【剖析】LED照明在植物工厂应用的优势及难点

　　“从国家层面来看，大家都知道从04年到15年，中央1号文件把发展现代农业保障国家粮食安全，保障农产品有效供给，作为国家长期发展战略。怎么保障？无非就是要增加粮食的产量，增加食物的供应。从国际层面来看，联合国人口基金会公布2014年全球人口数量是77亿。据联合国预测，2050年全球人口达到96亿，2100年将达到110亿，将增加50%的人口，我们需要相对增加粮食和农产品的供给。”中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员刘文科在第二届农业照明发展论坛上提到。

　　以下是其演讲实录：

　　植物工厂的发展背景

　　到21世纪末，全世界或者我国人口的增加对农产品及粮食的需求，不仅是数量，还有质量上面的安全需求急剧增加。首先从农产品的供应端来分析一下它的供给能力。

　　一是全国的农业生产系统，大田露地生产，它的产能和稳定性在降低。为什么？首先是资源在下降，从农业生产资源的数量和质量，比如说土地、水肥、人力资源，数量和质量都在下降。

　　其次是农业环境的污染、自然灾害频发、季节干扰大。大田农业受季节干扰很大，北方在冬季根本无法进行大田农业生产。

　　三是人为干预能力差，生产能力逐渐在缺失。

　　基于上述原因，我们寄希望于设施农业，一是低端的设施农业，在我国表现为塑料袋大棚、日光温室。它的产能和稳定性比较差，主要是设施比较简陋，人为干预调控的能力也比较差。增产和稳产的潜力有限，怎么办？结合我们的技术发展现状，解决办法只能是这样的：我们可以通过升级创新农业生产系统，提升农业装备的级别，用工业的理念发展农业。这句话是李克强总理2015年提出来的，通过工程技术装备手段大幅度促进农业提质增效，只有通过这种方法，我们才能用有限的资源、有限的空间生产更多的粮食和食物。

　　二是植物工厂。在这种背景下，植物工厂应运而生。植物工厂发展非常快，应该要感谢两位科学家。在国际上，日本千叶大学原校长古在丰树教授，他是日本乃至世界植物工厂技术装备及产业发展的奠基人和倡导者，出版了《人工光性植物工厂》、《太光光利用型植物工厂》等著作。在中国，植物工厂技术装备及产业发展的奠基人和倡导者就是中国农业科学院杨其长研究员，他在本世纪初就倡导植物工厂技术和LED农业照明技术，出版了几本著作，2016年即将出版《设施园艺半导体照明》。

　　植物工厂的定义就是通过设施内高精度环境控制实现作物周年连续生产的系统，这个系统不受或很少受自然条件的制约，是一种高效农业生产方式。它主要分两类，一是人工光植物工厂和二是太阳光植物工厂。图2中这两幅图，左下角是人工光植物工厂，右下角是太阳光植物工厂。

　　大家可以看一看设施园艺发展过程（图2），由靠天吃饭的大田露地农业到简单的塑料大棚、日光灯温室、到现在的联动温室和人工光植物工厂。可以发现这都是通过围护结构密闭性的提高和自动化水平、管控水平的提高来提高它的产能。从这个发展脉络来看，人类控制农业生产过程的能力，是借助工程技术的装备来得以提升的。

　　植物工厂的优势

　　植物工厂有非常多的优势：

　　一是它不受外界气侯的影响，生产能力比较稳定；

　　二是土地和空间资源的利用效率比较高；

　　三是它的生产要素，自动化程度比较高，可以按计划生产，产量比较高；

　　四是比较本质的一个好处——无污染，基本上它不发生虫害，不用施农药，也可以杜绝重金属；

　　五是农产品的营养成分可以调控，在大田里面，蔬菜的营养品质可控性很差。我们在设施条件下，可以调动所有的设施管理要素、生产要素来提高蔬菜的营养品质，也可以扩大增加有益营养成分的合成积累；

　　六是满足特殊场合的农作物生产需求，例如岛屿、太空农业；

　　七是规模可大可小，无所不能，它的用途非常多；

　　八是植物工厂采纳LED照明技术装备，这是它的优势。因为LED照明可以极大提升植物工厂的空间效率，提升生产效率；

　　九是植物工厂采纳水肥一题化技术装备，这样自动化程度才有体现。

　　植物工厂技术发展难点

　　我个人认为植物工厂发展有这几个特征，它的发展目标，主要是实现优质高产、商业化盈利。这两个是相辅相成的目标，实现优质高产，盈利的可能性就高一些。

　　技术发展基础应该是作物种类及其生物学特性，生物学规律的认识应该是其他技术发展的基础。技术发展的途径应该是生产要素耦合调控技术装备创新，我们只有把植物工厂作物生产的所有要素调控，按照作物的需求进行耦合的调控，才能最大程度节能，最大程度的高效。

　　植物工厂技术研发现状：一是成本高、周期长，参数多，耦合交互多，亟待产学研结合。二是仍以科研单位为主体，企业研发比重增加（示范基地的挂牌正好说明了这点）。三是已由研发带产业向产业促研发转变，示范工程呈现百花齐放、百家争鸣的态势，产业和研发应该起到良性循环的作用。

　　技术难点分两部分，一部分是植物工厂生产调控单向技术发展的难点。这其中主要有6个难点：一是节能降耗的问题，包括LED光源如何运行更加节能有效，环控执行机构等；二是智能环境控制问题，耦合控制、资源高效利用；三是农产品保健品质调控技术，功能营养物植物强化等；四是营养配方与光照配方问题，这一直是非常重要的问题；五是水肥一体技术装备，我们要构建更合理的栽培平台，研发更好的栽培装备；六是生产管理自动化技术装备，我们现在国内的植物工厂机器人、自动化装备应用还是比较欠缺的。

　　第二部分的难点是生产调控系统技术发展难点。这里面有四个难点，一是植物工厂生产植物产品类型与效益关系，生产不同的植物种类和你的效益息息相关，他们之间的定量关系到底怎样，需要我们做很多的研究工作；二是植物工厂建造规模与效益关系，建造的植物工厂规模不一样，投入不一样，产出也不一样，这是不是一个直线关系或其他关系，也需要进一步研究；三是植物工厂智能化水平与效益关系，我们的植物工厂到底自动化水平达到多高最有利于盈利，最有利于推广，这也需要研究；四是植物工厂建造区域与效益关系，例如建在城市周边，还是乡村，或者是华南华北，是不是都有不同的关系，我们需要更深入的研究。

　　植物工厂技术发展的对策

　　最后简单介绍下植物工厂技术发展的对策，个人观点，仅供参考。首先是科技研发层面，一是针对性开展植物工厂植物生产要素需求规律研究，懂农业生物环境学、营养生理学、分子生物学，建立基于植物种类及品种的营养与环境配方大数据。

　　二是开展植物工厂工程装备研发工作，围护结构工程装备、栽培与水肥一体化工程装备、照明工程装备、环境要素智能控制工程装备等。

　　三是开展植物工厂高校调控的技术方法研发工作，以优质高产为目标，生产要素时空耦合调控技术方法研究，才能更有利于植物发展生育。

　　在成果转化与示范验证层面，一是建立典型气候区植物工厂示范工程；二是建立规模尺度差异性植物工厂示范工程；三是建立多种植物种类的植物工厂示范工程；四是建立智能化物联网植物工厂示范工程。通过示范工程的建立，通过一年或者是几年的运行，得到一些运行参数，为植物工厂的标准化、推广应用提供技术支撑。