?       LED就是的應(yīng)用大體分視覺類與非視覺類，視覺類的應(yīng)用有LED照明技術(shù)，非視覺類分植物光合與醫(yī)療保健，其中，LED植物光合應(yīng)用(我們稱之為植物人工輻射源PARS)將是與LED照明技術(shù)一樣成為LED技術(shù)最大的應(yīng)用市場，本文闡述植物工廠的整體概念和技術(shù)要點，論證了尖端科技融合的植物工廠的發(fā)展，展示了植物工廠作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新科技的應(yīng)用，植物工廠從根本上改變農(nóng)業(yè)種植的概念，植物工廠標志著設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級階段，是最具有投資價值的新型產(chǎn)業(yè)。在城市內(nèi)建立以生產(chǎn)蔬菜為目的的植物工廠成為世界各國競相發(fā)展的新領(lǐng)域。

1、概述

植物工廠PF(Plant Factory)是農(nóng)業(yè)種植工業(yè)化的產(chǎn)物，是21世紀蔬菜種植發(fā)展方向，它標志著設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級階段，是未來10年最具有投資價值的新型產(chǎn)業(yè)。在城市內(nèi)建立以生產(chǎn)蔬菜為目的的植物工廠成為世界各國競相發(fā)展的新領(lǐng)域。

植物工廠最主要的特征是打破傳統(tǒng)蔬菜生產(chǎn)模式，通過對植物光合、溫度、二氧化碳濃度、營養(yǎng)液等實現(xiàn)人工控制的高效率種植，實現(xiàn)訂單化生產(chǎn)，蔬菜的生產(chǎn)周期不會因為天氣等原因而改變，生產(chǎn)的蔬菜是真正的安全型蔬菜，水耕法(即無土培植)是植物工廠的主要手段，層架式結(jié)構(gòu)是主要形式，隨著以LED技術(shù)為基礎(chǔ)的植物人工輻射源(PARS)的應(yīng)用成本進一步降低，植物工廠將迎來發(fā)展的黃金期。

植物工廠成為投資熱點的主要原因是：

1) 種植環(huán)境惡化，食品安全，醫(yī)療費用增加等對蔬菜的安全性要求增加。

2) 全球氣候變遷的不確定性增加，水資源減少與土地沙漠化使得傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)遇到困境。

3) 城市化進程帶來的城市人口增加，蔬菜供應(yīng)增大，而土地資源卻不斷減少。

4) 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引發(fā)的環(huán)境負擔不斷增加。

5) 城市蔬菜供給的物流成本增加，城市蔬菜價格上升，提供了產(chǎn)品盈利空間。

6) 為追求產(chǎn)量而在蔬菜種植中使用農(nóng)藥和防蟲劑，蔬菜污染憂慮增加。

7) 土地的重金屬污染與澆灌用水的工業(yè)污染問題突出。

8) 太陽能與風能等清潔能源的應(yīng)用規(guī)模不斷擴大，地熱應(yīng)用技術(shù)也逐步應(yīng)用。

9)LED技術(shù)的應(yīng)用成本下降，多波段光質(zhì)應(yīng)用。

2、植物工廠定義

植物工廠的定義：植物工廠是一個采用人工種植環(huán)境，實現(xiàn)全年固定周期量產(chǎn)，實現(xiàn)循環(huán)訂單化生產(chǎn)，穩(wěn)定地提供無公害蔬菜的封閉的清潔生產(chǎn)環(huán)境。在這個環(huán)境里，植物的光合作用(光質(zhì)，光量，光周期)、溫度、濕度、二氧化碳濃度、培養(yǎng)液成分、生產(chǎn)過程等都可以得到計算機與傳感器的有效控制，是以科學為基礎(chǔ)且獨立于經(jīng)驗和直覺的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

