植物工厂系列谈_十_高新技术在植物工厂中的应用.pdf

1、20 GREENHOUSE HORTICULTURE植物工厂系列谈 （十）高新技术在植物工厂中的应用 杨其长 张成波植物工厂作为设施园艺的最高级发展阶段， 集中应用了现代生物技术、 新型材料、 环境控制和信息技术的最新科技成果， 是现代农业高新技术集成的产物。 因此， 高新技术的广泛应用和不断创新是植物工厂发展的重要特征。LED 光源光是植物工厂最重要的环境因子之一， 光能消耗约占植物工厂运行费用的 20% 40% ， 能耗问题一直是影响植物工厂推广普及的重要限制因素。 近年来， LED 光源的研究与开发为植物工厂尤其是人工光利用型植物工厂的发展提供了良好的契机， 使植物工厂的普及应用成为可能

2、。LED 概况LED 是英文 Light Emitting Diode （发光二极管） 的缩写， 它的基本结构是一块电致发光的半导体材料， 置于一个有引线的架子上，四周用环氧树脂密封， 起到保护内部芯线的作用， 因此 LED 的抗振性能较好。利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管， 通称LED 。 当它处于正向工作状态时 （即两端加上正向电压）， 电流从 LED阳极流向阴极时， 半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 LED 光源具备以下特点 ： 使用低压电源， 供电电压在 6 24V 之间， 比使用高压电源更安全。 节能高效， 消耗能量较同光效的白炽灯减少

3、80% 。 适用范围广。 形状很小， 每个单元 LED 小片是边长为 3 5mm 的正方形， 所以可以制备成各种形状的器件， 并且适合于易变的环境。 稳定性强。 可以使用 5 万小时以上， 光衰为初始的 50% 。 响应时间快。 白炽灯的响应时间为毫秒级， LED 灯的响应时间为纳秒级。 无污染。 无有害金属汞， 不污染环境。 可以改变颜色。 改变电流可以变色， 发光二极管方便地通过化学修饰方法， 调整材料的能带结构和带隙， 实现红黄绿蓝橙多色发光。 价格较昂贵。 这是影响其普及的主要原因， 但由于晶片技术的改进， 制造成本急剧下降， 正朝着高效率低成本方向发展。以上是 LED 的一般性特征，

4、 将这些特征应用到植物栽培光源之中， 又具体表现为以下优势 ： 可以调节光源的光谱分布植物利用可见光中限定波长的光有三种 ： 用于光合成反应的红色光 ； 强光反应的蓝色光 ； 红色光和远红色光。 使用 LED 可以集中特定波长的光均衡地照射作物， 不仅可以调节作物开花与结实， 而且还能控制株高和植物的营养成分。 可以靠近作物照明植物栽培上应用的 LED 属于冷光源， 可以置于离植物很近的地方而不会把作物烤伤。 光的利用率很高， 可用于多层栽培立体组合系统。 使植物生产设施小型化， 使用寿命长LED 形状极小， 每个单元只有 0.3mm ， 用环氧树脂密封的 LED灯每个单元小片是边长为 3 5

5、mm 的正方形， 所以可以制备成多种形状的器件， 占用空间很小， 安装方便。 此外， 其特强的耐用性也降低了运行成本。LED 的试验研究及其在植物工厂的应用前景最早将 LED 用于植物栽培的是日本三菱公司， 早在 1982 年就有关于波长为 650nm 的红色 LED 光源用于温室番茄补光的试验报告。 此后， 美国 NASA 研究中心也把此项技术作为宇宙基地等闭锁式生命维持系统 （ CELSS ） 的相关技术之一开展研究。1987 年以 Wisconsin 大学的 Dr.T bbitts 等为主的研究小组正式采用 LED 光源， 开始进行莴苣的栽培试验并形成阶段性成果的研究报告。 1992 年

6、日本千叶大学进行了有关 LED 红色光、 远红色光对马铃薯生理过程影响的试验研究。 以色列和中国台湾省的一些研究部门也进行过有关 LED 在植物工厂和组培室的试验。研究表明， 植物并非利用太阳光的全部成分来进行光合作用， 以往的照明灯中因含有红、 蓝以外波长的光， 耗电量大， 特别是红外线属于热光源。 利用蓝色和红色 LED 作光源栽培生菜的试验已经取得成功。 此外， 研究还表明植物一般在白天吸收红、蓝等限定波长的光进行光合作用， 夜间主要是进行生长。 因此，单一波长的 LED 要比波段宽的太阳光更能促进光合作用。LED 光源特别适合于人工光控制型植物工厂。 日本正在运行的一家 LED 蔬菜工

