植物工廠（plant factory）的概念最早是由日本提出來的。植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是利用計(jì)算機(jī)對(duì)植物生育的溫度、濕度、光照、CO?濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制，使設(shè)施內(nèi)植物生育不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)。植物工廠是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，是現(xiàn)代生物技術(shù)、建筑工程、環(huán)境控制、機(jī)械傳動(dòng)、材料科學(xué)、設(shè)施園藝和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科集成創(chuàng)新、知識(shí)與技術(shù)高度密集的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。

工人正在記錄植物的生長狀況

1957年世界上第一家植物工廠 誕生在丹麥，1974年日本等國也逐步發(fā)展起來。美國猶他州立大學(xué)試驗(yàn)用植物工廠種植小麥，全生育期不到2月，一年可收獲4－5次。 20世紀(jì)60年代初次進(jìn)行植物工廠的試，并開始推。1964年奧地利開始試驗(yàn)一種塔式植物工廠（高30米、面積5000平方米）。1971年丹麥也建成了綠葉菜工廠，快速生產(chǎn)獨(dú)行菜、鴨兒芹、萵苣等。 1974年日本建成一座電子計(jì)算機(jī)調(diào)控的花卉蔬菜工廠，該廠由1棟2層的樓房（830平方米）和兩棟栽培溫室（每棟800平方米）構(gòu)成，在一年內(nèi)生產(chǎn)兩茬金香、兩茬壟民花、一茬番茄，做到周年生產(chǎn)。至1998年，日本已有用于研究展示、生產(chǎn)的植物工廠近四十個(gè)，其中生產(chǎn)用植物工廠17個(gè)。2004年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)了利用嵌入式網(wǎng)絡(luò)式環(huán)境控制的人工光型密閉式植物工廠。

典型植物工廠的結(jié)構(gòu)

分類

關(guān)于植物工廠的分類，因所持的角度不同，其劃分方式也各異。 1.從建設(shè)規(guī)模上來分可分為大型（1000m以上）、中型（300~1000m）和小型（300m以下）三種； 2.從生產(chǎn)功能上來分可分為植物種苗工廠和商品菜、果、花植物工廠，還有一部分大田作物、食用菌等； 3.從其研究對(duì)象的層次上又可分為以研究植物體為主的狹義的植物工廠、以研究植物組織為主的組培植物工廠、以研究植物細(xì)胞為主的細(xì)胞培養(yǎng)植物工廠。 4.按光能的利用方式不同來劃分，共有三種類型，即太陽光利用型（簡稱太型）、人工光利用型或者叫完全控制性（簡稱完型）、太陽光和人工光并用型（綜合型）。其中，人工光利用型被視為狹義的植物工廠，稱為密閉式植物工廠或者叫完全控制性（簡稱完型），它是植物工廠發(fā)展的高級(jí)階段。廣義上來說，植物工廠由分為溫室型半天候的植物工廠和封閉式全天候的植物工廠，包含了豆芽菜、蘑菇、蘿卜纓等的生產(chǎn)工廠；半自動(dòng)控制的溫室水耕系統(tǒng)；種苗繁育系統(tǒng)或人工種子生產(chǎn)系統(tǒng)。但目前，比較習(xí)慣的分類方法是按照植物生長中最重要的條件之一光能來分類的。

主要特征

植物工廠的共同特征是：有固定的設(shè)施；利用計(jì)算機(jī)和多種傳感裝置實(shí)行自動(dòng)化、半自動(dòng)化對(duì)植物生長發(fā)育所需的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間和CO?濃度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控；采用營養(yǎng)液栽培技術(shù)；產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量大幅度提高。

環(huán)境要求

走進(jìn)植物工廠，室內(nèi)布滿栽培架，上面種滿生菜、小白菜等蔬菜植物。墻上的顯示屏正報(bào)告著溫度、濕度等數(shù)據(jù)。植物工廠是給植物提供合適生長環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)備，分為植物苗工廠和蔬菜工廠兩部分。植物工廠是國際上公認(rèn)的設(shè)施農(nóng)業(yè)最高級(jí)發(fā)展階段，是一種技術(shù)高度密集、不受或很少受自然條件制約的全新生產(chǎn)方式。目前，僅有日本、美國等少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握這項(xiàng)技術(shù)。植物工廠以節(jié)能植物生長燈和LED為人工光源，采用制冷—加熱雙向調(diào)溫控濕、光照—二氧化碳耦聯(lián)光合與氣肥調(diào)控、營養(yǎng)液在線檢測與控制等13個(gè)相互關(guān)聯(lián)的控制子系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)對(duì)植物工廠的溫度、濕度、光照、氣流、二氧化碳濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)智能化管理。