植物工廠的優(yōu)點：

1) 產(chǎn)品是按照訂單生產(chǎn)，生產(chǎn)周期與產(chǎn)量可以穩(wěn)定。

2) 采用植物人工輻射源與溫度控制系統(tǒng)，不受地區(qū)氣候條件的影響。

3) 封閉的立體化種植，節(jié)省土地資源和防止污染。

4) 生產(chǎn)周期短，全年產(chǎn)量高，年產(chǎn)量是露天種植的4到8倍。

5) 可以做到真正的無公害安全蔬菜。

6) 生產(chǎn)人員按照程序規(guī)范生產(chǎn)，無需專業(yè)技術(shù)。

7) 工廠設(shè)置在城市內(nèi)的購物區(qū)或者工業(yè)園區(qū)，減少供應(yīng)物流成本。

植物工廠分類：

1) 按照光合作用分為兩類：完全人工輻射方式和太陽與人工輻射互補方式。

2) 按照種植結(jié)構(gòu)又分為平面種植和立體種植。

3) 按照種植方式分為土耕，水耕，霧耕。

4) 按照種植規(guī)模分為小型植物工廠(小于800平方米)，大型植物工廠(大于1000平方米)。

大部分的植物工廠采用的是立體種植的水耕法。

3、植物工廠與人造光源

植物工廠與人造光源的技術(shù)發(fā)展緊密聯(lián)系，植物工廠的概念是在人造光源的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，最早利用人造光源進行的種植是在溫室進行，其理論依據(jù)是植物光合作用的研究成果，在太陽光的可見光范圍內(nèi)(波長范圍：380nm-735nm)太陽光與人造光源的物理原理相同，只是兩者的光譜形狀不同，人造光源可以完全替代太陽光實現(xiàn)植物室內(nèi)種植。白熾燈、HID、熒光燈等人造光源已經(jīng)在溫室種植得到了廣泛的應(yīng)用，不同的人造光源在植物種植的區(qū)別是對電能的利用效率不同，提高電能利用效率直接導致種植成本的下降，然而，這些早期的人造光源在植物光合作用的吸收光譜方面卻無法有效的調(diào)節(jié)，植物的吸收率低，對電能的利用效率無法進一步提高。

人類的技術(shù)進步總是伴隨著能源利用效率的提高而發(fā)展，上個世紀九十年代初，發(fā)藍色光的LED(發(fā)光二級管)芯片制造技術(shù)實現(xiàn)量產(chǎn)，LED照明得到迅猛的發(fā)展，LED光源引發(fā)人造光源的變革，成為照明產(chǎn)業(yè)的主要光源，LED照明成為新一代光源的最主要特征是節(jié)能與環(huán)保， LED技術(shù)的發(fā)展對于農(nóng)業(yè)種植的人造光源也帶來新的進步，LED技術(shù)不但在電能利用效率提高，而且，在植物光合作用的吸收光譜控制方面也是其他光源無法比擬的，LED技術(shù)也就成為植物種植過程中的最佳選擇。

我們這個星球最為神奇的現(xiàn)象是植物創(chuàng)造的，植物是地球上唯一可以把太陽可見光部分的輻射能轉(zhuǎn)化為有機物的生物，如果沒有植物的光合作用，地球上就不會有動物和人類，植物的光合作用是依靠有機物生存的其他生命的基礎(chǔ)。植物光合作用的研究表明，植物對太陽光不同波長的吸收是不同的，植物的光合作用主要依靠藍光與紅光這兩部分進行，用人造光源代替太陽光時，最佳的人造光源是可以按照植物的吸收光譜配置，目前，只有LED可以做到這一點，因為LED光源本身只能發(fā)出單一波長的光，LED光源發(fā)光波長在380nm到735nm范圍內(nèi)可以人為的控制，而其他光源幾乎無法做到。所以，LED作為植物光合作用的人造光源是最有效的和最節(jié)能的。采用LED技術(shù)對植物光合作用的光質(zhì)、光量、光周期的控制性能優(yōu)于其他人造光源。

4、植物工廠的核心技術(shù)

1)、植物的光合作用實質(zhì)上是對太陽輻射的光子的生物化學反應(yīng)，植物的光合作用是由太陽輻射的光子產(chǎn)生的，所以，我們把用于種植的人造光源稱為植物人工輻射源(Plant Artificial radiation sources)簡稱PARS，如果用“照明”概念下的流明、照度等參數(shù)標定植物的光合作用會導致應(yīng)用錯誤，LED植物人工輻射源波長范圍在太陽輻射范圍內(nèi)，對植物與人的身體是安全的。

2)、溫度與濕度的控制在植物工廠里也起到關(guān)鍵作用，植物工廠要實現(xiàn)生產(chǎn)周期最小化且供貨周期固定的生產(chǎn)模式，生產(chǎn)環(huán)境的溫度與濕度的控制可以保證植物在最佳溫度環(huán)境的快速生長，在植物工廠里溫度控制也是衡量植物工廠能耗的主要指標。