7、厂， 采用 NFT 方式， 栽培光源为改良型水冷式红色 LED （ 660nm ）， 育苗光源为白色荧光灯。 该系统可以把培育植物的环境要素控制在最佳状态， LED 光源的光利用效率达到了 0.01 ， 是目前正在运行的植物工厂中光利用效率最好的实例。当前， 影响 LED 光源普及应用于植物工厂的因素主要有两个方面， 一是与广域的光谱范围的其他人工光源相比， 单色光还难以应对更多种类的作物 ； 二是 LED 高昂的价格。 但是， 随着半导体技术的不断发展， 蓝色 LED 成本将大幅度降低， 一些经济、 实GREENHOUSE HORTICULTURE 21用的 LED 光源及其配套装置必将推出

8、， 为植物工厂的普及推广将会起到重要的推动作用。营养液在线检测技术目前， 营养液栽培中可根据 EC 值的检测进行肥料补充， 使营养液达到要求。 但在我国目前存在设施水平低、 各地水质和营养液配方差异大、 环境控制水平不高等不利因素的情况下， EC 值在营养液管理中的效果往往不甚理想。 营养液管理需在线检测营养液中各营养成分的浓度， 才能及时调节营养液组成， 使营养液始终保持养分均衡， 满足作物生长需要。目前尚不能检测所有的营养元素， 只能检测营养液的几个主要指标 ： 氮 （ NO 3 - ）、 磷 （ HPO 4 2- ， PO 2 3- ）、 钾 （ K + ）、 钙 （ Ca 2+ ）、硫

9、 （ SO 4 2- ） 和镁 （ Mg 2+ ） 的浓度。 在线检测原理是将对氮 （ NO 3 - ）、磷 （ HPO 4 2- ， PO 2 3- ）、 钾 （ K + ）、 钙 （ Ca 2+ ）、 硫 （ SO4 2- ） 和镁（ Mg 2+ ） 等离子浓度以及 pH 值和 EC 值分成若干个模糊子集， 确定模糊规则， 建立一个模糊控制器来实现对 P 、 Mg 、 S 的控制。 应该指出的是， 不同作物对营养元素的需求量不同， 同一种作物不同生长期对营养元素的需求也不尽相同， 因此单一模型只适合于作物某一生长期的模拟， 不同作物及其不同生长阶段需由相应的模型来对应。营养元素的在线检测技

10、术具有很大的优越性和应用价值， 有助于提高营养液管理水平， 降低运行成本， 保护环境， 也有利于提高作物产量和品质。 随着科学技术的不断进步， 营养液在线检测技术一定会日臻完善， 在实践中得到广泛应用。光独立营养组培育苗技术组织培养技术及其应用植物组织培养又称为植物离体培养， 或称为植物的细胞与组织培养。 许多学者又将其形象地称为 “植物克隆”。 目前， 植物组织培养在遗传育种、 种质资源保护、 脱毒快繁等方面得到了广泛应用。 在组培快繁方面， 许多重要的园艺作物 （如兰花、 草莓、甘薯等）、 药用植物以及造林用树木等种苗的大量快繁基本上都实现了组织培养。 自 20 世纪 80 年代以来， 以

11、商品化为目的的组培苗生产以 20% 30% 的速度逐年递增。 整个西欧 1996 年生产的组培苗近 2 亿株， 到 2002 年已达到 100 亿株。 2002 年， 我国的组培苗生产仅蝴蝶兰花卉一项就达 7000 万株。 林木方面， 华南和华北地区分别具备了年产桉树组培苗 250 万株、 杨树组培苗150 万株的能力。 可以预见， 组培苗的工厂化生产将走向产业化，组织培养技术在解决 21 世纪随着地球人口的增加而带来的粮食与燃料的不足， 以及环境恶化的问题中将得到长足的发展和大规模的普及。光独立营养组织培养技术以培养基中添加糖作为植物生长所需碳源、 采用密闭小容器为主要特征的常规的植物组织培

