水稻育秧中植物工厂技术的应用研究进展

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  摘 要: 随着农业工程技术的快速发展,设施农业在现代农业中发挥着越来越大的作用,植物工厂技术是设施农业的重要组成部分,是现代农业前沿科技的综合体现,是农业发展水平的重要标志

为此,在综合分析国内外植物工厂技术的发展历程及水稻育秧所面临问题的基础上,明确了植物工厂相关技术应用在水稻育秧过程中的必要性及亟待解决的核心技术问题,并论述了基于植物工厂技术的水稻育秧的发展前景,为培育高质量的水稻秧苗及农业的可持续发展提供技术参考与发展模式方面的借鉴

     关键词: 植物工厂技术; 水稻育秧; 育秧工艺; 核心技术; 环境参数

     0 引言

     水稻是世界上重要的粮食作物,120 个国家和地区广泛栽培种植,是全球 50% 以上、中国 60% 以上人口的主食[1].随着人口的不断增长及可利用耕地面积逐年减少,粮食需求问题日益严峻,提高水稻产量显得尤为重要,其中提高秧苗的质量是增加稻谷产量的重要途径之一

秧苗素质与生育进程及其最终产量息息相关,提高秧苗素质、增强抗性,进而促进插秧后能够早生快发,成为水稻产量提高的重要举措[2].      近年来,极端气候频发,传统温室大棚抵御能力较差,直接危及水稻生产[3].哈尔滨市呼兰区 2012 - 2014年采用人工方式对光、温、水、气、肥等作物生长要素实施调控,因环境精度与及时性受到人为因素干扰,出现大面积不出苗、烂秧、死苗和稻苗长势弱的现象[4].2016 年,重庆市受 4 月份阴雨寡照天气影响,秧苗长势较缓,单株分蘖比 2015 年少1 ~2 个,移栽进度较2015 年慢 3 个百分点[5].为解决此类问题,前人做过大量的研究

对于光照不足的问题,林超辉等[6]采用补光的方法,研究设计了太阳光与人工光相结合的育秧大棚;为解决占地面积问题,郭占斌等[7]采用多层立体大棚旋转钢结构架,研制出立体式工厂化育秧大棚;为获取棚室内较高精度的环境参数,郭有强等[8]采用带解耦模糊控制算法,研制出具有高精度环境参数采集系统的水稻育秧大棚

秦雯等[9]设计了一套环境参数自动调控的智能化大棚育秧系统

     上述方法能够解决水稻育秧过程中单一因素引起的问题,却难以保证光照、温度、湿度、通风、营养液供给等因素之间的相互影响及参数精度.      植物工厂相关技术不仅提供高精度环境参数,还可以实现数字化及智能化控制

     近年来,国内外专家学者在植物工厂技术上进行了大量的研究,国外植物工厂技术已经处于成熟阶段,而我国尚处于初级阶段,基于植物工厂技术的水稻育秧研究水平一直落后于其在生产上的利用程度,这种理论研究滞后于生产实践的局面势必影响其在实际应用中的进一步大规模利用

研究基于植物工厂技术的水稻育秧,不仅对水稻产量的提高具有重要的指导意义,同时将为研究禾谷类作物育秧提供理论借鉴

因此,开展基于植物工厂技术的水稻育秧的研究和探讨具有十分重要的理论价值和现实意义.      1 植物工厂技术的发展及现状

     植物工厂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浓度及营养液等环境条件进行自动控制,使设施内植物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创新、知识与技术高度密集的农业生产方式[10 - 13].      1949 年,美国的植物学家和园艺学家在加州帕萨迪纳建立了第一座人工气候室[14],它的出现是植物工厂的早期模型,为植物工厂完善和发展做了成功探索和实践.在“人工气候室”的基础上,1957 年丹麦在哥本哈根市郊约克里斯顿农场建起了世界上第一座真正意义上的植物工厂,该植物工厂属于人工光与太阳光并用型;1964 年,&地利卢斯那公司研发了人工光型立体回转移动栽培式植物工厂[10],随后荷兰、以色列、意大利、美国、日本、瑞典、俄罗斯、韩国等国家展开了植物工厂技术的进一步研究

