植物工厂及其LED照明发展新动态

2017-06-09 09:35:48 宣传科 7

 植物工厂是设施园艺发展的高级阶段,是颠覆性农作和土地利用方式,对解决21世纪农业资源和环境问题具有重要应用价值。LED光源是植物工厂的优选光源,具有传统光源无法比拟的光电和农学应用优势,正在快速进入商业化研发与应用层面,产业前景诱人。文章总结了植物工厂及其LED 照明的发展新动态,指出了未来研发与应用重点。

LED 植物工厂发展新动态

中国植物工厂研发与产业发展已有10 余年,取得了辉煌的成果,产业化雏形初步形成。尤其是在2013 年国家863 项目“智能化植物工厂生产技术研究”的支持下,植物工厂技术装备发展提速。纵观植物工厂技术装备和产业发展,有以下几个方面的新动态。

1)立体多层无土栽培技术装备新动态。

立体多层无土栽培技术装备是人工光植物工厂必要的本质装备,也是太阳光植物工厂需要迫切发展的技术装备。当前,以营养液膜技术(NFT,Nutrient Film Technique)和深液流技术(DFT,Deep Flow Technique)为基础的多种立体多层无土栽培技术装备已经开发出来,适合叶菜类植物生产。当前,基质栽培草莓、气雾培栽培叶菜技术装备异军突起,技术发展较快。

2)智能控制技术日新月异。

智能环境控制技术装备水平的高低决定着植物工厂的运行效率。智能环境控制以植物环境控制原理为基础,特别需要以环境因子耦合控制下的植物生理响应效应作为依据,已有很大发展。植物环控生理机制正逐步被揭示,耦合控制策略逐渐成熟,出现一批相关企业和产品。

3)产业发展异常迅猛。

就中国而言,从事植物工厂及相关技术装备研发的企业不少于200 家。依旧是以珠三角地区、长三角地区和环渤海地区的大中城市为爆发地,但呈现出辐射全国,逐步分散的发展趋势。目前,新疆、陕西、四川等地均有植物工厂产业萌发,发展势头强劲。涌现出了深圳市智慧未来农业科技有限公司、河南精农科技股份有限公司、富昌电子(上海)有限公司和宁波绿脉农业开发有限公司等知名植物工厂从业单位。

4)产业细分市场逐步完成。

当前,植物工厂企业发展模式分为技术装备型,植物产品销售型两种,前者复制工程,推广植物工厂系统装备;后者,应用植物工厂生产植物产品,尤其是高附加值植物产品。从销售产品的种类来看,蔬菜产品、家庭园艺产品是主流。

5)植物工厂配套装备制造也发展迅速。

植物工厂所需要的LED 光源、层架、营养液、控制系统供应商逐年增多。比如,以深圳市添光彩植物光源科技有限公司为代表的光源供应商,可提供植物工厂主流波长的灯珠产品,为LED 光源创制提供了基础。

6)太阳光植物工厂补光产品日益丰富。

按照植物光环境需求理论和基本阈值,结合LED的光照优势,LED 补光灯研发如火如荼,产品不断推出,性价比逐年提高。以深圳市博莱凯半导体照明有限公司为代表的水冷式LED 补光灯具有市场前景。

7)高附加值保健型植物成为新宠。

普通蔬菜产品因价格低,投入产出比率大,盈利空间有限,故此植物工厂业主倾向于进行高附加值保健型植物生产,甚至进行鲜品的深加工,提高附加效益。

8)国家及各级政府更加支持。

随着国家“十二五”科技创新成就展,国家领导人对中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研发的智能LED 植物工厂给予了高度重视和肯定后,植物工厂作为颠覆性的农作方式,受到各级政府、行业学会协会政策的利好诱导和资金支持,兴业科研机构和企业单位呈递增趋势,全国呈现快速发展态势。

LED 植物工厂光源及其照明研发新动态

光照是LED 光源植物工厂实施高效植物生产的主要驱动因素,在调控植物生长发育、产量品质形成方面具有不可或缺的作用。采纳适宜高性价比的LED 照明产品在一定程度既决定了LED 光源植物工厂的生产效率,也决定着产品商品价值,其重要性不言而喻。

1)LED 光源产品日益丰富。

用于植物工厂的LED 光源从无到有,从劣质到精良,从不能控制到智能控制,从高成本到低价位,LED 光源正在全面满足植物工厂的需求。目前,已有多重型号、系列的LED 面板灯,T5 和T8 规格的LED 灯管和灯条,水冷式大功率LED 灯板,大功率LED 补光灯,双向照射LED 灯条,这些产品有多家企业可以提供,产品设计自由度大,可很好地满足市场需求。但是,LED 光源方面依旧缺乏标准,亟待尽快完善制定。

 