12、养技术在过去 30 多年中取得了长足发展， 得到了广泛应用。 但是， 常规的植物组织培养技术存在很多亟待解决的问题。为了解决常规组织培养存在的问题， 以组培容器大型化和组培操作省力化为目的的光独立营养组织培养 （以下简称光独立组织培养） 技术应运而生。 光独立组织培养是指在培养基中不添加糖和生长调节物质的情况下， 通过提高培养器周围的光合成有效光量子流密度 （ PPFD ）、 CO 2 浓度以及气流速度等来提高组培植物的光合成速率。 其技术创新在于依靠组培植物本身的光合作用来自我调节生长速度。 光独立组织培养的优势表现在 ： 改善了培养环境条件， 促进组培苗的生长发育 ； 减少激素和生长调节物

13、质的应用 ； 利于大型培养容器的应用并减少生物污染 ； 简化生根、 驯化程序 ； 减少组培苗生理、 形态上的异常， 提高组培苗的品质 ； 简化组织培养繁杂的人工操作 ； 利于采用机械化、 自动化操作 ； 缩短培养周期， 降低生产成本。目前， 这一技术已在植物工厂内应用， 并取得了明显效果。 中国农业科学院于 1997 年开始引进该项技术， 开展了兰花、 石斛、 蕨类以及马铃薯等方面的试验， 进行了耐盐抗旱品种筛选与培育， 取得了阶段性的成果。植物苗工厂随着现代农业的不断发展， 育苗业已逐渐从传统的种植业中分离出来， 形成颇具活力的新兴产业。 在美国， 20 世纪 70 年代前后就已实现了种苗商

14、品化， 所有移栽的蔬菜苗都由专业育苗公司来提供。 Speedling （美国维生公司） 是世界上最大的种苗公司， 年产 10 亿株商品苗。 此外， 还有山本种苗公司和Santafenorsery 种苗公司， 年产规模也在 2000 万至 1 亿株商品苗之间。 他们都有现代化的植物苗工厂设施， 生产的共同特点是苗质整齐， 成本低， 技术含量高。 20 世纪 80 年代以来， 世界性商业用种苗的数量和种类急剧增加， 进入 21 世纪以来， 势头更猛。 植物苗的工厂化生产已经成为世界性趋势。植物苗工厂的特征植物苗工厂就是生产种苗的植物工厂。 这里所指的 “种苗” 是特指 “苗”， 不包含 “种子”。

15、 所以也可称之为 “苗工厂”。 植物苗工厂与植物工厂一样也有三种类型。 其中， 人工光型植物苗工厂将是植物苗工厂发展的重要方向之一。人工光型种苗工厂是指在一个相对封闭的设施内， 采用营养液栽培 （水培或基质培） 技术和人工光源， 对植物生长所需的诸多环境因子进行自动化控制。 其特征主要表现在以下方面 ： 对光强、 光质、 光照时间等要素可以较容易地进行单独调节， 不受天气条件的影响， 容易控制苗的生长， 提高苗的质量。 苗的生长环境比较稳定， 调节比较容易， 利于苗的生长与管理。 农药、 肥料、 水、 植物生长调节剂等生产资料的使用量达到最小化。 采用多层式育苗方式， 提高了空间利用率， 而且

16、可以提高搬运、管理等作业效率。 单株苗的生产成本大为降低。 利于实现技术的国际标准化。 苗的生产是在封闭型人工光环境控22 GREENHOUSE HORTICULTURE制下进行的， 其生产技术没有地区性限制， 完全可以在苗的生产方法、 程序等方面制定出国际化标准。 标准化的内容重要的是指环境调节方法、 施肥方法等方面的技术规程。 利于实现自动化控制、 计算机管理和省力化作业 利于技术保密和排除外界干扰。 除特殊情况外， 植物苗工厂内的设施和技术一般不对外参观， 内部生产也不受外界天气的限制和人为干扰。 易于阻隔微生物、 昆虫的侵入， 苗的生产环境不会被污染。 作业环境舒适。 封闭型苗生产的温

17、度大都稳定在 20 30 之间，没有强日光的照射。 所以作业环境舒适。 能够实现周年生产， 提高生产效率 其不利之处在于 ： 封闭型种苗生产系统， 在建设初期的投资很大。 这种系统的运行费用， 尤其是照明装置、 制冷制暖等设备的运转耗能很高。基本技术人工光利用型种苗工厂建设及运营所必需的技术包括照明、 空调、 脱毒苗的贮藏、 繁殖、 移植、 搬运、 生产计划与管理等。 其基本技术构成包括 ：照明系统包括硬件和软件两部分。 硬件是光源、 反射斗等照明设备， 软件是照明设备的配置方法和使用方法等。 照明系统方面重要的评价标准是植物受光率。 现在人工光利用型种苗生产系统的植物受光率平均在 20% 以

