立体种植与植物工厂，一个可大可小的设计课题

　　所谓立体农业种植，该定义最早来源于20世纪美国某大学，它具有综合性特点，从狭义角度来分析，农作物复合群体种类多样，并且不同种类生产时空差异显著，合理进行配套种植，能够优化立体交叉种植结构，这类种植方式被称为立体农业种植。从广义角度来讲，农业系统较复杂，并且农业深度、高度具有多维性，它类似于当前的循环经济，经济学特征较明显，发展立体农业种植，即大力挖掘农业资源，提高农业经济效益。无论从狭义角度分析，还是从广义角度分析，都对传统农业种植方式提出了挑战，并且支持农业先进技术发展。
　　立体生态循环农业模式，即借助生态循环提高农业生产效率，优化农业质量，最终实现农业综合效益增加的目的。对于动植物结合种植模式，通过发挥互补模式优势，提高农业空间利用率，同时，还能节省农业成本，满足动物、植物生长需要，并且能够实现环境保护目的，优化农产品质量。另一方面，山区反季节种植模式。我国社会经济水平加快的同时，人们对绿色食品关注度不断提高，并且绿色食品多样化需要较丰富，基于此，反季节种植模式应运而生，得到了立体农业种植户的一致认可。反季节种植模式应用的过程中，应结合当地立体气候特点，尊重农作物生长规律，充分结合气候特点、地势特点，打造独具特色的立体农业品牌，最终实现经济效益和生态效益双赢。
　　植物工厂是未来设施农业生产工业化的重要形式之一，其发展依赖于植物学研究的新技术、设施环境与植物互作、现代农业装备与物联网信息化技术应用、人工智能与数据服务等。植物工厂与传统工业相比较，具有极大的优势，植物工厂可以准确地调节温度、光照、微量元素等，集智能化、产业化、多功能化于一体，是现代设施农业发展的最高阶段。植物工厂的发展大致经历了实验研究阶段、示范应用阶段和快速发展阶段。近年来，一些发达国家的植物工厂发展迅速，美国、荷兰、日本等少数国家掌握了植物工厂的核心技术。研发新型低能耗植物工厂作物高效栽培系统与环境智能控制技术集成系统，建立基于互联网的植物工厂数字化平台加人工模拟气候环境下设施作物栽培所需的温湿度、气流组织、二氧化碳、LED 人工补光模组、肥水精灌一体化结合作物需水量及营养成分分析，形成作物微环境和作物生长机理互作专家决策数字模型，有效解决设施作物生长过程中的水、肥、气、光同补技术关键和实时监控，最大限度地发挥植物的生长潜能。
　　植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段，是高投入、高技术、精装备的工厂化农业体系，代表着未来农业的发展方向。目前，植物工厂主要分布于东亚和欧美国家，日本、荷兰、中国最具代表性。日本和荷兰由于地理位置的限制，植物工厂发展都比较早，具有成熟成套的植物栽培技术，并致力于向高层次、高科技和智能化方向发展。我国的植物工厂相比于日本、荷兰等发达国家，起步时间较晚，发展时间尚短。但我国不仅大胆地走出去、引进来，还加强技术交流，通过吸收、消化、再创新逐步掌握植物工厂的关键技术，形成具有中国特色的植物工厂技术体系，植物工厂研究突飞猛进，发展十分迅猛。
　　目前市场上现有的植物光照实验箱、培养箱或小型植物工厂很多，技术与大型植物工厂类似，都采用了类似电冰箱的全封闭结构以实现人工气候，存在昂贵、笨重，成本高、消耗高、故障率高等问题，普通高校生物系只能允许卖一台，中小学幼儿园及普通市民更是买不起，远不能满足教学科研及都市市民对农耕体验或者田园种植乐趣的需要。
　　气雾栽培具有极大的开发潜力，是解决根系水气矛盾问题的很好的一种形式。气雾栽培能够很大程度提升生产质量，特别是植物工厂，是未来植物栽培的重要发展趋势，并已大量应用于蔬菜和药用植物的生产，具有明显的商业潜在价值。
　　植物工厂建设的核心技术是工厂化气雾栽培自动监测与控制关键技术和系统集成，包括气雾化栽培环境的自动监测与控制、供给自动检测与控制技术与营养液混肥加液等关键技术，结合现场及远程控制、气雾化栽培控制与栽培工程结合等方面的技术与系统。
　　近年来，家庭植物工厂逐渐进入大众视野。在品种、营养液一定的情况下，栽培室内环境对果蔬生产效果起到决定性作用。构建家庭植物工厂作物生产的最适环境条件，将环境因子调控在最适宜作物生长的范围内，为家庭植物工厂生产提供有力支撑，是获得高产优质果蔬的有力保证。