2)LED 节能高效应用技术正在解决。

从LED 光源光质、光强和光周期设置与控制角度,通过合理的光质、光强和光周期协同耦合调控,可以在保证植物生长发育基础上,提高栽培效率。目前,通过光质、光强、光周期的调控技术研究成为探讨重点。比如,余意等[3] 提出了利用生菜的弱光适应性,利用LED 弱光提高生产效率。国际上,有关植物工厂LED 光环境调节提高蔬菜品质的研究很多,Bian 等[4] 做了系统的综述。

3)LED 连续光照成为热点。

连续光照是缩短植物生育周期,提高产量,改善品质的重要光照方法,对特定植物种类具有应用前景[5]。中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所在国家自然科学基金面上项目“LED 红蓝光连续照射对高氮水培生菜AsA 代谢网络影响机理及其节律效应”和青年项目“短期连续LED 光照下水培生菜硝酸盐代谢规律及影响机理研究”的资助下开展了长期的研究工作。该研究将揭示连续光照的作用机制,植物响应及其节律效应策略,最终为连续光照在植物工厂中的应用提供依据。

4)LED 照明节律研发成为焦点。

昼夜节律是植物生长发育所具有的生理特征,但是在植物工厂恒定光照下植物的节律会如何变化已成为研究焦点。在充分揭示植物工厂LED 红蓝光条件下植物节律特征及演变规律,将为LED 光源高效应用提供科学基础。

5)LED 光源时空控制技术完成。

LED 作为冷光源,可接近植物冠层进行有效照射,提高光能利用效率[6]。然而,植物从苗期到营养生长阶段,甚至生殖生长阶段其植株高度有明显差异。因此,为了提高植物整个生育期的光能利用效率,有必要将LED 的光源进行垂直高度的调控,使得LED 光源距离冠层位置相对恒定,达到节能高效的目的。

6)LED 光配方日益丰富。

目前,植物工厂所能栽培的植物种类十分有限,必需不断扩展植物工厂可生产的植物种类,增加叶菜、根菜、茎菜、药用植物、花卉等种类和品种。验证新植物种类、品种可在植物工厂里规模化生产的基础是光配方的建立,只有建立高效的光配方,才能实现光环境智能管控,才能生产出高商品性的植物产品。

7)植物工厂蔬菜优质高产光照技术完善。

优质高产是植物工厂生产的目标,光环境调控是实现植物优质高产的主要途径之一。通过光质、光强和光周期调控可以改变植物的养分吸收、初级代谢和次级代谢过程,调控植物体内糖、维生素、类黄酮、酚酸等物质的合成、代谢和累积,最终影响植物可食部分的保健功能。目前,除光合有效辐射外,紫外辐射在调控品质方面作用独特,合理的紫外辐射剂量将是研究的重点。

结语

植物工厂发展前景广阔,未来5~10 年将达到普及应用水平。植物工厂发展的推动力主要来源于以下几个方面。

首先,国家和企业加大了对植物工厂研究与开发的投入与力度,业界信心倍增。国家层面对植物工厂发展十分认可,具体体现在以下军3 个事件上。

① 2013 年国家“十二五”863 计划项目“智能化植物工厂生产技术研究”在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所立项启动,表明了国家层面对植物工厂研发与产业化前景的认可,具有里程碑式的意义。

② 2016 年6 月3 日,由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所“设施植物环境工程团队”自主研发的“智能LED 植物工厂”成果亮相国家“十二五”科技创新成就展,受到了国家领导人的高度关注,这对植物工厂产业化具有积极的推进作用。

③ 2016 年6 月17 日中国照明学会农业照明专业委员会成立,成为以LED 植物工厂照明为主导的植物工厂推进的全国性组织平台。

以上3 件大事均突出表现了国家层面对植物工厂及其相关技术装备研发的认可和持续支撑,奠定了植物工厂及其相关技术研发的可持续性。国家层面的认可与支持,从关键共性技术、产学研平台、公共认知等方面,推动了植物工厂及LED 照明产业的发展。

其次,植物工厂发展的基础技术储备已经成熟,产业雏形已经形成,将很快进入产业快速发展期。目前,已有200 家以上的企业涉猎到植物工厂产业领域,推出了整体或部分组件产品。因此,在众多利好条件的推动下,在社会发展迫切需求的促进下,在跨界创新的不断创造中,中国的植物工厂研发与产业化发展必将大放异彩,跻身世界植物工厂产业强国之列。

参考文献

[3] 余意,杨其长,刘文科.弱光条件下光质与光周期对水培生菜生长与品质的影响[J]. 中国农业气象,2015,36(6):739-745.

[4] Bian Z H,Yang Q C, Liu W K. Effects of light quality on the accumulation of phytochemicals in vegetables produced in controlled environments: a review[J].Journal of the Science of Food and Agriculture,2015,95(5):869-877.

[5] 余意,杨其长,刘文科.LED 短期连续光照提高不同氮营养水培生菜品质的影响[J].应用生态学报,2015,26(11):3361-3366.

[6] 刘文科.设施园艺半导体照明系统及其光效提升途径[J].中国照明电器,2015(8):26-28.