18、下。 为了提高苗生长期间整个植物的受光率， 就必须对照明硬件和软件进行动态控制。 为了促进苗的光合成， 需要夜间补光， 但并不是同一设施内的所有苗都需要在同一时间内受光， 有时也要分成若干时间带。光源光合作用所需的光的波长范围是 400 700nm 。 在这个范围内的光量子与光合成具有同等的作用。 植物苗工厂的人工光源都适宜采用发光二极管 （ LED ）， 这一新光源已经引起广泛关注并开始应用于试验之中。制冷、 换气和制暖人工光利用型植物苗工厂的墙壁采用隔热结构， 为了防止病原菌的侵入就必须进行空气过滤， 所以安装强制换气设备和留有进出口是最基本的条件。 用隔热材料覆盖的封闭式苗生产设施， 电

19、的消耗是很大的开支。 照明用电占整个用电量的 60% 65% ， 制冷用电占 25% 30% ， 其余的 5% 10% 被搬运等动力机器消耗掉。 这里的动力机器主要指用于调节空气的风扇、 搬运种苗或箱板的机器、灌水泵、 管理系统设施等。病原微生物控制技术封闭型种苗生产设施系统的一大优点是可以把病原菌对设施内的侵入以及设施内部的繁殖控制到最小程度。病原菌的控制技术主要有病原菌的检测技术、 抑制和除菌技术、杀菌技术、 抑制繁殖与生长技术等。 杀菌的手段有加热、 加压、 臭氧暴露、 紫外线、 线照射或是紫外线与氧化钛并用、 无机银、 活性氧、 化学药品 （ NaClO 、 C 2 H 5 OH 、

20、CH 3 COOH 、 H 2 O 2 等）、 高压脉冲、 酸性电解水等 ； 除菌手段有 ： 多种过滤膜、 分离膜。 需要注意的是， 这些技术不仅会杀死微生物， 处理不当对植物本身也有杀伤作用。当然， 在特定条件下， 苗的生长过程中存在一种促进其生长的微生物， 比如共生菌的存在。 也有防止、 阻碍病原菌侵入与繁殖的微生物和天敌昆虫。 积极利用这些微生物和昆虫， 将是今后植物工厂发展的新的研究课题。计算机智能化管理计算机的优势之一就是可以对众多的信息进行快速处理。 植物工厂正是充分利用计算机的这一优势来进行科学管理与控制的。植物工厂属于大型化、 连续生产的设施， 因此必须对环境监测信息、 植物体

21、信息、 栽培管理信息、 销售信息等进行及时处理， 才能促进生产效益的提高。 这里介绍一下一种正在开发的计算机系统构成， 作为大型化生产设施计算机应用的参考。上图为大型植物工厂计算机系统结构图。 在这个结构中， 与生产直接相关的计算机系统有环境、 植物体、 生产作业、 销售和生产资材五个方面。 从抽象的角度进行的信息处理系统主要包括三个方面 ： 即生产分析、 生产信息、 经营战略。 生产分析系统的作用就是对与生产直接相关的各计算机系统记录下来的庞大的数据、 信息进行综合处理。 植物生产信息系统的作用就是利用计算机网络， 对流通信息、 气象信息、 病虫害信息、 栽培技术信息等进行交换。 经营战略支

22、撑系统的作用就是指导缩短生产周期， 提高品质， 准确把握上市日期， 节省能源成本等。 对于经营者决策来讲， 这些都是很重要的信息提示。 这一系统就是要对与生产有直接关联的计算机系统做出必要的提示。植物工厂采用计算机系统将会达到如下目标 ： 设施的大型化 ； 作业的省力化 ； 生产的节能化 ； 产品的高品质化 ； 产品质量的均衡化 ； 生产的安全化。大型植物工厂计算机系统结构图GREENHOUSE HORTICULTURE 23机器人在植物工厂中的应用机器人技术作为 20 世纪人类最伟大的发明之一， 自 20 世纪60 年代初问世以来， 经历了近半个世纪的发展， 取得了惊人的进步。 在日本、 美