3)、植物工廠一般采用水培或者霧培的種植方式，這兩種方式的基質(zhì)是營養(yǎng)液，對營養(yǎng)液的成分指標的自動化控制也是保證植物工廠最小周期生產(chǎn)的主要手段，營養(yǎng)液自動化控制主要包括：液溫、EC、ph、溶氧以及營養(yǎng)液成分的補充、營養(yǎng)液的循環(huán)處理。

4)、植物的光合作用吸收二氧化碳，釋放出氧氣，植物生長環(huán)境的二氧化碳濃度控制也是保證植物快速生長的條件之一，在植物工廠的環(huán)境控制系統(tǒng)中，都設(shè)置有二氧化碳濃度控制裝置，同時，植物光合作用產(chǎn)生的氧氣也需要采用過濾通風設(shè)備排出。空氣過濾裝置也有效防止病菌的侵入，在植物工廠里，農(nóng)作物幾乎沒有病蟲害的襲擾。

5)、植物工廠的數(shù)據(jù)檢測與傳輸采用無線網(wǎng)絡(luò)，環(huán)境檢測、營養(yǎng)液檢測等數(shù)據(jù)需要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持，植物工廠的網(wǎng)絡(luò)特點是距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸，是典型的周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)的傳輸應(yīng)用，各種傳感器與控制器大多采用控制簡單、距離短、功耗小、低速率的雙向無線通訊技術(shù)。

5、立體種植是植物工廠的特色

在植物工廠里，層架式立體種植是高效種植的另一個手段，與平面種植相比，立體種植對土地的利用率達到4-8倍，立體種植的管理效率也遠高于平面種植，自動化耕種容易實現(xiàn)，立體種植把植物工廠引入小型化，數(shù)百平方米的小型植物工廠將是未來城市蔬菜供應(yīng)的主要來源。

6、食品安全是植物工廠的目的

食品安全問題是植物工廠概念的主要目的，植物工廠的產(chǎn)品安全性是最有保障的，植物工廠對各種食品安全指標是完全可控制的，植物工廠的生產(chǎn)環(huán)境是相對封閉的，內(nèi)外空氣交換需要過濾，基本上防止了病毒蟲害入侵，植物工廠采用水培或霧培，使用的水質(zhì)與營養(yǎng)液的有害成分的檢測與控制是自動化完成的，重金屬等不可能出現(xiàn)在植物工廠的產(chǎn)品里，植物工廠無需使用農(nóng)藥與生長素，同時，植物工廠里使用的種植設(shè)備采用抗微生物材料，植物的種子是經(jīng)過消毒處理，整個生產(chǎn)系統(tǒng)的微生物比傳統(tǒng)蔬菜種植降低數(shù)千倍，植物工廠產(chǎn)生的蔬菜可以達到無農(nóng)藥、無重金屬、低硝酸鹽、低生物菌，植物工廠生產(chǎn)的蔬菜可以直接食用的，通過光質(zhì)與光量的調(diào)整，可以改善蔬菜的營養(yǎng)與口感，植物工廠的蔬菜是全球范圍內(nèi)安全度最高的蔬菜。

植物工廠生產(chǎn)的蔬菜，由于整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都符合安全型蔬菜生產(chǎn)的要求，生產(chǎn)的產(chǎn)品是健康食品，植物工廠的產(chǎn)品都標注無農(nóng)藥，成為安全蔬菜的標志

7、植物工廠生產(chǎn)流程

在植物工廠里，植物的生長環(huán)境被設(shè)計成最佳條件，植物的生長周期基本固定，植物工廠的生產(chǎn)流程可以重復，工人不需要了解種植知識和種植經(jīng)驗，只需要按照種植流程工藝進行工作，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)模式，形成訂單化重復生產(chǎn)。

8、小型植物工廠

植物工廠的缺點是初期投資大，種植品種相對少，對電力需求大，種植成本相對偏高。植物工廠幾乎是按照每平方米的造價計算的，對于投資大型的植物工廠，如果沒有政府資金的扶持，企業(yè)或個人難以承受;因此，植物工廠已開始朝著小型化方向發(fā)展，小型植物工廠投資小，見效快，逐漸成為植物工廠的發(fā)展方向。

上圖是小型植物工廠，占地面積在200-500平方米，由于種植空間小，投資額相對小，溫度調(diào)節(jié)的效率高，自動化設(shè)備也可以進行簡化設(shè)計，如自動化設(shè)備也可以更改為手動控制，檢測設(shè)備也可以把無線數(shù)據(jù)傳輸改為人工巡視，不需要自動化播種設(shè)備和自動傳輸與采摘設(shè)備，這種小型植物工廠同樣可以完成植物工廠的設(shè)計目標，小型植物工廠可以連鎖方式實現(xiàn)規(guī)?；?jīng)營。

