植物工廠系統與實踐（簡體書）

植物工廠是解決未來糧食問題的技術方法，受到世界矚目，發達國家已應用於生產實踐。我國近年來植物工廠發展迅速，植物工廠的一些關鍵技術均取得了重大突破。《植物工廠系統與實踐》以作者在植物工廠領域各項關鍵技術方面獲得的具有我國自主知識產權的研究成果為核心，分析了植物工廠基本概念、發展意義以及國內外發展歷程；介紹了植物工廠的工藝與系統構成、環境控制系統、LED人工光源系統、營養液栽培與控制系統、蔬菜品質調控等相關結構與配套技術體系，並介紹了我國植物工廠領域具體的技術方法、各項創新性研究成果；本書還通過對家庭微型植物工廠、典型植物工廠案例與技術經濟分析等內容的介紹，為讀者瞭解我國植物工廠的發展成果、分析技術經濟的可行性提供了有價值的參考；此外本書還對植物工廠發展趨勢、未來熱點領域以及我國今後發展思路進行了闡述。《植物工廠系統與實踐》適合植物工廠及園藝生產部門生產管理人員、科研技術人員，涉農部門領導、管理人員，農業科教單位技術人員、學生與廣大關心環境與可持續發展的社會大眾參考閱讀。．

《植物工廠系統與實踐》適合植物工廠及園藝生產部門生產管理人員、科研技術人員，涉農部門領導、管理人員，農業科教單位技術人員、學生與廣大關心環境與可持續發展的社會大眾參考閱讀。

第1章 植物工廠概述1.1 基本概念1.2 發展植物工廠的意義1.3 植物工廠歷史回顧1.3.1 國際植物工廠的發展1.3.2 國內植物工廠的發展第2章 植物工廠工藝與系統構成2.1 系統概述2.2 植物工廠生產工藝流程2.2.1 播種、催芽（2～3天）2.2.2 育苗（16～18天）2.2.3 定植與栽培（20～25天）2.2.4 收貨（1天）2.2.5 包裝、貯藏（0.5～3天）2.2.6 上市（0.5天）2.3 植物工廠系統構成2.3.1 外圍護結構與材料2.3.2 植物工廠系統構成第3章 植物工廠環境控制系統3.1 植物工廠潔淨系統3.2 溫度環境及其調控系統3.2.1 溫度對植物光合生理的影響3.2.2 植物工廠溫度調節與控制3.3 植物工廠濕度調節與控制3.3.1 降濕調節3.3.2 加濕調節3.4 CO2調節與控制3.4.1 CO2濃度與植物的光合成3.4.2 CO2氣源及其調控技術3.5 智能環境控制系統3.5.1 環境數據檢測3.5.2 環境監控系統3.5.3 上位機管理及遠程控制系統第4章 人工光源系統4.1 植物光合作用及其對光的需求4.1.1 光強對作物光合的影響4.1.2 光質對作物光合的影響4.1.3 光週期對植物的影響4.2 光照強度的表示方法4.3 各種人工光源及其特性4.3.1 植物對人工光源的要求4.3.2 植物工廠主要人工光源4.3.3 各種人工光源性能分析4.4 LED在植物工廠的應用4.4.1 LED在葉菜植物工廠的應用4.4.2 LED在植物育苗工廠的應用4.4.3 LED光源裝置及控制方式第5章 營養液栽培與控制系統5.1 營養液栽培的發展5.2 營養液栽培的方法與分類5.2.1 按照有無固體基質材料的分類5.2.2 按照營養液的供給方式進行分類5.3 營養液的管理5.3.1 營養液的組成5.3.2 營養液的配製5.3.3 營養液的調節與控制5.4 營養液循環與控制技術5.4.1 必要性分析5.4.2 養分及理化性狀調控5.4.3 微生物去除技術5.4.4 自毒物質去除技術5.5 營養液栽培與控制系統應用案例5.5.1 營養液栽培與控制系統構成5.5.2 營養液自動監控系統及功能5.5.3 控制時序及計算機界面5.5.4 控制參數及主要設備5.5.5 營養液控制效果第6章 植物工廠蔬菜品質調控6.1 植物工廠蔬菜品質調控的技術需求6.1.1 硝態氮調控的技術需求6.1.2 維生素C調控的技術需求6.1.3 次生營養物質的調控需求6.2 光環境品質調控技術6.2.1 光對硝酸鹽與維生素C含量的調控6.2.2 光對次生代謝物質的影響6.2.3 基於 LED的蔬菜品質調控技術6.3 營養液氮素品質調控技術6.3.1 斷氮調控技術6.3.2 氮素水平與光照協同調控6.3.3 氮素形態調控6.4 植物工廠蔬菜營養品質的調控策略第7章 家庭微型植物工廠7.1 家庭植物工廠關鍵技術7.1.1 人工光源技術7.1.2 人工環境控制技術7.1.3 營養液循環與控制技術7.1.4 遠程監控（物聯網）技術7.2 家庭植物工廠的開發應用第8章 典型案例與技術經濟分析8.1 植物工廠典型案例8.1.1 長春智能數字植物工廠8.1.2 上海世博會“低碳．智能．家庭植物工廠”8.1.3 山東壽光LED植物工廠8.1.4 遼寧瀋陽小韓村蔬菜工廠8.1.5 南京湯山翠谷智能數字植物工廠8.2 植物工廠技術經濟分析8.2.1 植物工廠的成本構成8.2.2 人工光源生產成本估算8.2.3 生產運行成本與設備成本的公式化8.2.4 不同生產規模的經濟性評價8.2.5 實際生產成本的分析案例第9章 前景展望9.1 國際趨勢9.1.1 技術發展趨勢9.1.2 熱點領域9.2 國內發展戰略9.2.1 植物工廠具有廣泛社會需求9.2.2 植物工廠發展面臨的問題9.2.3 我國植物工廠發展戰略9.3 未來展望參考文獻．

