一类是日光利用型(也叫封闭式植物工厂)，采用的技术有现代营养液栽培技术和物联网环境调控技术；一种是人造光利用，是植物工厂的高级形式。本文将介绍人造光植物工厂的发展现状和技术趋势。
人造光植物工厂的发展现状
国外发展状况植物最早起源于日本。20世纪80年代，日本、荷兰等国成立了植物工厂协会，促进了植物工厂在世界范围内的普及和发展。随着日本福岛核事故的发生，日本政府对人造光植物工厂商业化生产的支持力度不断加大。截至目前，日本约有250家人造光植物工厂，其中约30%盈利，50%平衡，约20%亏损。从植物种类来看，除了草莓和草本植物外，主要有包括生菜、菠菜和冰草在内的叶类植物。植物工厂技术的研发不再局限于科学研究，还包括电子、医疗、能源、材料、房地产等诸多领域。其中，富士通的低钾叶莴苣(生菜)通过技术创新，满足了器官移植人群的需求，并已实现量产。未来人造光植物工厂将向产业化、自动化、小型化方向发展。
目前，日本在发展人造光植物工厂方面的投资主要集中在人造光源、节能调控、系统设计与建设、营销策略与市场开发、植物的次生代谢与功能成分等方面。除日本外，韩国也对LED厂商进行了相关技术的RD和商业推广。美国重点推广垂直农业和创新LED应用技术，荷兰等欧洲发达国家率先开展LED立体栽培和温室光照补充实验。在温室规模建设方面，荷兰主要采用大型连栋温室，日本和韩国主要采用小规模家庭管理，但也有面积达5万hm 2的温室。日本和韩国在设施园艺栽培技术方面远远落后于荷兰。为了与荷兰温室园艺的“长季节挂藤”栽培模式竞争，日本实行了“低段高密度”的复种栽培模式，韩国则通过农业互联网信息技术的应用，提高了设施园艺的产量。总的来说，日本种苗生产企业的专业性很强，在日光种苗生产和人造光种苗生产方面都取得了辉煌的成就。
国内发展状况
国内植物工厂起步较晚，但发展迅速。一经推出，就引起了行业内外的关注，建成了一些规模较大的典型企业。经过20年的发展，全国约有6000个农业科技观光园，都建有示范组培设施和大型温室设施，在一些新建的园区还建有示范人造光植物工厂。如九五期间国家科委的“国家重大科技产业化项目——工厂化高效农业示范工程”。随着中国农业科学院等科教机构对水培技术研究的深入，2004年国内第一家植物工厂成立，开启了中国农业智能化发展的新篇章。2009年7月，长春农业博览园建成小型植物工厂用于展览；同年，中国农业科学院杨其昌教授团队研发出智能植物工厂，标志着智能植物工厂技术的进一步发展。2010年在北京通州建立了1289㎡的植物工厂，丽水农科院智能温室、植物气雾培养技术等创新技术日趋成熟。中国也是掌握植物工厂核心技术的国家之一。目前，人造光植物工厂已进入示范生产阶段。
近年来，国内不少LED厂商也在植物生长灯和植物工厂方面进行了RD尝试和业务拓展，并在宣传中均表示有可行的植物工厂实施方案，但在商业推广上没有相关规模的植物工厂和相应的示范设施。2013-2017年，中国科技部启动的863项目“智能植物工厂生产技术研究(2013AA103000)”是一个以植物工厂技术为主的研究项目。
2014年统计年报显示，我国设施园艺面积超过205万hm 2，设施类型南北差异较大。北方以日光温室和春秋温室为主，南方以塑料温室和避雨棚为主。相比较而言，南方具有环控功能的连栋温室面积较小。
人造光植物工厂的技术趋势
随着人造光植物工厂的产业化发展，中国的蔬菜供应市场首先受到冲击。鉴于我国蔬菜种植面积大、品种多、价格低的特点，人造光植物工厂的产业化发展必然存在各种困难和障碍。虽然困难重重，但人工智能、大数据等技术的应用，以及产学研的深入融合发展，为人造光植物工厂的生产提升和销售对接提供了很好的平台，人造光植物工厂的技术水平也在不断提升。目前广泛应用的核心技术及其未来发展趋势如下。无土栽培技术
无土栽培技术包括固体基质栽培和非固体基质栽培两种基本类型，非固体基质栽培又可分为水培和雾培两种不同形式。人造光植物工厂在技术应用上对洁净度要求很高。目前应用最广泛的有平面多层立体栽培、营养液水培和与多面体立体栽培相配套的气雾栽培。相对来说，后者用的很少。
