植物工厂如何实现产业化?

发表于 : 2022-05-30 来源:崧盛电源

目前,植物工厂已成功实现黄瓜、番茄、辣椒、茄子、西甜瓜等蔬菜秧苗的繁育,为农户批量供给优质秧苗,且定植后的生产性能更优。植物工厂已经成为蔬菜产业秧苗供给的重要手段,在促进蔬菜产业供给侧结构改革、保障城市蔬菜供应和蔬菜绿色生产中扮演越来越重要的角色。


植物工厂秧苗繁育系统设计及关键技术装备


作为当前最高效的农业生产系统,植物工厂秧苗繁育系统集成了包括人工照明、营养液供给、立体环境控制、自动化辅助作业、智慧生产管理等综合技术手段,同时融合了生物技术、信息技术与人工智能等高新技术成果,推动产业不断发展。


LED人工光源系统


人工光环境构建是植物工厂秧苗繁育系统的核心技术之一,同时也是秧苗生产的主要能量消耗来源。植物工厂光环境可塑性强,可从光质、光强及光周期等多个维度对光环境进行调控,同时在时序上对不同光照因子进行优化组合,形成秧苗培育的光配方,保障秧苗人工培育的适宜光环境。因此,基于不同秧苗生长的需光特性和生产目标,通过优化光配方参数和供光策略,研发出专用节能LED光源,可以大大提高秧苗光能转化效率,促进秧苗生物量积累,提升秧苗生产品质,同时可以减少能量消耗,降低生产成本。此外,在秧苗的驯化、嫁接苗愈合等过程中,光环境调控也是一种重要的技术手段。


可分离式多层立体育苗系统


植物工厂秧苗繁育采用多层立体式层架进行,通过模块化系统设计,可实现育苗系统的快速组装。层架间距可灵活调节,满足不同品种秧苗繁育的空间需求,极大提高空间利用率。此外,苗床系统和照明系统、水肥灌溉系统的分离式设计,可使苗床兼具运输功能,方便移动于播种、催芽及驯化等不同作业车间,减少苗盘搬运人力消耗。


水肥灌溉主要采用潮汐式、喷淋式等方式,通过营养液供给时间及频率的精确控制,实现水和矿物营养的均匀供给和高效利用。结合秧苗专用营养液配方,满足秧苗生长发育需要,保证秧苗的快速健康生长。此外,通过在线营养离子检测系统和营养液灭菌系统,可对营养成分进行及时补充,同时避免微生物及次生代谢物质积累影响秧苗的正常生长。


环境控制系统


精准高效的环境控制是植物工厂秧苗繁育系统的主要特征之一。植物工厂的外维护结构一般由不透光、绝缘性强的材料组装而成,在此基础上光照、温度、湿度、风速、CO2的调控几乎不受外界环境影响。通过CFD模型构建优化风道布局,结合微环境调控手段,可实现高密度培养空间内温度、湿度、风速、CO2等环境因子的均匀分布。智能环境调控采用分布式传感器和触点式控制来实现,通过监控单元和控制系统的连接进行整个培育环境的实时调控。此外,水冷光源的使用和水体循环,结合引入室外冷源可实现节能降温,减少空调能耗。


自动化辅助作业装备


植物工厂秧苗繁育作业流程严密,作业密度大,空间紧凑,自动化辅助装备必不可少。使用自动化辅助装备不仅有利于减少人工消耗,同时还有助于提升培育空间使用效率。目前已开发的自动化装备包括穴盘覆土机、播种机、嫁接机、AGV物流输送小车等,在配套智慧管理平台的控制下基本可以实现秧苗繁育全流程的无人化作业。此外,机器视觉技术在秧苗繁育过程中也担负着越来越重要的角色,不仅有助于秧苗生长状态的监测,辅助商品苗出库管理,还可进行弱苗、死苗的自动甄别,配合机械手进行剔除和补苗。


植物工厂秧苗繁育优势


环境控制水平高 可实现周年生产


由于秧苗繁育的特殊性,其培育环境的控制至关重要。在植物工厂条件下,光、温、水、气、肥及CO2等环境因子受控程度高,可以为秧苗繁育提供最佳生长环境,不受季节和地域限制。此外,在嫁接苗、扦插苗等的繁育过程中,嫁接伤口愈合、根系分化等过程对环境控制要求较高,植物工厂也是极佳的载体。植物工厂本身环境条件的可塑性较强,因此对非繁育季节或极端环境下的蔬菜秧苗生产具有重要意义,可为保障蔬菜常年供应提供秧苗支持。此外,植物工厂秧苗繁育不受空间限制,可在城市近郊及社区公共空间就地进行,规格灵活多变,可实现优质秧苗的大批量生产、近距离供应,为都市园艺发展提供重要支撑。


缩短繁育周期 提高秧苗质量


在植物工厂条件下,得益于各种生长环境因子的精确控制,秧苗繁育周期相比传统方式要缩短30%~50%。繁育周期的缩短可以增加种苗生产批次,增加生产者收益,同时能减少市场波动带来的经营风险。对于种植者而言,则有利于提前移栽定植,提早上市,提升市场竞争力。另一方面,植物工厂繁育的秧苗整齐粗壮,形态质量指标显著提高,且定植后生产表现更优。已有研究表明,在植物工厂条件下繁育的番茄、辣椒及黄瓜秧苗,不仅叶面积、株高、茎粗、根系活力等指标有所提高,而且定植后的适应性、抗病性、花芽分化及产量等方面优势明显。植物工厂繁育的黄瓜秧苗,在定植后单株雌花数提高了33.8%,单株果增加37.3%。随着秧苗发育环境生物学相关理论研究的不断深入,植物工厂对于秧苗形态塑造、生理活性改善将更加精准、可控。


