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植物工廠及其LED照明發展新動態

來源:溫室園藝 瀏覽次數: 日期:2017-06-02

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 植物工廠是設施園藝發展的高級階段,是顛覆性農作和土地利用方式,對解決21世紀農業資源和環境問題具有重要應用價值。LED光源是植物工廠的優選光源,具有傳統光源無法比擬的光電和農學應用優勢,正在快速進入商業化研發與應用層面,產業前景誘人。文章總結了植物工廠及其LED 照明的發展新動態,指出了未來研發與應用重點。
 
LED 植物工厂发展新动态
中國植物工廠研發與產業發展已有10 餘年,取得了輝煌的成果,產業化雛形初步形成。尤其是在2013 年國家863 項目“智能化植物工厂生产技术研究”的支持下,植物工廠技術裝備發展提速。縱觀植物工廠技術裝備和產業發展,有以下幾個方面的新動態。
 
1)立体多层无土栽培技术装备新动态。
立體多層無土栽培技術裝備是人工光植物工廠必要的本質裝備,也是太陽光植物工廠需要迫切發展的技術裝備。當前,以營養液膜技術(NFT,Nutrient Film Technique)和深液流技術(DFT,Deep Flow Technique)爲基礎的多種立體多層無土栽培技術裝備已經開發出來,適合葉菜類植物生產。當前,基質栽培草莓、氣霧培栽培葉菜技術裝備異軍突起,技術發展較快。
 
2)智能控制技术日新月异。
智能環境控制技術裝備水平的高低決定着植物工廠的運行效率。智能環境控制以植物環境控制原理爲基礎,特別需要以環境因子耦合控制下的植物生理響應效應作爲依據,已有很大發展。植物環控生理機制正逐步被揭示,耦合控制策略逐漸成熟,出現一批相關企業和產品。
 
3)产业发展异常迅猛。
就中國而言,從事植物工廠及相關技術裝備研發的企業不少於200 家。依舊是以珠三角地區、長三角地區和環渤海地區的大中城市爲爆發地,但呈現出輻射全國,逐步分散的發展趨勢。目前,新疆、陝西、四川等地均有植物工廠產業萌發,發展勢頭強勁。涌現出了深圳市智慧未來農業科技有限公司、河南精農科技股份有限公司、富昌電子(上海)有限公司和寧波綠脈農業開發有限公司等知名植物工廠從業單位。
 
4)产业细分市场逐步完成。
當前,植物工廠企業發展模式分爲技術裝備型,植物產品銷售型兩種,前者複製工程,推廣植物工廠系統裝備;後者,應用植物工廠生產植物產品,尤其是高附加值植物產品。從銷售產品的種類來看,蔬菜產品、家庭園藝產品是主流。
 
5)植物工厂配套装备制造也发展迅速。
植物工廠所需要的LED 光源、層架、營養液、控制系統供應商逐年增多。比如,以深圳市添光彩植物光源科技有限公司爲代表的光源供應商,可提供植物工廠主流波長的燈珠產品,爲LED 光源創制提供了基礎。
 
6)太阳光植物工厂补光产品日益丰富。
按照植物光環境需求理論和基本閾值,結合LED的光照優勢,LED 補光燈研發如火如荼,產品不斷推出,性價比逐年提高。以深圳市博萊凱半導體照明有限公司爲代表的水冷式LED 補光燈具有市場前景。
 
7)高附加值保健型植物成为新宠。
普通蔬菜產品因價格低,投入產出比率大,盈利空間有限,故此植物工廠業主傾向於進行高附加值保健型植物生產,甚至進行鮮品的深加工,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”科技創新成就展,國家領導人對中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所研發的智能LED 植物工廠給予了高度重視和肯定後,植物工廠作爲顛覆性的農作方式,受到各級政府、行業學會協會政策的利好誘導和資金支持,興業科研機構和企業單位呈遞增趨勢,全國呈現快速發展態勢。
 