在无土栽培技术的应用中，营养液的配方选择是关键。现有的营养液有100多种。研究表明，营养液中的矿物质元素直接影响植物的生长。孙等人发现山崎番茄配方对番茄生长有较好的促进作用。叶菜无土栽培实验中，荷兰温室配方和华南农业大学叶菜配方普遍表现良好。
在人造光植物工厂里，营养液是必不可少的。营养液需要循环使用，所以消除营养液中自毒物质的技术非常重要。目前广泛应用的有紫外线消毒、紫外线-臭氧联合消毒、高温消毒、慢砂滤等形式，但对积累自毒物质的去除研究较少。现有的去除营养液中自毒物质的方法有活性炭吸附和纳米TiO 2光催化。其中活性炭吸附技术由于重复使用率低，不常使用；纳米TiO 2光催化可有效降解紫外线照射后营养液中的六种有害物质。
由于各地自然资源和无土栽培技术的差异，我国的开发应用不能照搬国外的模式。要充分考虑我国人口多、耕地面积小的特点，结合当地实际情况，因地制宜采取差异化的生产方式和管理模式，加大立体栽培技术研发力度，提高土地利用率和单位面积产量。为了进一步降低无土栽培的成本，提高技术应用的经济效益，今后应加强无土栽培设施替代品的研究，提高该技术的实用性，如用炉渣和锯末代替蛭石和泥炭基质。此外，在节能环保的新发展理念下，有机生态无土栽培技术将因其低投入、低工作量的优势占领未来市场，推动现代农业的快速发展。
照明技术
在照明技术的应用中，应注意三个要点。一、光源设备的选择。在人造光植物工厂里，白炽灯、高压钠灯、荧光灯等。在过去被用作基本设备。目前，LED灯具以其占地面积小、使用寿命长、效果好、可控性高、节能性强等优点被广泛应用。二是光环境控制技术的应用。在人造光植物工厂的生产中，光源主要依靠手工制造。LED灯以其独特的优势，在实践中可以七个维度空调节植物生长，满足对光照强度、大小、朝向的不同要求。光照强度是植物光合作用的基础。通过生产研究发现，叶类蔬菜苗期光照强度应控制在100 ~ 150 μm ol/(m2·s)，后期300 μm ol/(m2·s)，瓜苗200 μm ol/(m2·s)，茄子苗200 μm ol/(m2·s)。由于生产条件和作物类型不同，对光照强度的需求也不同。所以量产前要做实验，确定最佳的光照强度。需要注意的是，植物在接受自然光进行光合作用时，有效辐射率只占一半，其中红蓝光波段对植物生长尤为重要。因此，在人造光植物工厂中，植物经常受到红蓝复合光照，并严格控制光照的频率和持续时间，以提高植物产量。但目前植物工厂光环境控制的研究多以经验为主，因此未来植物光质生物学的技术研究将成为重点。第三，红蓝光的匹配技术。周华等人发现，与蓝光相比，用纯红光处理的叶菜产量更高。
光照技术作为当前设施农业的核心技术，程序和实施过程复杂。经过多年的发展，照明技术也呈现出越来越微观和渐进的变化。未来其发展机会会更多，向增材制造、微型光谱仪、智能工厂、照明控制等方向发展。以照明控制为例，未来可以利用行车照明技术，通过机器视觉中的快速图像序列，获取智能相机中的多角度照明信息，从而确定最佳照明时长。
环境控制技术
植物的工厂化生产需要标准化和高效率，因此需要加强环境控制来提高植物的生长效率，因此环境控制技术显得尤为重要。目前在植物工厂中，环境控制技术大多是通过计算机和传感器系统的运行，满足植物生长所需的温度、湿度、光照强度和CO 2浓度，从而完成植物工厂的全面监控和高效持续生产。目前常用的控制系统结构主要包括环境因子数据采集功能模块、中央处理器模块、执行控制输出模块、SD卡数据存储功能模块和人机交互功能模块。
随着计算机技术、网络技术、农业技术和机电一体化技术的不断发展和进步，温室技术也将迎来一次新的技术革命，并将继续朝着智能化程度更高、操作更方便、管理更多样化、经济效益更高的方向发展。
摘要
2013年，我国将该植物工厂列入国家“863”科技发展计划。目前，各种高新技术正不断应用于人造光植物工厂。未来将向集约化、产业化、智能化、网络化、多功能方向发展。人造光植物工厂虽然前景光明，但并不适合所有地区，其全面普及尚需时日。因此，在今后的应用和推广中，要和其他农业技术一样，因地制宜，科学规划，最大限度地发挥其优势。