资源高效利用 减少育苗成本


植物工厂采用标准化、信息化、工业化的种植手段,使得秧苗生产的每一个环节都受到严格控制,资源利用效率显著提高。种子是秧苗繁育中主要成本消耗,传统育苗因操作不规范及环境可控性差,存在种子不发芽或长势弱等问题,导致从种子到商品苗的过程存在巨大浪费。在植物工厂环境下,通过种子前处理、精细化播种及培养环境的精密控制,种子利用效率大大提高,用量可减少30%以上。水、肥等资源也是传统育苗的主要成本消耗,且资源浪费现象较为严重。在植物工厂条件下,通过精准灌溉技术的应用,水、肥利用效率可提高70%以上。此外,由于植物工厂本身结构的紧密性和环境控制的均匀性,秧苗繁育过程中的能源及CO2利用效率也显著提高。


与传统露地育苗和温室育苗相比,植物工厂秧苗繁育的最大特点是可以多层立体式进行。在植物工厂内,秧苗繁育可由平面向纵向空间拓展,极大提高单位土地的秧苗繁育效率,显著提升空间利用效率。譬如,福建中科生物股份有限公司(以下简称“中科三安”)研发的秧苗繁育标准模组,在占地4.68 m²的条件下,单批次可繁育秧苗1万株以上,可供3.3亩(2201.1 m²)蔬菜生产需要。在高密度多层立体繁育条件下,配套自动化辅助设备和智能物流运输系统,可极大提高人工利用效率,节约人工50%以上。


高抗秧苗繁育 助力绿色生产


植物工厂洁净的生产环境,可极大降低繁育空间内病虫害的发生。与此同时,通过培养环境的优化配置,生产出来的秧苗将具有更高的抗性,可极大减少秧苗繁育和栽植过程中的农药喷施。此外,对于嫁接苗、扦插苗等特种秧苗的繁育,可通过植物工厂内光、温及水肥等绿色调控手段,代替传统操作中激素的大量使用,保障食品安全,减少环境污染,实现秧苗的绿色可持续生产。


生产成本分析


植物工厂增加秧苗经济效益的途径主要包括两个部分,一方面通过优化结构设计、标准化操作和智能设施装备的使用,减少秧苗繁育过程中种子、电能及劳动力的消耗,提高水、肥、热、气及CO2的利用效率,降低秧苗繁育成本消耗;另一方面,通过精准控制环境及优化工艺流程,缩短秧苗繁育时间,增加全年繁育批次及单位空间秧苗产量,秧苗品质高、上市早,更富市场竞争力。


随着植物工厂技术发展和秧苗培育环境生物学研究的不断深入,植物工厂秧苗繁育的成本已基本与传统温室培育成本一致,且种苗质量和市场价值更高。以黄瓜苗为例,生产资料占比较大,约占总成本37%,包括种子、营养液、穴盘、基质等。电能消耗约占总成本24%,包括植物照明、空调及营养液泵能耗等,是未来优化的主要方向(数据来源:中科三安)。此外,人工占比低是植物工厂生产的特点,随着自动化程度的不断增加,人工消耗成本会进一步降低。在未来,通过高附加值作物及珍贵林木秧苗产业化培育技术的开发,可以进一步提高植物工厂秧苗繁育的经济效益。


产业化现状


近年来,以中国农业科学院都市农业研究所为代表的科研机构,以福建省中科生物股份有限公司、衢州中恒农业科技有限公司等为代表的高新技术企业已经实现了植物工厂秧苗繁育的产业化,可以为秧苗提供从种子到出苗全程高效的工业化产线。其中,中科三安于2019年建成并投产的山西长治育苗工厂,占地3500 m²,在30天的周期内可繁育辣椒苗80万株或番茄苗55万株。衢州中恒农业科技有限公司建成的秧苗繁育工厂,占地2300 m²,年产秧苗可达800~1000万株。中国农业科学院都市农业研究所自主开发的嫁接苗移动愈合工厂,可为嫁接苗培育提供流水线式愈合及驯化平台,单个作业空间每次可处理嫁接苗1万株以上。在未来,植物工厂秧苗繁育品种的多样性有望进一步扩充,自动化、智能化水平将继续提升,有望出现多个年产秧苗达亿株以上的规模化育苗企业。


植物工厂作为工厂化育苗的新载体,在精准环境控制、资源高效利用及标准化作业等方面相比传统育苗方式拥有巨大优势及商业化潜力。通过降低秧苗繁育中种子、水肥、能源及人力等资源的消耗,提升单位面积秧苗产量及品质,植物工厂秧苗繁育成本将会进一步降低,产品更具市场竞争力。中国秧苗需求巨大,除去蔬菜等传统作物生产领域外,花卉、中草药及珍稀树木等高附加值秧苗有望实现植物工厂繁育,经济效益将会进一步提升。与此同时,产业化育苗平台需考虑不同秧苗繁育的兼容性和灵活性,以满足不同季节育苗市场的需求。


秧苗繁育环境生物学理论是植物工厂环境精准控制的核心。深入开展光照、温度、湿度及CO2等环境因子对秧苗株型塑造及光合等生理活性调控的研究,有助于建立秧苗-环境互作模型,可为降低秧苗生产能耗、提升秧苗质量和生产品质提供理论基础。在此基础上开发以光为核心、耦合其他环境因子的控制技术和装备,定制生产特殊株型、高整齐度、高品质的秧苗,以适应植物工厂高密度栽培和机械化操作要求。最终为构建数字种苗生产系统提供技术基础,实现标准化、无人化、数字化的植物工厂秧苗繁育。


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