由于地理情况(耕地不足)的限制,这些国家的植物工厂发展的都比较早,植物工厂机械及作业装备已经达到了机械化水平,有些甚至达到了智能化水平

植物工厂的分类如表1 所示

        日本将植物工厂当作是解决土地、人口、粮食、食品安全、能源、农业人员老龄化、气候、环境和可持续发展等问题的根本途径[15];是“活化地域的起爆剂”,为地域生产发展、技术聚集、人员就业、生态环境、经济繁荣带来变化;是“中间产业”,不仅能带动农业发展,还带动工业、健康产业、信息产业的发展

大阪府立大学的植物工厂被认为是目前世界上最先进的完全人工光控制型植物工厂,是最新型植物生产的样板,也是全球研究和培训中心;是世界上首例用机器人选苗技术,首次导入自动运输机器人以及自动搬运线,从育苗到栽培工程全部使用LED 光源;具有最适配的空调系统,解决了光源产生热而造成周围环境温度差的问题.日本千叶大学未来(Mirai)植物工厂主要栽培生菜及苦苣等15种以上的蔬菜,在无土栽培方面具有30年多的经验.      千叶大学原校长古在丰树教授,是日本乃至世界植物工厂技术装备及产业发展的奠基人和倡导者,以他为代表的NPO 植物工厂研究会,一直在积极促进植物工厂的发展和技术的升级.      1987 - 1989 年,美国在亚利桑那州图森市北部的爱德华建起了目前全球最大的超大型植物工厂-生物圈二号,为后来研究地球系统科学与农业的人提供了一个非常好的学习样板[16].1998 年,美国哥伦比亚大学生态学家迪克森·德斯波米尔(Dickson De - spom-mier)首次提出“垂直农场”这一概念,成为植物工厂未来发展的趋势.美国垂直空中植物工厂、太空植物工厂已开始由设计图向现实转变

     荷兰农业资源有限,政府把植物工厂作为发展目标之一

其利用植物工厂主要发展蔬菜和花卉,对建造植物工厂的企业实行补贴,从而使荷兰成为世界上设施园艺产品出口量最大的国家[17].植物工厂机械化、自动化、智能化、无人化程度高,太阳光型植物工厂技术全球领先,现已把太阳光型植物工厂全套技术和设备作为强项产业,向中东、非洲、中国等国家和地区出口

国外植物工厂如图 1 所示

     我国从 20 世纪 90 年代开始植物工厂技术的研发工作,2004年浙江丽水农科院与国防科技大学合作成功建成我国第一座植物工厂,2005 年研制出 LED 植物工厂实验系统,2009 年建成首例智能型植物工厂,2010年上海世博会首次展出家庭 LED 植物工厂,2013 年国家正式将“智能化植物工厂生产技术研究”项目列入“863”计划[18].      植物工厂生产模式不受气候影响,具备生长周期固定、品质稳定,农作物产量稳定等特点

然而,目前全球正在经营中的植物工厂,真正能够获利的比例并不高.日本具有世界上先进的植物工厂技术,真正获利的仅占 20%、损益两平的约占 60%,其余 20% 仍面临相当大的亏损[13],而荷兰的状况也相近

2015 年,美国谷歌母公司 Alphabet 放弃了 X 实验室进行自动化垂直农场项目,他们使用一些技术只种出了一些蔬菜,最终却没能成功种出谷物和大米等主要粮食作物,所以不得不放弃这个项目.之所以如此,其原因在于目前经营植物工厂的业者,在关键技术的掌握上并不全面[19].因此,开展基于植物工厂技术的粮食作物的研究和探讨具有十分重要的理论价值

  


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