植物工廠內(nèi)景

收獲快速

通過對(duì)工廠內(nèi)環(huán)境的高精度控制，植物的生長在這里幾乎不受自然條件的制約，生長周期加快?，F(xiàn)在工廠內(nèi)種植的生菜、小白菜等，20天左右就能收獲，而在普通的大田里，則需要一個(gè)月到40天的時(shí)間。除了收獲快，空間利用率高也是植物工廠的重要特點(diǎn)。在工廠內(nèi)看到的都是三層的栽培架，從面積上就相當(dāng)于同樣大小露天耕地的三倍，加上其種植密度大，因此，植物工廠的產(chǎn)量可以達(dá)到常規(guī)栽培的幾十甚至上百倍。菜種植之外，植物工廠在育苗上也有應(yīng)用。在黃瓜和番茄的育苗方面都做了實(shí)驗(yàn)。相比蔬菜生產(chǎn)，育苗的周期更短，一般為一周左右。雖然常規(guī)栽培的周期也不是很長，但在育苗的整齊和健壯度上不如工廠的產(chǎn)品。畢竟大田的不可控因素太多，今天光照也許很好，但明天可能陰天，后天有可能降溫，而這些在工廠里都可以得到控制。

營養(yǎng)生長

不靠太陽不用土，這是營養(yǎng)液在循環(huán)，用來固定植株的塑料泡沫板掀起，原來植物的根系根本不是生長在土壤里，而是完全浸泡在營養(yǎng)液中，土壤的作用是提供營養(yǎng)元素和水分，而營養(yǎng)液除了提供水分，也提供了植物生長所需的各種元素，包括氮磷鉀等大量元素及鋅鐵錳等微量元素，因此沒有必要使用土壤栽培。無土栽培的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，而且水栽比土栽的生長周期要快很多，也是使用水栽的重要原因。

墻上顯示器上有營養(yǎng)液監(jiān)控的數(shù)據(jù)，那是對(duì)營養(yǎng)液溫度控制的參數(shù)。在寒冷的天氣中，系統(tǒng)會(huì)對(duì)營養(yǎng)液進(jìn)行加熱，如果溫度很低，會(huì)對(duì)植物的根系造成傷害。植物工廠的小屋沒有窗戶，外界的光線幾乎無法進(jìn)入，萬物生長靠太陽這句俗語人人皆知，但工廠內(nèi)的植物卻不見天日，難道它們生長不靠陽光？

LED燈照明

根據(jù)不同植物使用不同波長的光進(jìn)行照射

“完全不用陽光”，在每個(gè)栽培架上，都裝有一塊燈板。不同的是左側(cè)是LED(發(fā)光二極管)燈，右側(cè)是熒光燈。兩種燈光都能滿足植物生長的需要，只是LED比熒光燈更加節(jié)能。 LED燈板以紅燈為主，中間按一定距離均勻分布著藍(lán)燈，比例大概為8∶1到9∶1，太陽光對(duì)于植物而言是全波段的，紅光、藍(lán)光、紫外線、紅外線等都包括，但實(shí)驗(yàn)顯示，植物吸收的光線波段主要是紅光和藍(lán)光，比例超過60%。因此將紅光和藍(lán)光按照一定配比制成光源，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。去掉那些部分，不會(huì)影響植物品質(zhì)。他們做過實(shí)驗(yàn)，這種環(huán)境下成長起來的植物，維生素和糖的含量幾乎沒有變化。由于植物工廠內(nèi)環(huán)境可控性強(qiáng)，栽培環(huán)境的二氧化碳濃度可以得到大幅增加，使植物的光合效率提高，植物生物量的形成和營養(yǎng)物質(zhì)的積累，都是常規(guī)栽培的幾倍。

成本較高

盡管植物工廠在產(chǎn)量和效率方面優(yōu)點(diǎn)突出，但存在的問題也同樣明顯，那就是高昂的成本，在一定程度上影響了它的推廣。一個(gè)一般規(guī)模的植物工廠，建成需要十幾萬元的投入，后期的運(yùn)行和維護(hù)也是一筆花銷，因此如何降低成本是下一步所要面對(duì)的問題。 在降低建設(shè)成本方面，他們將主要致力于新材料的研發(fā)，制作出成本低、隔熱保溫性能好、便于安裝的新材料。而在運(yùn)營方面，除了盡可能減少動(dòng)力方面的消耗外，新能源的利用也是重要的手段。如果能使用太陽能、風(fēng)能等清潔能源，雖然會(huì)增加前期投入，但運(yùn)營費(fèi)用也會(huì)大大降低。那么植物工廠這種生產(chǎn)方式，植物工廠將來肯定會(huì)走向普及，但由于其需要一定的投入，因此全部使用它來供應(yīng)糧食蔬菜并不現(xiàn)實(shí)，但在一些特殊環(huán)境下，比如極地或太空中，它作為主要供應(yīng)方式還是有可能的。