23、国等发达国家， 农业人口较少， 随着农业生产的规模化、 多样化、精确化， 劳动力不足的现象越来越明显。 许多作业项目如蔬菜、 水果的挑选与采摘， 蔬菜的嫁接等都是劳动力 密集型的工作， 再加上时令的要求， 劳动力问题很难解决。 正是基于这种情况， 农业机器人应运而生。 使用农业机器人所带来的好处有 ： 提高作业率 机器人作业比人工作业速度快、 功率大且具有耐久性。 通过使用机器人能够提高作业效率， 使适况适期作业变为可能。 提高作业精度 机器人能够提高作业精度， 准确完成操作内容， 这样可大大提高作物的产量和均一的质量， 增加商品价值。 节省劳力 机器人作业能够弥补生物生产中劳动力的不足， 降

24、低人工费用。 不受作业时期和时间的限制， 对于解决一些发达国家劳动力的不足和老龄化问题是一项有效的措施。 无人化作业 应用机器人系统， 可实现生物生产作业的高度自动化和无人化。 对作业环境的适应性 机器人能够代替人工进行不适合人工完成的简单、 单调的工作， 也容易实现在特殊环境条件下所进行的生物技术作业。 减轻作业强度 应用机器人， 能够减轻在生物生产中枯燥、 重体力、 有危险或令人不快的作业给劳动者精神和肉体上带来的负担和强度。现在已开发出来的农业机器人有 ： 耕耘机器人、 施肥机器人、 除草机器人、 喷药机器人、 蔬菜嫁接机器人、 收割机器人、 采摘机器人以及果实分拣机器人等。 其中， 移

25、栽、 嫁接、 喷农药、 收获和继植机器人是几种应用于植物工厂的有代表性的机器人。移栽机器人现在研制出来的移栽机器人有两条传送带， 一条用于传送插盘，另一条用于传送盆状容器。 其他的主要部件包括插入式拔苗器、 杯状容器传送带、 漏插分选器和插入式栽培器等。 这种自动化移栽机器人移栽速度是人工的 5 6 倍。嫁接机器人嫁接机器人技术， 是近年来在国际上出现的一种集机械、 自编后语植物工厂在国外 （如日本等） 的研究较多， 在我国还尚未真正开展此项研究工作。 作为现代农业发展的高级阶段，在不久的将来， 有关植物工厂的基础理论和关键配套技术的研究必将成为我国科技工作者的重要研究内容之一。 为了普及植物

26、工厂的相关知识， 从 2005 年第 5 期开始， 截至到本期， 我刊连续进行了 10 期系列报道， 对植物工厂的研究现状、 结构类型、 主要配套技术等方面进行了简要介绍。 植物工厂系列报道的推出， 在行业中引起了不小的反响， 收到了较好的效果。 感谢杨其长研究员、 张成波研究员对本专题的支持。 今后， 我刊将会继续介绍其他的温室和园艺方面的新技术、 新产品给广大读者， 希望 温室园艺 能成为广大读者的良师益友。动控制与园艺技术于一体的高新技术， 它可在极短的时间内， 把蔬菜苗茎、 秆直径为几毫米的砧木、 穗木的切口嫁接为一体， 使嫁接速度大幅度提高， 同时由于砧木、 穗木接合迅速， 避免了切

27、口长时间氧化和苗内液体的流失，从而大大提高嫁接成活率， 因此，嫁接机器人技术被称为嫁接育苗的一场革命。从 1986 年起日本开始了对蔬菜嫁接自动化及嫁接机器人技术进行研究 ； 20 世纪 90 年代初， 韩国也开始了对自动化嫁接技术进行研究。 在蔬菜嫁接育苗配套技术方面， 日本、 韩国已生产出专门用于嫁接苗的育苗营养钵盘。 在欧洲， 一些农业发达国家如意大利、 法国等， 蔬菜的嫁接育苗相当普遍， 大规模的植物苗工厂全年向用户提供嫁接苗。 由于这些国家尚未有自己的嫁接机器人， 所以嫁接作业一部分仍采用手工嫁接， 一部分采用日本的嫁接机器人进行作业。继植机器人继植机器人由机械手、 图像处理部分及计算机系统构成。 这是一种专门为组织培养开发出来的智能化程度很高的机器人。 生物技术作业的特征是要在无菌状态下小心谨慎地处理微小易伤的组织和幼植体。 胼胝体、 PLB 、 苗条原基等大量繁殖的组织培养的继代培养需要自动化。 植物组织的继植机器人系统就是一种可替代人工组织培养操作、 以减少污染的行之有效的方法。 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 100081机器人正在进行运送操作