崧盛

近年来,随着世界人口、资源、环境问题的日益突出,植物工厂这种设施园艺生产系统受到了世界各国前所未有的关注和青睐,得以快速发展。

实际上,植物工厂是高技术密集型产业,在一定程度上确实能够解决社会、农业问题,应对全球气候变化问题,具有其他生产方式无法比拟的突出优势。

（一）营养液循环与控制系统

营养液栽培是人工光植物工厂的主要栽培方式，具体使用最为普及的有深液流（DFT）和气雾栽培两种栽培模式，这两种模式均可采用封闭式营养液自动循环系统进行植物栽培的全过程管理，封闭式营养液自动循环系统主要由营养液罐、检测传感器（EC、pH、DO和液温等）、循环水泵、过滤与消毒装置、电磁阀与连接管路、栽培床以及自动控制装置等部分组成。在系统运行过程中，通过各传感器在线实时检测营养液罐内的 EC、pH、DO 和液温等参数，并由控制软件确定是否需要调整，如需调整，则由电磁阀控制与营养液罐相连的调配罐组合（包括大量元素、微量元素、酸液、碱液罐等），实现对营养液浓度的自动调配；营养液的液温则是通过加热或制冷装置来控制，溶氧量的提升主要是通过搅拌装置或加强营养液的循环流动来调节。调配好的营养液由循环管路直接送到栽培床或由气雾装置送到植物根部，持续不断地为作物的生长提供营养；回流液再通过过滤与消毒后再次回流到营养罐中，完成一个营养液的循环。

（二）环境控制系统

植物工厂的环境控制主要由植物工厂洁净系统、温度调节系统、湿度调节系统、CO2调节系统等。

1、植物工厂的洁净系统

植物工厂的洁净系统由空气净化处理系统及其相应的配套系统来实现，净化处理过程一般采用初效、中效、高效三级过滤经过处理的空气由通风管由顶部送入植物工厂，回风由底部两侧的回风口送回来实现循环。回风口安装有初效过滤器，回风空气经调温、调湿、CO2 气体释放后，在经过中效过滤器和末端的高效过滤器处理后，再次通过顶部送风口的散流板送入植物工厂内部，实现植物工厂空气的净化处理和循环利用。

2、温度调节与控制

植物工厂内的气温和栽培床营养液的温度对作物的光合作用、呼吸作用、光合产物的输送和积累、根系的生长和水分养分的吸收以及根、茎、叶、花、果实各器官的发育生长，具有显著的影响。作物的生育温度随作物种类、品种、生育阶段及生理活动的昼夜变化而变化。通常评价温度对植物的影响主要采用三基点温度，即最低温度、最适温度和最高温度，一般植物的光合作用最低温度为0~5℃，最适温度为20~30℃，最高温度为 35~40℃。只有在最适温度下，植物的生长、生理活动才能够正常进行，并且具有较高的光合作用产物积累速率。

植物工厂内温度调控手段主要有降温控制和加温控制。降温调节一般采用空调制冷机组来完成，通过控制继电器的闭合与断开，实现空调制冷机组的开启与关闭。首先是由温度传感器进行数据采集输出模拟信号，传递给温度控制计算机系统，从而实现温度调节。加温调节在寒冷地区植物工厂一般采用热水供暖系统。供暖系统由热水锅炉、供热管道和散热器等组成。水通过锅炉加热后经供热管道进入散热器，热水通过散热器加热空气，冷却后的热水回流到锅炉中重复使用。

3、湿度调节与控制

植物工厂内空气的相对湿度决定了作物叶面和周围空气之间的水蒸气压力差，影响作物叶面的蒸发。湿度的大小不仅影响作物蒸腾与地面蒸发量，而且还直接影响作物光合强度与病虫害发生。湿度低，作物叶面蒸发量大，严重时导致根部供水不足，作物体内水分减少，细胞减小，气孔率降低，光合产物减少；湿度高，作物叶面蒸发量小，严重时体内水分过多，导致茎叶增大，影响产量。另外，湿度高于90%时，作物会因高湿而产生病害；在湿度过低时，作物容易发生白粉病及虫害。

