植物工厂背景技术

1、一 概述植 物工 厂是现代 设 施农 业 发展 的高 级 阶段 ，是一种 高投入 、高技术 、精装 备的生产体系 ，集 生物技 术、工程 技术和系 统 管理 于 一体 ，使 农 业生 产 从自然 生态束 缚 中脱离 出 来，按计划周年性 进 行 植物产品生产的工厂化农业系统，是农业产业化进程 中吸收应用高新技术成 果最具活力和潜力的 领域之一，代表着 未来农 业的发 展方 向。背景技术“植 物 工厂 ”是 指 在一 定人 工环 境 控 制及 生产管理下可 以全 年 无休 的 植物 栽培 系统 。 进一 步言之 ， “植物 工 厂” 就 是利 用 高科 技栽培方 式 ， 配合 电脑化自动化 调控

2、 系 统， 将 植物 栽种 在一个 受到 控制犹如 工厂 厂房的封闭性空间环境内，该空间内的二氧化碳、氧气、温度、湿度、肥料养分、光照等物化及微气候条件均受控制，使植物的生长速率、品质及产量，可不受气候、环境与季节变化的影响，使植物的 生长在 如同工 厂的生 产线 上进行，而能 使收 成作 物具有 精细化、均 质化及 丰产 性等特 点。环视 地球的环境问题，不论土壤或气候皆日渐恶化，尤其气候环境的多变及难以捉摸的特性，皆使露天式栽种方式及轻设施栽培方式容易受到气候的影响 ，从而造成栽种生产过程中的损失，故“植物工厂”可以在 有限的 土地 面积上，以最集约的栽培技术，生产出品质好、产量 高的经济

3、 作物 （ 蔬菜即为一例），并达到栽培环境管理自动化和操作空间清洁化，节省劳力以及从 事者年轻化等目标，所以“植物工厂”是现代 农业技 术的 重要发展，已受到各国政府及相关学术机 构的重视。二 定义植物工 厂（plantfactory ）的概念最早是由日本提出来的。植物工厂是通过设 施 内高精 度环 境控制 实 现农 作 物周 年 连 续生 产的 高 效农 业 系 统， 是 利用 计 算机 对 植物 生 育的 温度 、 湿 度 、光 照 、CO2 浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约的省力型生产。植物工厂是现代农业的重要组成部分，是科学技术发展到一定阶

4、段的必然产物，是现代生物技术、建筑 工 程、 环 境控 制 、 机械传 动、 材 料科 学 、 设施园 艺和 计 算机 科 学等 多 学科 集成 创 新 、 知识 与 技术 高 度密集的农业生产方式。三 历史发展1957年世界上第 一家植物工厂诞生在丹麦，1974年日本等国也逐步发展起来。美国犹他州立大学试验用植物工厂种植小麦， 全生 育 期不到2月，一年可收获45 次 。20世纪60年代初次进行植物工厂的试，并开始推。1964 年奥 地 利开始试验一 种塔式植物工厂（高30米 、面积5000平方米） 。该国鲁斯纳公司 的塔式植物工厂 已 在 北 欧、俄罗斯、中东国家采用。奥地利的一家番茄工厂

5、，工作人员仅30人 ，平均日产番茄13.7吨，生产1公斤番茄耗电910kw.h ， 成本只有露地的60。1971年丹麦也建成了绿叶菜工厂，快速生产独行 菜 、鸭儿芹、莴苣 等。1974 年日本建成一座电子计算机调控的花卉蔬菜工厂，该厂由1 栋2层的 楼房（830平方 米） 和两栋栽 培 温室（每栋800平方米） 构成，在一年内生产两茬金香、两茬垄民花、一茬 番茄，做到周年生 产。至1998 年，日本已有用于研究展示、生 产 的 植 物 工 厂 近 四 十 个 ， 其 中 生 产 用 植 物 工 厂 17 个 。 2004 年 ， 中 国 农 业 大 学 开 发 了 利 用 嵌 入 式 网 络式

6、环境控制的人工光型密闭式植物工厂。四 分类与特征关于植物工厂的分类，因所持的角度不同 ，其划分 方式也 各异。从建设规模上来分可分 为大型（1000m以 上） 、中 型（3001000m）和小型（300m 以下）三种； 从生产功能上来分可分为植物种 苗工厂和商 品菜（果、花）植物工 厂；从其研 究 对象的层 次上又可分为以研究植物体为主的植物工厂、以研究植物组织为主的组培植物工厂、以研究植物细胞为主的细胞培养植物工厂。但目前，比较习惯 的分类方法是按照植物生长中最重要的条件之一光能 的 利用方式不同来划分，共有三种类型，即太阳光利用型、人工光利用型、太阳光和人工光并用型。其中，人工光利用型 被

7、视为 狭义的植 物工 厂，称为 密闭式 植物工 厂，它是 植物工 厂发展 的高级 阶段。植物工厂的共同特征是：有固定的设施；利用计算机和多种传感装置实行自动化、半自动化空盒子；采用营养液栽培技术；产品的数量和质 量 大幅度提高。数字植物工厂是一种通过设施内高精度的环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统， 是由计算机对植物生育过程的温度、湿度、光 照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制， 不受或很少受自然条件制约的全新生产方式。由于数字植物工厂充分运用了现代工业、生物工程和信息技术等手段，技术高度密集。多年来，数字 植 物工 厂 一直 被 国际 上 公认 为设施 农业发展 的 最高

