摘 要：隨著農(nóng)業(yè)工程技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著越來越大的作用，植物工廠技術(shù)是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)前沿科技的綜合體現(xiàn)，是農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。為此，在綜合分析國內(nèi)外植物工廠技術(shù)的發(fā)展歷程及水稻育秧所面臨問題的基礎(chǔ)上，明確了植物工廠相關(guān)技術(shù)應(yīng)用在水稻育秧過程中的必要性及亟待解決的核心技術(shù)問題，并論述了基于植物工廠技術(shù)的水稻育秧的發(fā)展前景，為培育高質(zhì)量的水稻秧苗及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)參考與發(fā)展模式方面的借鑒。

關(guān)鍵詞：植物工廠技術(shù);水稻育秧;育秧工藝;核心技術(shù);環(huán)境參數(shù)。

引 言

水稻是世界上重要的糧食作物，120 個國家和地區(qū)廣泛栽培種植，是全球 50% 以上、中國 60% 以上人口的主食[1].隨著人口的不斷增長及可利用耕地面積逐年減少，糧食需求問題日益嚴(yán)峻，提高水稻產(chǎn)量顯得尤為重要，其中提高秧苗的質(zhì)量是增加稻谷產(chǎn)量的重要途徑之一。秧苗素質(zhì)與生育進程及其最終產(chǎn)量息息相關(guān)，提高秧苗素質(zhì)、增強抗性，進而促進插秧后能夠早生快發(fā)，成為水稻產(chǎn)量提高的重要舉措[2].

近年來，極端氣候頻發(fā)，傳統(tǒng)溫室大棚抵御能力較差，直接危及水稻生產(chǎn)[3].哈爾濱市呼蘭區(qū) 2012 - 2014年采用人工方式對光、溫、水、氣、肥等作物生長要素實施調(diào)控，因環(huán)境精度與及時性受到人為因素干擾，出現(xiàn)大面積不出苗、爛秧、死苗和稻苗長勢弱的現(xiàn)象[4].2016 年，重慶市受 4 月份陰雨寡照天氣影響，秧苗長勢較緩，單株分蘗比 2015 年少1 ~2 個，移栽進度較2015年慢 3 個百分點[5].為解決此類問題，前人做過大量的研究。對于光照不足的問題，林超輝等[6]采用補光的方法，研究設(shè)計了太陽光與人工光相結(jié)合的育秧大棚;為解決占地面積問題，郭占斌等[7]采用多層立體大棚旋轉(zhuǎn)鋼結(jié)構(gòu)架，研制出立體式工廠化育秧大棚;為獲取棚室內(nèi)較高精度的環(huán)境參數(shù)，郭有強等[8]采用帶解耦模糊控制算法，研制出具有高精度環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)的水稻育秧大棚。秦雯等[9]設(shè)計了一套環(huán)境參數(shù)自動調(diào)控的智能化大棚育秧系統(tǒng)。

上述方法能夠解決水稻育秧過程中單一因素引起的問題，卻難以保證光照、溫度、濕度、通風(fēng)、營養(yǎng)液供給等因素之間的相互影響及參數(shù)精度.

植物工廠相關(guān)技術(shù)不僅提供高精度環(huán)境參數(shù)，還可以實現(xiàn)數(shù)字化及智能化控制。

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者在植物工廠技術(shù)上進行了大量的研究，國外植物工廠技術(shù)已經(jīng)處于成熟階段，而我國尚處于初級階段，基于植物工廠技術(shù)的水稻育秧研究水平一直落后于其在生產(chǎn)上的利用程度，這種理論研究滯后于生產(chǎn)實踐的局面勢必影響其在實際應(yīng)用中的進一步大規(guī)模利用。研究基于植物工廠技術(shù)的水稻育秧，不僅對水稻產(chǎn)量的提高具有重要的指導(dǎo)意義，同時將為研究禾谷類作物育秧提供理論借鑒。因此，開展基于植物工廠技術(shù)的水稻育秧的研究和探討具有十分重要的理論價值和現(xiàn)實意義.

1.植物工廠技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀。

植物工廠的概念最早是由日本提出來的.植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是利用計算機對植物生育的溫度、濕度、光照、CO2濃度及營養(yǎng)液等環(huán)境條件進行自動控制，使設(shè)施內(nèi)植物不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)。植物工廠是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，是現(xiàn)代生物技術(shù)、建筑工程、環(huán)境控制、機械傳動、材料科學(xué)、設(shè)施園藝和計算機科學(xué)等多學(xué)科集創(chuàng)新、知識與技術(shù)高度密集的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[10 - 13].