　　学者们借鉴人工光型植物工厂的设计经验，在家庭植物工厂环境因子调控系统的设计方面开展了大量的研究工作，多以单片机作为核心控制单元，以LED 作为人工光源，控制因子以光和温度为主，有的系统还包含湿度、CO2等因子，控制方式逐渐由单机控制发展为基于物联网技术的远程控制。
　　随着人们生活水平的提高、家居条件的改善，人们越来越重视日常生活中消费的蔬果品质。目前日益严重的生态环境破坏和农药的肆意使用使人们对市场、超市出售的果蔬越来越失去信心。由于楼房居住是没有耕地的，因此，根据社会现状和实际需求设计了家用智能立体种植系统，可以利用家里较小的空间，实现小型果蔬的种植。
　　立体无土栽培以人工创造的作物根系环境取代了土壤环境，可以有效解决传统土壤栽培中难以解决的水分、空气和养分供应的矛盾，使作物根系处于最适宜的环境条件下，从而充分发挥作物的增产潜力，达到提高单位面积产量、提早或延后蔬菜供应期、增加生产茬次和培育壮苗的目的，利于自动化、工厂化生产。在国内的农业及社会发展中，土地资源、农业用地资源、水资源越发紧张。而土地污染、水资源污染也日益严重，其中土地资源利用率、水资源利用率、太阳能利用率和肥料利用率低。同时对于经济价值较高的作物和具备高观赏性价值的植物而言，环境因素对植物生长、产量和品质的影响很大。而为响应我国农业新政策，提高农民的收入，实现生产的自动化、智能化、科学化和数字化。
　　为满足目前户外具备规模性的建设，实现智能化数字化的生产控制管理的需求以技术手段科学降低劳动成本，提高生产效率的需求。通过设计的智能设备及管理系统来提高经济作物的产量和品质。
　　近年来，随着经济和社会的发展，许多居民利用家庭的阳台、屋顶、庭院等种植一些花卉和蔬菜，既能修身养性、改善和美化环境，还能获得绿色农产品，可谓一举多得。但是，大部分家庭的平面种植面积非常有限，只有向空间发展才能满足居民种菜养花的需求。目前，市场上用于立体种菜养花的工具在产品开发及配套的管理技术等方面比较落后。多层搭接自渗灌立面种植系统不仅空间利用率高，而且采用最先进的肥水一体化自动循环渗灌系统，使用和管理方便，可满足城市居民在阳台、露台、屋顶和庭院等处的蔬果花草种植需要。种植效果好，操作简便，具有较高的经济、社会和生态效益，应用前景广阔。
　　植物工厂作为现代农业发展的高级阶段，以人工可控的环境设施和工厂化作业为主要特征受地理气候等自然条件的影响小，可以按计划和市场需求进行生产作物生长。
　　植物工厂发展趋势。栽培作物种类将更加专用化、建设规模逐渐大型化、生产设施实用化、控制成本最优化。
　　水培技术及设施。水培的主要特征是植物的根系生长在营养液中，确切地讲，是一部分根系悬挂生长在营养液中，而另一部分根系则裸露在潮湿的空气中，因此水培的设施必须具备四项基本功能。种植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。
　　机械化、自动化是植物工厂的重要特征之一，各类机械设备和配套装置在植物工厂内所占的比重较大，除了对象作物和营养液之外，绝大多数都属于机械与设备的范畴，包括营养液栽培系统、环境调控系统、计算机控制系统以及相关的配套设备等。
　　植物工厂是在高精度环境控制的封闭或半封闭生长空间内进行植物周年生产的系统。在系统内需要为对象作物提供适宜的生长环境。这些环境因子包括光照(光强、光质和光照时数)、温度、湿度、风速以及营养液的pH、EC、肥料成分、溶氧量、液温、流速等。对植物工厂进行环境优化控制，最根本的是要明确作物光合作用、产物积累、转流分配、发育和呼吸等生理过程与环境因子之间的关系，综合考虑各环境因子的复台作用效果，选择运行成本低、效果好的调控手段进行优化控制，以达到理想的控制效果。
　　光照是作物生命活动的能量源泉，又是某些作物完成生命周期的重要信息。无论是弱光、短日照或强光、长日照都可能成为某些作物生长、发育的限制因子。因此，对植物工厂内的光照环境进行调节控制是十分必要的。光照环境的调节，是根据作物的种类生育阶段，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。