LED 植物工厂光源及其照明研发新动态
 
  光照是LED 光源植物工廠實施高效植物生產的主要驅動因素,在調控植物生長髮育、產量品質形成方面具有不可或缺的作用。採納適宜高性價比的LED 照明產品在一定程度既決定了LED 光源植物工廠的生產效率,也決定着產品商品價值,其重要性不言而喻。
 
1)LED 光源产品日益丰富。
用於植物工廠的LED 光源從無到有,從劣質到精良,從不能控制到智能控制,從高成本到低價位,LED 光源正在全面滿足植物工廠的需求。目前,已有多重型號、系列的LED 面板燈,T5 和T8 規格的LED 燈管和燈條,水冷式大功率LED 燈板,大功率LED 補光燈,雙向照射LED 燈條,這些產品有多家企業可以提供,產品設計自由度大,可很好地滿足市場需求。但是,LED 光源方面依舊缺乏標準,亟待儘快完善制定。
 
2)LED 节能高效应用技术正在解决。
從LED 光源光質、光強和光周期設置與控制角度,通過合理的光質、光強和光周期協同耦合調控,可以在保證植物生長髮育基礎上,提高栽培效率。目前,通過光質、光強、光周期的調控技術研究成爲探討重點。比如,餘意等[3] 提出了利用生菜的弱光適應性,利用LED 弱光提高生產效率。國際上,有關植物工廠LED 光環境調節提高蔬菜品質的研究很多,Bian 等[4] 做了系統的綜述。
 
3)LED 连续光照成为热点。
連續光照是縮短植物生育週期,提高產量,改善品質的重要光照方法,對特定植物種類具有應用前景[5]。中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所在國家自然科學基金面上項目“LED 紅藍光連續照射對高氮水培生菜AsA 代謝網絡影響機理及其節律效應”和青年项目“短期連續LED 光照下水培生菜硝酸鹽代謝規律及影響機理研究”的資助下開展了長期的研究工作。該研究將揭示連續光照的作用機制,植物響應及其節律效應策略,最終爲連續光照在植物工廠中的應用提供依據。
 
4)LED 照明节律研发成为焦点。
晝夜節律是植物生長髮育所具有的生理特徵,但是在植物工廠恆定光照下植物的節律會如何變化已成爲研究焦點。在充分揭示植物工廠LED 紅藍光條件下植物節律特徵及演變規律,將爲LED 光源高效應用提供科學基礎。
 
5)LED 光源时空控制技术完成。
LED 作爲冷光源,可接近植物冠層進行有效照射,提高光能利用效率[6]。然而,植物從苗期到營養生長階段,甚至生殖生長階段其植株高度有明顯差異。因此,爲了提高植物整個生育期的光能利用效率,有必要將LED 的光源進行垂直高度的調控,使得LED 光源距離冠層位置相對恆定,達到節能高效的目的。
 
6)LED 光配方日益丰富。
目前,植物工廠所能栽培的植物種類十分有限,必需不斷擴展植物工廠可生產的植物種類,增加葉菜、根菜、莖菜、藥用植物、花卉等種類和品種。驗證新植物種類、品種可在植物工廠裏規模化生產的基礎是光配方的建立,只有建立高效的光配方,才能實現光環境智能管控,才能生產出高商品性的植物產品。
 
7)植物工厂蔬菜优质高产光照技术完善。

 

優質高產是植物工廠生產的目標,光環境調控是實現植物優質高產的主要途徑之一。通過光質、光強和光周期調控可以改變植物的養分吸收、初級代謝和次級代謝過程,調控植物體內糖、維生素、類黃酮、酚酸等物質的合成、代謝和累積,最終影響植物可食部分的保健功能。目前,除光合有效輻射外,紫外輻射在調控品質方面作用獨特,合理的紫外輻射劑量將是研究的重點。

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