8、 级阶 段，成 为衡 量 一个 国 家农 业高 技术 水平 的重要标志之一，目前仅有日本、美国、荷兰等 少数发达 国家掌握这项技术数字植物工厂不占用农用耕地，产品安全 无污染，操作省力，机械化程度高，单位面积产量可达露地的几十倍甚至上百倍，因此又被认为是21世纪解决人口、资源、环境问题的重 要途径，也是未来航天工 程、月球和 其他 星球探 索过 程中实 现食物 自给的 重要 手段数字植物工厂技术的突破将会彻底解决人类发展面临的诸多困惑，甚至可以实现在 荒漠、戈壁、海岛、水面等非可耕地，以 及在城市的摩天大楼里进行作物生产。利用取 之不尽的太阳能，加上一定的种子和矿质营养，就可源源不断地为人类生

9、产所需要的食品。近 年 来，一些耕地资源紧缺 的发达国家正在加大资金与技术的投入，加紧数字植物工厂的研发和推广工 作，在 日本，政府采取补 贴50%的手段，推进数字植物工厂的发展 ， 预计3年 后将 新增150座 数字植物工厂这个国内第一 例 智能型数字植物工厂 建筑面积 为200平方米，共由植物苗工厂和 蔬菜工厂两部分组成，以节能植物生长灯和LED为 人工 光源 ， 采用制冷-加热双向调温控湿 、 光照 -CO2耦联光 合 调控、空气均匀循环与流通、营养 液 （EC、pH、DO 和液温等） 在线检测与控制、 图像信 息 传 输、环境数 据采集与自动控制等 13个 相互关 联的控制子系 统，可

10、 实时对植物工厂的温度、湿度、光 照、 气流、CO2浓度以及营养液等环境要素进行自动监控，实现智能化管理。植物苗工厂由双列五层 育苗架组 成 ，种苗均匀健壮，品质 好 ， 单位面积育苗效率可达常规育 苗的40 倍以 上， 育苗周期可缩短 40%以上。蔬菜工厂采用五层栽培 床 立体种植，栽培方式选用DFT（ 深液流）水耕栽培模式，所栽培的 叶用莴苣从定植到采收仅用16-18 天时间， 比常规栽培周期缩短40%，单位面积产量为露地栽培的25倍 以上，产品清洁无污 染，商品 价值 高。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

11、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2040，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。LED 概 况LED 是 英 文LightEmittingDiode（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

12、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624V 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80。·适用 范 围广 。 形状 很小，每个单元LED小片是边 长为35mm 的 正方 形 ， 所以

13、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， 将 这些特征应用到植物栽培光源之中，

14、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

15、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 3ram，用 环 氧 树 脂 密 封的 LED灯每个单元小 片 是 边长 为35mm 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

16、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(c E Lss)的相 关技 术之一开展研究 。 1 987年 以 Wisconsin大学的D r T 1bbitts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，

17、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。日本正在运行的家LED蔬菜工厂，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O01，是

18、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 用 的 LED 光 源 及 其 配 套 装 置 必 将 推 出 ， 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

19、 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(NO3-) 、磷(HPO42-， PO23-)、钾(K+)、钙(Ca2+)、硫(S042-)和镁(Mg2+)的浓度。在线检测原理是将对氮(NO3)、磷(HPO42- ，PO2 3-)、钾(K1)、钙(Ca2+)、硫(S042-) 和镁(Mg2+)等离子浓度 以 及pH

20、 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 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

21、 ，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，以商品化为目的的组培苗生产以2030的速度逐年递增。

22、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 养技术在过去30 多年中取得了长足发

23、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。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

24、激素和生长调节物质的应用；· 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

25、 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1 0亿株商品苗。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

26、 ， 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 ” 。 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

27、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

28、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。封闭型苗生产的温度大都稳定在2030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

29、 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，

30、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 700hm。 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

31、件 。用隔热材料覆盖的 封闭 式苗生产设施，电的消耗是很大的开支。照明用 电占整 个用电量的6065 ，制冷用电占25 30，其余的510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

32、 、线 照射 或 是 紫 外 线 与 氧 化 钛 并 用、无 机 银 、活性氧、 化学药品 （NaCIO、 C2HsOH 、 CH3COOH、 H202 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

33、 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ZJ-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

34、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 臼期，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：·

35、;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。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

36、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，降低人工费用。不受作业时期和时问的限制，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

37、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

38、 器 人等。其中 ，移栽、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56 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

39、幅度提高，同时由于 砧 木、穗木接合迅速，避免了切口长时 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

40、些国家尚 未有自 己 的 嫁接机器人，所以嫁接作业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

41、 发 研 究 所 100081环境监 控技术在设施农业中的应用来源： 安徽 农 业科学.-2009（ 16）.-7672-7673作者：梁竹 君，武 丽 阅 读 次 数 ： 61摘要：设施 农业中温室工程的建设和发展是都市型 现 代化农业发展 的重 要组成部分 ，也是设施农业发展的高级阶 段。环境监控技术则是实现温室生产管 理 自动化、科学 化的 基础。在简述国内外温室环境监控技术发展概况的基础上，分析 了我 国 温室 环境监控技术存在的问题，同 时展望了环境监控技术的发展趋势。随着现代农业的发展，温室工程越来越受到世界各国 的重视。温 室现代化主要体现在对温室内部环境的 监控上，所以 环 境监控 是农业现 代化的 重要标志。近 百年 来 ，温 室的 自动 控制和 管理 技术 水 平在不断 地提高，也为 我 国大型 现代化温 室的发 展提供 了极 好 的机 遇 ，与 此同 时，我国的 现代 化温 室 在引进与自我开发并进的过程中仍然存在一些问题。1温室环境监控技术与温室监控系统温室 环 境监