?       LED就是的應用大體分視覺類與非視覺類，視覺類的應用有LED照明技術，非視覺類分植物光合與醫療保健，其中，LED植物光合應用(我們稱之為植物人工輻射源PARS)將是與LED照明技術一樣成為LED技術最大的應用市場，本文闡述植物工廠的整體概念和技術要點，論證了尖端科技融合的植物工廠的發展，展示了植物工廠作為現代農業創新科技的應用，植物工廠從根本上改變農業種植的概念，植物工廠標志著設施農業發展的高級階段，是最具有投資價值的新型產業。在城市內建立以生產蔬菜為目的的植物工廠成為世界各國競相發展的新領域。

1、概述

植物工廠PF(Plant Factory)是農業種植工業化的產物，是21世紀蔬菜種植發展方向，它標志著設施農業發展的高級階段，是未來10年最具有投資價值的新型產業。在城市內建立以生產蔬菜為目的的植物工廠成為世界各國競相發展的新領域。

植物工廠最主要的特征是打破傳統蔬菜生產模式，通過對植物光合、溫度、二氧化碳濃度、營養液等實現人工控制的高效率種植，實現訂單化生產，蔬菜的生產周期不會因為天氣等原因而改變，生產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，層架式結構是主要形式，隨著以LED技術為基礎的植物人工輻射源(PARS)的應用成本進一步降低，植物工廠將迎來發展的黃金期。

植物工廠成為投資熱點的主要原因是：

1) 種植環境惡化，食品安全，醫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農業遇到困境。

3) 城市化進程帶來的城市人口增加，蔬菜供應增大，而土地資源卻不斷減少。

4) 傳統農業生產引發的環境負擔不斷增加。

5) 城市蔬菜供給的物流成本增加，城市蔬菜價格上升，提供了產品盈利空間。

6) 為追求產量而在蔬菜種植中使用農藥和防蟲劑，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污染問題突出。

8) 太陽能與風能等清潔能源的應用規模不斷擴大，地熱應用技術也逐步應用。

9)LED技術的應用成本下降，多波段光質應用。

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境，實現全年固定周期量產，實現循環訂單化生產，穩定地提供無公害蔬菜的封閉的清潔生產環境。在這個環境里，植物的光合作用(光質，光量，光周期)、溫度、濕度、二氧化碳濃度、培養液成分、生產過程等都可以得到計算機與傳感器的有效控制，是以科學為基礎且獨立于經驗和直覺的新型農業生產。

植物工廠的優點：

1) 產品是按照訂單生產，生產周期與產量可以穩定。

2) 采用植物人工輻射源與溫度控制系統，不受地區氣候條件的影響。

3) 封閉的立體化種植，節省土地資源和防止污染。

4) 生產周期短，全年產量高，年產量是露天種植的4到8倍。

5) 可以做到真正的無公害安全蔬菜。

6) 生產人員按照程序規范生產，無需專業技術。

7) 工廠設置在城市內的購物區或者工業園區，減少供應物流成本。

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) 按照種植結構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發展緊密聯系，植物工廠的概念是在人造光源的基礎上發展而來的，最早利用人造光源進行的種植是在溫室進行，其理論依據是植物光合作用的研究成果，在太陽光的可見光范圍內(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植物室內種植。白熾燈、HID、熒光燈等人造光源已經在溫室種植得到了廣泛的應用，不同的人造光源在植物種植的區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節，植物的吸收率低，對電能的利用效率無法進一步提高。

人類的技術進步總是伴隨著能源利用效率的提高而發展，上個世紀九十年代初，發藍色光的LED(發光二級管)芯片制造技術實現量產，LED照明得到迅猛的發展，LED光源引發人造光源的變革，成為照明產業的主要光源，LED照明成為新一代光源的最主要特征是節能與環保， LED技術的發展對于農業種植的人造光源也帶來新的進步，LED技術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象是植物創造的，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。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光源本身只能發出單一波長的光，LED光源發光波長在380nm到735nm范圍內可以人為的控制，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能的。采用LED技術對植物光合作用的光質、光量、光周期的控制性能優于其他人造光源。

4、植物工廠的核心技術

1)、植物的光合作用實質上是對太陽輻射的光子的生物化學反應，植物的光合作用是由太陽輻射的光子產生的，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、照度等參數標定植物的光合作用會導致應用錯誤，LED植物人工輻射源波長范圍在太陽輻射范圍內，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鍵作用，植物工廠要實現生產周期最小化且供貨周期固定的生產模式，生產環境的溫度與濕度的控制可以保證植物在最佳溫度環境的快速生長，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，這兩種方式的基質是營養液，對營養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的主要手段，營養液自動化控制主要包括：液溫、EC、ph、溶氧以及營養液成分的補充、營養液的循環處理。

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，在植物工廠的環境控制系統中，都設置有二氧化碳濃度控制裝置，同時，植物光合作用產生的氧氣也需要采用過濾通風設備排出。空氣過濾裝置也有效防止病菌的侵入，在植物工廠里，農作物幾乎沒有病蟲害的襲擾。

5)、植物工廠的數據檢測與傳輸采用無線網絡，環境檢測、營養液檢測等數據需要網絡技術支持，植物工廠的網絡特點是距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸，是典型的周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據的傳輸應用，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。

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，立體種植把植物工廠引入小型化，數百平方米的小型植物工廠將是未來城市蔬菜供應的主要來源。

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，植物工廠的生產環境是相對封閉的，內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，使用的水質與營養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在植物工廠的產品里，植物工廠無需使用農藥與生長素，同時，植物工廠里使用的種植設備采用抗微生物材料，植物的種子是經過消毒處理，整個生產系統的微生物比傳統蔬菜種植降低數千倍，植物工廠產生的蔬菜可以達到無農藥、無重金屬、低硝酸鹽、低生物菌，植物工廠生產的蔬菜可以直接食用的，通過光質與光量的調整，可以改善蔬菜的營養與口感，植物工廠的蔬菜是全球范圍內安全度最高的蔬菜。

