农业遥感与信息技术应用研究所
肥料资源与养分综合管理专题
集成加热系统、通风系统、遮荫/保温内帘幕系统、外遮荫系统、 C02施肥系统、空气循环系统、植物保护系统、高压喷雾降温系统、 湿帘—风机系统、屋顶喷淋系统、补充光照系统、灌溉施肥系统、废 液回收—消毒系统、电气与计算机控制系统等于一体，真正实现多功 能，多场合运用。
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研究：
✓ 20C80S中期，瑞士艾伯森公司， 并用型大型植物工厂；
✓ 美国米德兰都农场，18000m2的植 物工厂；
✓ 加拿大冈本农园，人工光蔬菜工厂， 寒冷地区植物工厂的典范；
✓ 荷兰，计算机应用居世界前列； ✓ 1985年，日本筑波世博会，三层楼
高的塔式人工利用型植物工厂； ✓ 1989年，成立日本植物工厂学会。
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共同特征
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✓ 固定的设施 ✓ 计算机和多种传感装置实行自动化、半自动化控制 ✓ 营养液栽培技术 ✓ 产品的数量和质量大幅度提高
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2 研究现状
发展历史
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• 试验研究阶段（20世纪40年代～60年代末） • 示范应用阶段（20世纪70年代～80年代中期） • 快速发展阶段（20世纪80年代中期～至今）
• 知识与技术密集的集约型农业生产方式，依托于设施园艺、建筑工 程、环境控制、材料科学、生物技术、信息学和计算机（网络通讯、 人工智能、模拟与控制）等学科的基础上。
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分类
• 大型 >1000m2 • 中型300-1000m2 • 小型<300m2
建设规模
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植物工厂
设施农业的终极，垂直农业的前奏
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目录
定义与分类特征 研究现状 关键技术 优点 发展趋势
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1 定义与分类特征
定义
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• 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。
✓ 作物对光照度、时间和光谱成 ✓ 系统的投资及运行费用 分的要求
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常用人工光源: ✓ 白炽灯：红外线，可见光比例小，发光效率低，辅助光源 ✓ 荧光灯：低压气体放电灯，光谱性能好，使用寿命长，光周期补光 ✓ 金属卤化物灯：新型光源，效率高、光色好、寿命长，高强度光源 ✓ 高/低压钠灯：产热量小，更易接近作物 ✓ LED光源：绿色光源，光谱分布可调节、冷光源、小型化、寿命长 ✓ LD光源：体积小、重量轻、低电压、脉冲发光、干涉性好、寿命长 等优点，功率高、发光效率好、可用电流直接调节；前景看好
气体调控
通风换气 ✓ 排除多余热量，降低室温 ✓ 排除多余水汽，调节湿度
方式 ✓ 自然通风 ✓ 强制通风 • 负压通风 • 正压通风 • 等压通风
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增加CO2浓度 ✓ 有利于光合速率的提高 ✓ 提高作物的水分利用率
CO2 肥源 ✓ 酒精酿造工业的副产品 ✓ 碳氢化合物燃烧 ✓ 强酸与碳酸盐化学反应 ✓ 空气分离
定义：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光 扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接， 进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监 控和管理的一种网络。
“物物相连的互联网”（The Internet of things） ✓核心和基础仍是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络； ✓用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。
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两种类型
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基质栽培技术及设施
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定义：通过基质支持作物根系并提供一定水分和营养元素的栽培模式 形式：槽培、袋培、岩棉培等 供液方式：滴灌 供液系统：开路系统&闭路系统 对基质要求：
✓ 具有一定大小的粒径； ✓ 具有良好的物理特性； ✓ 具有稳定的化学性状。 设施：种植槽、供液与排液系统、贮液池、自动控制系统等
• 小型到中型 逐渐向大型 化方向发展， 大型化已经 成为必然趋 势
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• 因国而异， 一方面降低 生产成本， 另一方面加 快应用步伐
控制成本实现 最优化
• 电子信息与 计算机技术 以及新材料、 新设施等高 新技术的应 用
生产设施更加 实用化
