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当前植物工厂所面临的主要问题及解决思路 　　【摘要】本文提出了一种全新的基于植物生长规律及特性的流水生产线式植物工厂。这种植物工厂由硬件系统与软件系统构成，通过对硬件系统的分析，提出了节能减耗、降低硬件成本的几种有效方案。在软件方面，我们致力于寻找基于植物生长规律及特性的生产流水线，该“流水线”式植物工厂能提供一种可扩展式植物生产方式，模拟植物的最佳生长环境，能用最少的投入和最低的能耗生产出质量好、数量高、周期短的“产品”。因此，这种植物工厂具有成本低、效益高的优点，既有利于大规模的工业化推广，又有利于小型智能化家庭植物工厂的选用 目前，由于人口快速增长、耕地日益减少、土地资源短缺、生物环境污染、农药化肥滥用等问题，使得人们必须的传统粮食作物和蔬菜等生产在产量与安全上都面临着巨大的挑战；另一方面，随着人们生活水平的不断提高，对食物在卫生、营养、健康、绿色等方面的要求越来越高[1]。解决上述矛盾的最有效的方法是建立植物工厂。植物工厂，从广义上讲涵盖了从利用自然光到人工光和混合光源的所有设施园艺，从狭义上讲则是专指利用环境自动控制、电子技术、生物技术、机器人和新材料等进行植物周年连续生产的系统，也就是利用计算机对植物生长的温度、湿度、光照、CO2浓度和营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生长不受自然气候制约的省力型生产[2-5]。除有特别说明的以外，本文所指的都是狭义的人工光型植物工厂，这类植物工厂发展到高级阶段将完全采用工业化、程序化的生产模式，最终实现栽培环境的最优化，所生产出的植物品质好、产量高、周期短、速度快、污染少、效益高，具有传统栽培模式无法比拟的优势，代表着未来农业的发展方向，是植物栽培的最高境界[6-9]。其优势集中表现为以下几点：首先是较高的农业生产率，在有限的土地上利用智能化的环境控制和立体栽培技术，提高土地产出率和劳动生产率；其次是扩展了种植范围，使寒冷、酷热、沙漠、甚至太空等不毛之地的农业生产成为可能；再次是好的工作环境，植物工厂内的作业环境优越，实行机械化生产节省劳动力，使劳动生产率周年平均化；再者是优的产品质量，可进行无农药生产，提供新鲜且品质高的绿色食品；最后是稳定的生产效率，利用营养液栽培减少连作障碍，周年有计划地生产。植物工厂生产的对象丰富，可包括蔬菜、花卉、药材、果树、食用菌和部分大田作物等 面临的主要问题 植物工厂自身存在众多优点，近几年无论是在数量、规模上还是在质量和效率上都得到了相当的发展。尽管如此，当前植物工厂在发展和推广上仍存在一些“瓶颈”问题，主要体现在以下几个方面： 植物工厂普遍存在成本高的问题 当前，植物工厂造价高，最低造价每平方米也在千元以上，最高可达几万元，高昂的成本严重地限制了技术的推广。成本较高的原因主要包括两个方面：一是前期投入成本比较高。植物工厂是设施农业，需要通过人工光源或者补光系统、营养液设备和智能监控系统等外在硬件设备，以及对温、光、水、气、肥等环境的智能调控管理，而这些设施成本较高。尽管植物工厂在产量和效率方面有突出的优点，但高昂的初始投入和后续维护成本问题也同样明显。一个中等规模的植物工厂建成需要十几万元，甚至更高的投入，这在相当程度上影响了它的普及与推广。二是植物工厂耗电量巨大，有的耗电成本投入甚至大于产出价值，这在家庭植物工厂中表现尤其明显。而且后期对植物工厂的维护与管理还要有一笔开支。因此，如何降低成本是解决制约植物工厂进一步发展与推广的最主要“瓶颈”问题 对作物生长规律的研究不够深入，且研究对象较单一 目前，对作物在植物工厂中生长规律的研究不够深入，所涉及的作物种类较少。能根据作物的生长规律及特性而制定出的标准化、程序化、专家化的生长指标很少。众所周知，不同作物的生长所需要的光照、温度、湿度、CO2和营养条件等都不相同，即便是同种作物在不同生长时期对环境的需求也不相同。因而不可能用一个统一的生长模式来对所有植物的生长过程进行控制，而是要根据不同的植物制定出适宜的外部生长环境。但到目前为止，对作物在实际生产中，还缺乏精细的生产指导和必要的数据支持。这一问题如果没有很好的解决，将导致作物在植物工厂中的生长效果不佳且生产效率低下。例如，近年来研究者以生菜和黄瓜等为研究对象，进行光照、温度、湿度和营养液等人工环境控制的研究[10]，但研究得还不够深入，还很难做到类似工业化的精细生产和管理。再者，研究对象多局限在生菜和黄瓜等十分有限的几种类型。如果消费者想生产其他类型的作物，就会因为没有相应的指导数据而使产量和效率低下，浪费宝贵的能源。因此，丰富植物工厂作物生产管理指导就成为植物工厂发展过程中所需解决的另一个基本问题 植物工厂智能化程度低，操作较为烦琐 随着人们生活节奏的不断加快，以及对生活品质要求的不断提高