　　温度和植物生长的关系密切，温度对作物的重要性在于必须在一定的温度条件下，作物才能进行体内生理活动及其生化反应。植物工厂内外热收支除人工光利用型植物工厂外，其他类型的植物工厂都是一个半封闭的热力系统，它随时受到室内外诸多扰量的影响。其中，室外干扰量有：室外空气温度、湿度、太阳辐射强度、风速、风向等，室内干扰量包括采暖系统、照明及其他设备的散热，作物及栽培床的散热、散湿等。在这些干扰量作用下，室内的空气始终保持着热平衡。
　　室内热环境控制就是通过一定的工程措施，人为地调节室内与外界环境之间的热量变化，使温度维持在作物生长需要的水平。当室内空气得热量大于失热量时，温度升高，反之，温度降低。夏季外界气温较高，为了防止室内温度过高，应尽量减少室内的热量，增加散热量。遮阳、通风、蒸发降温等都是降低室温的常用方法。冬季室外气温较低，室内外温差大，为了保持室温，应尽量减少失热量，增加得热量。采取保温节能措施，必要时启用采暖设备是保证植物工厂冬季正常运转的基本条件。
　　植物工厂内的气温和栽培床基质(或营养液)的温度对作物的光合作用、呼吸作用、光合产物的输送、根系的生长以及水分和养分的吸收均有着显著的影响。
　　植物工厂内的温度调节与控制。温度对作物的生长发育、产量、品质影响极大，温度控制的目的是维持作物生长发育过程的动态适温。温度控制的主要内容和技术有加温、通风换气、通风方式有自然通风和强制通风两种。
　　湿度环境及其控制技术。植物工厂内空气相对湿度决定了作物叶面和周围空气之间的水蒸汽压力差，影响作物叶面的蒸发。湿度的大小不仅影响着设施内作物蒸腾与地面蒸发量，而且直接影响着作物光合强度与病害的发生。湿度低，作物叶面蒸发量大，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。湿度高，作物叶面的蒸发量小，严重时体内水分过多，导致茎叶增大，影响产量。湿度对作物的另一个影响是病虫害。不同的作物对空气中相对湿度的要求也不相同，因此应根据不同的作物品种及所处的生长期对空气湿度进行调节。
　　植物工厂内相对湿度的控制可采用加热、通风和吸湿等方法。加热提高温室温度，在室内空气含湿量一定的情况下，相对湿度自然下降。适当通风将室外干燥的空气送入室内，排出室内高湿空气可以降低室内相对湿度。最好的办法是将加热和通风结合起来，形成热风供暖系统。直接采用固态或液态的吸湿剂吸收空气中的水汽也是一种降低空气湿度的方法。
　　除湿与降湿调节。为了调控设施内过高的相对湿度，通常采用以下几种降湿方法。通风换气降湿，设施内造成高湿的原因主要是密闭。为了防止室内高温高湿，可采取自然通风或强制通风换气，以降低室内湿度。通风换气量的大小与作物蒸发、蒸腾的大小及室内外的温湿度条件有关。加温降湿，在一定的室外气象条件与室内蒸腾蒸发及换气率条件下，室内相对湿度与室内温度成负相关。因此，冬季设施内适当的加温是降低室内相对湿度的有效措施之一。加温的高低，除作物需要的温度条件外，就湿度控制而言，一般以保持叶片不结露为宜。热泵降湿。利用压缩机对制冷工质压缩做功，使制冷工质通过蒸发器蒸发时从低温热源吸取蒸发潜热，经压缩后再通过高温散热器，将从低温热源吸取的热量与压缩机压缩做功的热量一起放热于高温加热间，这是热泵正常的工作程序。常用的加湿方法有：喷雾加湿与湿帘风机降温系统加湿等。其中，湿帘风机降温系统加湿，还可以降温，同时，不会出现因加湿而打湿叶片的现象。在高温、干燥季节，用湿帘风机降温系统加湿是较为经济有效的方法之一。
　　以上图片和文本来源于网络和期刊，供学生参考，了解立体种植和植物工厂的相关技术和发展情况。
　　以上是一些期刊所刊出的相关设计，仅供参考。
　　植物种类不同，环境不同，设计不同。
　　控制量不同，控制器不同，设计不同。
　　控制水平不同，自动化、智能化程度不同，复杂度不同，设计不同。
　　诗人海子说从明天起，做一个幸福的人喂马、劈柴，周游世界从明天起，关心粮食和蔬菜我有一所房子，面朝大海，春暖花开从明天起，和每一个亲人通信告诉他们我的幸福那幸福的闪电告诉我的我将告诉每一个人给每一条河每一座山取一个温暖的名字陌生人，我也为你祝福愿你有一个灿烂的前程愿你有情人终成眷属愿你在尘世获得幸福我只愿面朝大海，春暖花开。立体种植和植物工厂，是一个非常有意义的课题，行动起来吧，干就完了！