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长春·智能数字植物工厂 —国内植物工厂领域重大突破
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屋顶绿化到屋顶农业 —加拿大卢法农场
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日本Pasona地下农业
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世博会“天下一家”主题馆内的“家庭植物工厂”
湿度 高
作物叶面蒸 发小，严重 时体内水分 过多，导致 茎叶增大， 影响产量。 也容易产生
病害。
相对湿度25%～80%
✓喷 雾 加 湿 ✓ 湿帘风机降温
加湿系统
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湿度 低
作物叶面蒸 发大，严重 时导致根部 供水不足， 作物体内水 分减少，细 胞缩小，气 孔率降低， 光合作用产 物减少。
• 种苗植物工厂 • 商品菜（果、花）
植物工厂
生产功能
• 植物体 • 组织培养 • 细胞培养
研究对象
• 太阳光利用型 • 人工光利用型 • 太阳光和人工光
并用型
光能利用 方式
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人工光利用型
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太阳光利用型 并用型利用型
✓全封闭式，屋顶及 墙壁材料
✓人工光源 ✓植物在线检测和网 络技术
光源布置：作物、光照度、温室高度、灯的大小
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3.4 计算机智能管理
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优势：智能调控；对众多的信息进行快速处理。 管理：环境、植物体、生产作业、销售和生产资料。 系统：
✓ 生产分析系统 ✓ 生产信息系统 ✓ 经营战略支撑系统
农业遥感与信息技术应
备 机器设备
销售信息
环境监测控制 环境监测控制系
统
植物生长模式 植物体信息系统
工作记录数据库 生产计划系统
销售记录数据库 销售计划系
统
植物生产分 析系统
经营战略支 持系统
生产资料 管理系统
生产资料管 理数据库
植物生产信
植物生产 息数据库 信息系统
3.5 物联网技术
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温度高
作物及栽培床的散热、散 湿等
•热 水 供 暖 •地 上 部 加 热 •地 下 部 加 温
•遮 阳 降 温 •非 升 温 材 料 •蒸 发 冷 却 法 •冷 水 蓄 热 系 统
温度低
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湿度调控
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✓ 通风换气降湿 ✓热 泵 降 湿 ✓加 温 降 湿
✓ 1963年，奥地利的卢斯纳公司建 成一座高30m的塔式植物工厂。
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示范应用阶段
特点：
✓ 应用范围广； ✓ 营养液栽培技术日臻成熟； ✓ 自动化控制逐渐完善； ✓ 开发力度加大，示范效果明显
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研究：
✓ 1973年，英国，营养液膜法水培模式； ✓ 波兰、罗马尼亚等国，10多家； ✓ 英国，果树植物工厂，利用固体基质； ✓ 维也纳，太阳光利用型钢价玻璃结构
欧航局推荐“火星菜”
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3 关键技术
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3.1 立体无土栽培技术
✓ 营养液栽培技术 ✓ 水培技术及设施 ✓ 基质栽培及设施 ✓ 喷雾栽培及设施
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营养液栽培技术
水培
深液汽水培（DFT）
定义：一种不依赖土
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4 优点
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不再靠天吃饭 自动化程度高 多层栽培 生长快 高产、绿色 ……
5 发展趋势
• 叶菜类 • 瓜果类 • 花类 • 草药类 • 食用菌类 • 粮食作物 • 果树类
作物种类更加 专用化
建设规模逐渐 大型化
3.3 光环境调控技术
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原理：根据作物的种类及生育阶段，通过一定的措施，调节光照条件， 创造良好的光照环境，以提高作物的光合效率。
✓ 补光调节：高纬度地区或连阴天/光周期临界期
✓ 遮光调节
人工光源选择依据
✓ 作物对光的响应
✓ 可产生最佳效果的光源
✓ 其他环境因素的影响
✓ 最均匀光照系统的设计
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水培技术及设施
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主要特征：植物的根系生长在营养液中，确切的讲是一部分根系 悬挂生长在培养液中，而另一部分根系则裸露在潮湿的空气中。 设施基本功能
✓ 种子槽能盛装营养液而不渗漏 ✓ 能锚定植株并使根系浸润到营养液 ✓ 营养液和根系处于黑暗之中 ✓ 根系获得足够的氧 设施：种植槽、定植槽、贮液池、营养液循环系统等