植物工廠生產的蔬菜，由于整個生產環節都符合安全型蔬菜生產的要求，生產的產品是健康食品，植物工廠的產品都標注無農藥，成為安全蔬菜的標志

7、植物工廠生產流程

在植物工廠里，植物的生長環境被設計成最佳條件，植物的生長周期基本固定，植物工廠的生產流程可以重復，工人不需要了解種植知識和種植經驗，只需要按照種植流程工藝進行工作，實現農業產品工業化生產模式，形成訂單化重復生產。

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，企業或個人難以承受;因此，植物工廠已開始朝著小型化方向發展，小型植物工廠投資小，見效快，逐漸成為植物工廠的發展方向。

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，溫度調節的效率高，自動化設備也可以進行簡化設計，如自動化設備也可以更改為手動控制，檢測設備也可以把無線數據傳輸改為人工巡視，不需要自動化播種設備和自動傳輸與采摘設備，這種小型植物工廠同樣可以完成植物工廠的設計目標，小型植物工廠可以連鎖方式實現規模化經營。

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節，營養液的指標的控制，最終的目的是實現蔬菜的最小周期的生產，并且是不受外界的氣候影響的循環生產，通常，在植物工廠生產的蔬菜的種植周期比室外種植快2-4倍，而且生產周期是固定的，在每平方米土地上，立體種植產量與平面種植產量之比是4-8倍，植物工廠的全年產量基本上是可以計算出來，這種固定產量的安全蔬菜在市場營銷的預期是相對準確，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備是已經成熟的技術設備，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組合，植物人工輻射源(PARS)是植物工廠的主要核心技術，生產安全型蔬菜是主要方向，隨著LED技術的應用成本降低，植物工廠將成為城市生活不可缺少的功能設施。

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融合

植物工廠集多種學科的技術融合，這些技術都是成熟的應用技術，這些技術的組合從根本上改變農業種植的概念，是創新型農業種植方式，是農業種植實現工業化生產的途徑，只有植物工廠才能長期穩定地生產出無公害蔬菜，植物工廠的多學科技術融合是為植物生長設定的最佳環境，植物工廠的生產技術是以科學為基礎且獨立于經驗和直覺的新型農業生產，為具備工業生產與管理經驗的投資者提供了新的選擇，農業種植通過植物工廠被提升為制造業。

11、植物工廠帶來的啟示

1)、從技術形態來看，植物工廠是設施農業技術進步而進入的高級階段，實際上植物工廠發展迅速更深層的原因是環境污染與食品安全問題觸發的，環境污染是推動植物工廠的最大動力，今后的環境治理只能逐步減輕環境污染的程度，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污染，有相當部分是大量化肥與農藥造成的污染，污染造成的產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藥，推高了傳統農業種植成本，形成惡性循環，面對環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展迅速的內在原因。

2)、從國外這幾年植物工廠應用狀況來看，最先涉足植物工廠的是大型的工業企業而非農業生產者，而且電子工業企業對植物工廠更感興趣，這是個非常有趣的現象，這與從事電子企業本身就擁有無塵級凈化生產車間，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的管理能力與資源優勢;許多工業企業已經看到工業制造業的市場盈利空間變小，企業必須要尋找新的發展機遇，未來一些農業生產會帶來比工業投資更高的回報，有些企業本身就是植物工廠的設備制造者，同時，植物工廠所需的技術管理條件他們已經具備;管理經驗與電子技術能力在植物工廠表現的尤為重要。

3)、在一些國家，政府對環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，投資環境長期利好，植物工廠生產的產品在市場上得到認可，被公認為無化肥與農藥的安全型蔬菜，產品市場份額不斷加大。

4)、我國政府對農業產業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，農業是我國繼工業產業高速發展后又一個新的發展機遇，從價格趨勢來看，工業產品的價格是逐漸降低，而農業產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，產品的市場盈利空間已經初現，產品的市場盈利能力才能最終決定植物工廠在我國發展的動力。

5)、植物工廠是LED技術應用的又一個大領域，以大中型城市進行保守的數據分析，大中型城市人均室內照明所需要的LED照明功率約每平方米2瓦，如果這些城市人口有4%%u7684人消費植物工廠產品，植物工廠需要的LED總量就接近室內照明LED的總量，相信未來植物種植所需的LED應用總量會超過城市室內LED照明總量，這個巨量的LED應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照明企業與LED封裝企業借鑒的思路。

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

7)、與植物工廠投資相比，溫室、大棚應用植物工廠概念進行育苗會取得事半功倍的效果，溫室、大棚內設定的人工環境下的育苗可能成為農業種植的新熱點，從我們的實驗結果來看，采用植物工廠生產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備的企業提高了盈利空間，是現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液成分的控制，植物工廠可以生產出低鉀蔬菜，低鉀蔬菜可以向糖尿病人提供，我國糖尿病發病率高達11%%uFF0C是糖尿病大國，低鉀蔬菜具有誘人的市場前景，生產特殊的醫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品制造大國，具有先天的優勢，合理有效的利用太陽能與風能是加速植物工廠發展的手段之一，太陽能與風能供電系統的應用也符合政府的扶持政策，此外，地熱循環應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展的方向。

結束語：植物工廠是設施農業發展的高級階段，是環境因素與食品安全因素推動下的產業，是LED產業應用的一個重要領域，具有巨大的市場空間，農業產業是未來10年我國最具有投資價值的產業。