植物工厂降湿调节通常采用通风换气、加热和热泵等方法降低植物工厂内的空气湿度，而在干旱的季节，当室内相对湿度低于40%时，植物工厂就要进行加湿处理，加湿的方法有喷雾加湿与超声波加湿等。

4、CO2调节系统

CO2是植物生长的重要原料。绿色植物在光照条件下，叶绿体将和水（H2O）和二氧化碳（CO2）合成有机物。叶片周围空气中 CO2的浓度与光合作用的关系：从CO2补偿点至饱和点，光合速率大体随 CO2浓度的增加呈线增长；当CO2浓度超过饱和点，在一定范围内，光合速率也与 CO2浓度无关；当CO2浓度上升到 0.4%~0.7%，则引起气孔关闭，光合速率下降，以致光合作用停止。由此可见，当空气中 CO2 浓度远低于CO2饱和点、尚不能满足光合作用的需要时，增加CO2浓度有利于光合速率的提高。另一方面，CO2浓度升高会缩小气孔开度，使气孔阻力增大，在一定程度上抑制了 CO2 的输送和光合速率增长。而气孔阻力增大，又会影响水汽扩散，蒸腾作用减弱，从而提高作物的水分利用率。

目前，CO2施肥的方式有很多种，主要包括如下3种：

（1）瓶装液态CO2将气态 CO2压缩于钢瓶内成为液态，使用时打开阀门即可使用，方便、安全，浓度易于调控

（2）碳氢化合物燃烧产生CO2煤油、液化石油气、天然气、丙烷、石蜡等物质的燃烧，可生成较纯净的 CO2，通过管道送人植物工厂。

（3）化学反应法产生CO2用碳酸钙（CaCO3）加盐酸（HCl）或硫酸（H2SO4）经化学反应后可产生纯净的CO2，使用方便，原料丰富价廉。

（三）人工光源系统

“万物生长靠太阳”，光不仅是植物进行光合作用等基本生理活动的能量源，而且也是花芽分化、开花结果等形态建成的动力源，光照条件的好坏还直接影响植物的产量和品质。自然界中的光照主要来自于太阳，而在人工光植物工厂中，太阳光难以进入完全密闭的环境，植物的光合作用主要依赖于人工光源。因此，在人工光植物工厂中构建合理的人工光源系统显得尤为重要。

在植物工厂中，植物对人工光源的要求主要体现在三个方面，即光谱性能、发光效率以及使用寿命等。在光谱性能方面，要求光源富含 400~500nm 蓝紫光和600~700nm 红橙光，适当的红光、蓝光比例（R/B），适当的红光（600~700nm）、远红光（700~800nm）比例（R/FR），以及具有其他特定要求的光谱成分（如补充紫外光不足等），既保证植物光合作用对光质的需求，又要尽可能减少无效光谱和能源消耗。

在其他性能要求方面，希望使用寿命尽可能长一些，光衰小一些、价格相对低一些等。

到目前为止，植物工厂中使用的人工光源主要有高压钠灯、金属卤化物灯、荧光灯、发光二极管（LED）和激光（LD）等。

1、高压钠灯

是在放电管内充高压钠蒸气，并添加少量的氙和汞等金属的卤化物帮助起辉的一种高效灯。特点是发光效率高功率大、寿命长；但光谱分布范围较窄，以黄橙色光为主。但由于高压钠灯所发出的光谱成分主要集中在黄橙光波段，缺少植物生长所必需的红色和蓝色光谱，而且这种光源还会发出大量的红外热，难以近距离照射植物，致使植物工厂的层间距加大，不利于多层立体栽培。因此，近年来人工光植物工厂已经很少采用高压钠灯。

2、金属卤化物灯

是在高压水银灯的基础上，通过在放电管内添加各种金属卤化物（溴化锡、碘化钠、碘化铊等）形成的可激发不同元素产生不同波长的一种高强度放电灯。发光效率较高、功率大、光色好（可改变金属卤化物组成满足不同需要）、寿命较高（数千小时）。