在植物工廠里，采用植物人工輻射源、溫度濕度和二氧化碳的調(diào)節(jié)，營養(yǎng)液的指標的控制，最終的目的是實現(xiàn)蔬菜的最小周期的生產(chǎn)，并且是不受外界的氣候影響的循環(huán)生產(chǎn)，通常，在植物工廠生產(chǎn)的蔬菜的種植周期比室外種植快2-4倍，而且生產(chǎn)周期是固定的，在每平方米土地上，立體種植產(chǎn)量與平面種植產(chǎn)量之比是4-8倍，植物工廠的全年產(chǎn)量基本上是可以計算出來，這種固定產(chǎn)量的安全蔬菜在市場營銷的預(yù)期是相對準確，這為投資者帶來可靠的價值評估。

9、植物工廠案例

植物工廠的各個功能設(shè)備是已經(jīng)成熟的技術(shù)設(shè)備，并非新型科研項目，植物工廠是以高效種植為目的的各種技術(shù)組合，植物人工輻射源(PARS)是植物工廠的主要核心技術(shù)，生產(chǎn)安全型蔬菜是主要方向，隨著LED技術(shù)的應(yīng)用成本降低，植物工廠將成為城市生活不可缺少的功能設(shè)施。

下面是一些植物工廠的案例

10、植物工廠是多種學科的技術(shù)融合

植物工廠集多種學科的技術(shù)融合，這些技術(shù)都是成熟的應(yīng)用技術(shù)，這些技術(shù)的組合從根本上改變農(nóng)業(yè)種植的概念，是創(chuàng)新型農(nóng)業(yè)種植方式，是農(nóng)業(yè)種植實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的途徑，只有植物工廠才能長期穩(wěn)定地生產(chǎn)出無公害蔬菜，植物工廠的多學科技術(shù)融合是為植物生長設(shè)定的最佳環(huán)境，植物工廠的生產(chǎn)技術(shù)是以科學為基礎(chǔ)且獨立于經(jīng)驗和直覺的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為具備工業(yè)生產(chǎn)與管理經(jīng)驗的投資者提供了新的選擇，農(nóng)業(yè)種植通過植物工廠被提升為制造業(yè)。

11、植物工廠帶來的啟示

1)、從技術(shù)形態(tài)來看，植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)進步而進入的高級階段，實際上植物工廠發(fā)展迅速更深層的原因是環(huán)境污染與食品安全問題觸發(fā)的，環(huán)境污染是推動植物工廠的最大動力，今后的環(huán)境治理只能逐步減輕環(huán)境污染的程度，即便消除了污染源，之前造成的污染降解也是需要數(shù)十年甚至上百年的時間，而且，有些污染是不可逆的，而這些污染不僅是工業(yè)污染，有相當部分是大量化肥與農(nóng)藥造成的污染，污染造成的產(chǎn)量減少與種植周期加長，又進一步刺激投放更多的化肥與農(nóng)藥，推高了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植成本，形成惡性循環(huán)，面對環(huán)境對人類健康生活造成的影響，人類必須要找到一種高效種植方式來解決食品安全問題，這就是植物工廠在這幾年發(fā)展迅速的內(nèi)在原因。

2)、從國外這幾年植物工廠應(yīng)用狀況來看，最先涉足植物工廠的是大型的工業(yè)企業(yè)而非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者，而且電子工業(yè)企業(yè)對植物工廠更感興趣，這是個非常有趣的現(xiàn)象，這與從事電子企業(yè)本身就擁有無塵級凈化生產(chǎn)車間，其維護與管理更是輕車熟道，植物工廠的模式符合這些企業(yè)的管理能力與資源優(yōu)勢;許多工業(yè)企業(yè)已經(jīng)看到工業(yè)制造業(yè)的市場盈利空間變小，企業(yè)必須要尋找新的發(fā)展機遇，未來一些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會帶來比工業(yè)投資更高的回報，有些企業(yè)本身就是植物工廠的設(shè)備制造者，同時，植物工廠所需的技術(shù)管理條件他們已經(jīng)具備;管理經(jīng)驗與電子技術(shù)能力在植物工廠表現(xiàn)的尤為重要。