1949 年，美國的植物學(xué)家和園藝學(xué)家在加州帕薩迪納建立了第一座人工氣候室[14],它的出現(xiàn)是植物工廠的早期模型，為植物工廠完善和發(fā)展做了成功探索和實踐.在“人工氣候室”的基礎(chǔ)上，1957 年丹麥在哥本哈根市郊約克里斯頓農(nóng)場建起了世界上第一座真正意義上的植物工廠，該植物工廠屬于人工光與太陽光并用型;1964 年，&地利盧斯那公司研發(fā)了人工光型立體回轉(zhuǎn)移動栽培式植物工廠[10],隨后荷蘭、以色列、意大利、美國、日本、瑞典、俄羅斯、韓國等國家展開了植物工廠技術(shù)的進一步研究。由于地理情況(耕地不足)的限制，這些國家的植物工廠發(fā)展的都比較早，植物工廠機械及作業(yè)裝備已經(jīng)達到了機械化水平，有些甚至達到了智能化水平。植物工廠的分類如表1 所示。

日本將植物工廠當(dāng)作是解決土地、人口、糧食、食品安全、能源、農(nóng)業(yè)人員老齡化、氣候、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展等問題的根本途徑[15];是“活化地域的起爆劑”,為地域生產(chǎn)發(fā)展、技術(shù)聚集、人員就業(yè)、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟繁榮帶來變化;是“中間產(chǎn)業(yè)”,不僅能帶動農(nóng)業(yè)發(fā)展，還帶動工業(yè)、健康產(chǎn)業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。大阪府立大學(xué)的植物工廠被認(rèn)為是目前世界上最先進的完全人工光控制型植物工廠，是最新型植物生產(chǎn)的樣板，也是全球研究和培訓(xùn)中心;是世界上首例用機器人選苗技術(shù)，首次導(dǎo)入自動運輸機器人以及自動搬運線，從育苗到栽培工程全部使用LED 光源;具有最適配的空調(diào)系統(tǒng)，解決了光源產(chǎn)生熱而造成周圍環(huán)境溫度差的問題.日本千葉大學(xué)未來(Mirai)植物工廠主要栽培生菜及苦苣等15種以上的蔬菜，在無土栽培方面具有30年多的經(jīng)驗.

千葉大學(xué)原校長古在豐樹教授，是日本乃至世界植物工廠技術(shù)裝備及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的奠基人和倡導(dǎo)者，以他為代表的NPO 植物工廠研究會，一直在積極促進植物工廠的發(fā)展和技術(shù)的升級.

1987 - 1989 年，美國在亞利桑那州圖森市北部的愛德華建起了目前全球最大的超大型植物工廠-生物圈二號，為后來研究地球系統(tǒng)科學(xué)與農(nóng)業(yè)的人提供了一個非常好的學(xué)習(xí)樣板[16].1998年，美國哥倫比亞大學(xué)生態(tài)學(xué)家迪克森·德斯波米爾(Dickson De - spom-mier)首次提出“垂直農(nóng)場”這一概念，成為植物工廠未來發(fā)展的趨勢.美國垂直空中植物工廠、太空植物工廠已開始由設(shè)計圖向現(xiàn)實轉(zhuǎn)變。

荷蘭農(nóng)業(yè)資源有限，政府把植物工廠作為發(fā)展目標(biāo)之一。其利用植物工廠主要發(fā)展蔬菜和花卉，對建造植物工廠的企業(yè)實行補貼，從而使荷蘭成為世界上設(shè)施園藝產(chǎn)品出口量最大的國家[17].植物工廠機械化、自動化、智能化、無人化程度高，太陽光型植物工廠技術(shù)全球領(lǐng)先，現(xiàn)已把太陽光型植物工廠全套技術(shù)和設(shè)備作為強項產(chǎn)業(yè)，向中東、非洲、中國等國家和地區(qū)出口。國外植物工廠如圖 1 所示。

我國從 20 世紀(jì) 90 年代開始植物工廠技術(shù)的研發(fā)工作，2004年浙江麗水農(nóng)科院與國防科技大學(xué)合作成功建成我國第一座植物工廠，2005 年研制出 LED 植物工廠實驗系統(tǒng)，2009 年建成首例智能型植物工廠，2010年上海世博會首次展出家庭 LED 植物工廠，2013 年國家正式將“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究”項目列入“863”計劃[18].

植物工廠生產(chǎn)模式不受氣候影響，具備生長周期固定、品質(zhì)穩(wěn)定，農(nóng)作物產(chǎn)量穩(wěn)定等特點。然而，目前全球正在經(jīng)營中的植物工廠，真正能夠獲利的比例并不高.日本具有世界上先進的植物工廠技術(shù)，真正獲利的僅占 20%、損益兩平的約占 60%,其余 20% 仍面臨相當(dāng)大的虧損[13],而荷蘭的狀況也相近。2015 年，美國谷歌母公司 Alphabet 放棄了 X 實驗室進行自動化垂直農(nóng)場項目，他們使用一些技術(shù)只種出了一些蔬菜，最終卻沒能成功種出谷物和大米等主要糧食作物，所以不得不放棄這個項目.之所以如此，其原因在于目前經(jīng)營植物工廠的業(yè)者，在關(guān)鍵技術(shù)的掌握上并不全面[19].因此，開展基于植物工廠技術(shù)的糧食作物的研究和探討具有十分重要的理論價值。

本文來源：藏刊網(wǎng)，參考文獻略