3、荧光灯

是指低压气体放电灯，玻璃管内充有水银蒸气和惰性气体管内壁涂有荧光粉，光色随管内所涂荧光材料的不同而异。管内壁涂卤磷酸钙荧光粉时，发射光谱范围在350~750nm，峰值为560nm，较接近日光。荧光灯光谱性能较好，发光效率较高，功率较小，寿命长，成本相对较低。此外，荧光灯自身发热量较小，可以贴近植物照射，植物工厂中可以实现多层立体栽培，大大提高了空间利用率。但荧光灯自身也有不少缺陷，无论何种类型的荧光灯都缺少植物需要的红色光谱，为了弥补红色光谱的不足，通常在荧光灯管之间增加一些红色 LED 光源；而且直管型荧光灯中间的光照度较大，因此还要设法通过荧光灯的布局，使光源尽可能做到均匀照射；同时，荧光灯管一般不能带有灯罩，照射时向灯管顶部和栽培床侧面会散射出较多的光，相应地减少了照射到植物体的光源能量。目前，国际上比较常用的方法是增设反光罩，尽可能地增加植物栽培区域的有效光源成分。

4、发光二极管（LED）

是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，使半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，产生可见光。LED 能够发出植物生长所需要的单色光（如波峰为 450nm 的蓝光、波峰为 660nm 的红光等），光谱域宽仅为士20nm，而且红、蓝光LED组合后，还能形成与植物光合作用与形态建设基本吻合的光谱。LED 的开发与应用为密闭式植物工厂的发展提供了良好的契机，可以克服现有人工光源的不足，使密闭式植物工厂的普及应用成为可能。

与普通荧光灯等相比，LED 主要具有以下显著优势：①节能。LED 不依靠灯丝发热来发光，能量转化效率非常高。②环保。现在广泛使用的荧光灯等人工光源中含有危害人体健康的汞，这些光源的生产过程和废弃的灯管都会对环境造成污染，而 LED 则没有任何污染，并且发光颜色纯正，不含紫外和红外辐射成分，是一种“清洁”光源。③寿命长。LED 是用环氧树脂封装的固态光源，其结构中没有玻璃泡、灯丝等易损坏的部件，耐震荡和冲击，寿命达5万小时，是荧光的 5 倍，是白炽灯的 100 倍。④单色光。LED发出的光为单色光，能够自由选择红外、红色、橙色、黄色、绿色、蓝色等发光光谱，可按照不同植物的需要将他们自由组合利用。⑤冷光源。由于 LED 发出单色光，没有红外和远红外的光谱成分，是一种冷光源，可以接近植物表面照射而不会出现灼伤叶片的现象，并且它的体积小，可以自由设计光板的形状，极大地提高了光源利用率和土地利用率。

因此，LED光源被认为是密闭式植物工厂的理想光源，能够降低密闭式植物工厂的能耗和运行成本，提高光能利用率和光环境的控制精度。

（四）计算机智能控制系统

植物工厂采用计算机系统作为其核心控制部分，所有的环境信息通过传感器进入计算机系统进行储存、显示，并通过控制软件进行分析、判断，再指挥相关的执行机构完成对系统的控制。计算机控制系统主要由三部分组成，即数据采集单元、控制器和执行机构。各传感器对植物工厂内的湿度、温度、CO2、光照以及营养液等参数进行实时检测，经信号转换器后输入单片机，完成数据的采集，采用 PLC 为核心控制器，PC 机与组态软件作为监控模块，两者通过串口进行通信来控制系统的执行部件，从而实现整个过程的智能化、人性化控制。

崧盛电源是服务于全球的驱动电源企业，在植物照明行业深根多年，拥有众多植物照明系列产品，其中包括：植物照明电源、植物工厂、室内植物照明灯及植物照明解决方案，可促进植物进行光合作用，提高植物的品质和产量，崧盛致力于为农业生产尽自己一份力。