3)、在一些國家，政府對環(huán)境保護與公眾食品安全的倡導與扶持力度加大，政府對植物工廠的扶持資金甚至達到40%%u4EE5上，各種資金的參與把植物工廠變成投資熱點，環(huán)境保護與公眾食品安全是各國政府今后的一項長期目標，投資環(huán)境長期利好，植物工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品在市場上得到認可，被公認為無化肥與農(nóng)藥的安全型蔬菜，產(chǎn)品市場份額不斷加大。

4)、我國政府對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的扶持也是不斷加大，尤其是對于食品安全問題更為重視，植物工廠立項會得到政府的扶持資金，從政府的政策導向來看，農(nóng)業(yè)是我國繼工業(yè)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展后又一個新的發(fā)展機遇，從價格趨勢來看，工業(yè)產(chǎn)品的價格是逐漸降低，而農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的價格是逐步上升，同時，公眾對無公害蔬菜的需求越來越高，產(chǎn)品的市場盈利空間已經(jīng)初現(xiàn)，產(chǎn)品的市場盈利能力才能最終決定植物工廠在我國發(fā)展的動力。

5)、植物工廠是LED技術(shù)應(yīng)用的又一個大領(lǐng)域，以大中型城市進行保守的數(shù)據(jù)分析，大中型城市人均室內(nèi)照明所需要的LED照明功率約每平方米2瓦，如果這些城市人口有4%%u7684人消費植物工廠產(chǎn)品，植物工廠需要的LED總量就接近室內(nèi)照明LED的總量，相信未來植物種植所需的LED應(yīng)用總量會超過城市室內(nèi)LED照明總量，這個巨量的LED應(yīng)用市場也使得如飛利浦、歐司朗、松下、夏普等公司涉足，這個是值得我國LED照明企業(yè)與LED封裝企業(yè)借鑒的思路。

6)、在我國與LED照明產(chǎn)品相比，LED植物人工輻射源的設(shè)計與制造需要更強的專業(yè)技術(shù)能力，目前，這類產(chǎn)品的制造商提供的產(chǎn)品的專業(yè)能力無法滿足種植技術(shù)要求，許多都是采用照明的概念標稱產(chǎn)品參數(shù)，此外，國內(nèi)還沒有專業(yè)級的植物工廠供應(yīng)商，這些因素影響著植物工廠的發(fā)展，需要引起重視。

7)、與植物工廠投資相比，溫室、大棚應(yīng)用植物工廠概念進行育苗會取得事半功倍的效果，溫室、大棚內(nèi)設(shè)定的人工環(huán)境下的育苗可能成為農(nóng)業(yè)種植的新熱點，從我們的實驗結(jié)果來看，采用植物工廠生產(chǎn)概念的育苗方式投資小，育苗效果好，育苗周期短，苗期的干物質(zhì)量明顯比普通育苗高，值得大力推廣。

8)、植物工廠的混合型(太陽與人工輻射互補方式)也是具有推廣價值的模式，混合型植物工廠前期投資成本低，見效快，種植成本可以被市場接受，混合型植物工廠可以加快種植周期，為具備溫室大棚種植設(shè)備的企業(yè)提高了盈利空間，是現(xiàn)階段具有可操作性的植物工廠模式。

9)、通過對蔬菜種植的營養(yǎng)液成分的控制，植物工廠可以生產(chǎn)出低鉀蔬菜，低鉀蔬菜可以向糖尿病人提供，我國糖尿病發(fā)病率高達11%%uFF0C是糖尿病大國，低鉀蔬菜具有誘人的市場前景，生產(chǎn)特殊的醫(yī)用蔬菜可能成為植物工廠的一個市場亮點。

10)、太陽能與風能的應(yīng)用可以有效降低植物工廠的種植成本，我國是太陽能光伏產(chǎn)品制造大國，具有先天的優(yōu)勢，合理有效的利用太陽能與風能是加速植物工廠發(fā)展的手段之一，太陽能與風能供電系統(tǒng)的應(yīng)用也符合政府的扶持政策，此外，地熱循環(huán)應(yīng)用也可以為植物工廠提供降低成本的有效措施，自然能源的利用是植物工廠發(fā)展的方向。

結(jié)束語：植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級階段，是環(huán)境因素與食品安全因素推動下的產(chǎn)業(yè)，是LED產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，具有巨大的市場空間，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)是未來10年我國最具有投資價值的產(chǎn)業(yè)。