光環境要素對蔬菜硝酸鹽與維生素C含量具有重要影響，其中光質影響最為顯著。已有報道認為，光質調控有利于增加植物工廠蔬菜維生素C的含量，同時降低蔬菜的硝酸鹽含量。齊連東等（2007）用彩色熒光燈獲得紅色、藍色和黃色光源，研究了不同光質對菠菜產量與硝酸鹽積累的影響。結果表明，與白光和黃光相比，紅光處理下的生物量雖不高，但卻有利于干物質和碳水化合物的形成與積累，降低了硝酸鹽含量。等（2007）以熒光燈為對照，研究了92％紅光LED（640nm）+8％近紫外光、86％紅光LED+14％藍光LED和90％紅光LED+10％青光對生菜生長和硝酸鹽含量的影響。結果表明，紅光LED+藍光LED的糖含量顯著高于另外兩個組合，并顯著高于對照。三種處理中的硝酸鹽含量均低于對照15％～20％。進一步的研究表明，紅光在刺激硝化還原酶、降低硝酸鹽含量方面起著關鍵性的作用，紅藍光組合對提升植物中氮的吸收和同化有顯著影響。在植物工廠系統中，目前采用LED單色光及其組合光源己較為普遍，通過調節光質進行硝酸鹽調控已經成為可能，應用潛力巨大。
在營養品質調控方面，相關研究表明，LED紅光、藍光及其組合光源在葉菜、芽苗菜和果菜營養品質調控方面作用明顯，可選擇性地提高碳水化合物、蛋白質、維生素C、β—胡蘿卜素等指標的含量和抗氧化能力，同時降低硝態氮、草酸等有害物質含量。然而，不同光質的調控效果差異明顯。陳文吳等發現，與紅光相比，藍光和紅藍光照射下生菜的維生素C含量顯著提高，這一發現與Ohashi等用彩色熒光燈照射生菜和菠菜的試驗結果一致。相似的研究結果在芽苗菜和果菜光質試驗中也得到了印證。與白光相比，藍光及紅藍光組合處理增加了蘿卜苗和青蒜苗的維生素C累積。陳強等發現，藍光處理下轉色期的番茄果實維生素C含量最高，紅藍光次之，紅光最低。許莉等發現，單色熒光燈對葉用萵苣照射25天后，黃光下維生素C含量最高，依次是藍光和紅光。此外，增加藍光、紅藍光的光強或實施短期連續光照（光周期為24h）也可促進葉菜維生素C累積。王志敏等通過增加LED紅藍光的光強顯著提高了葉用萵苣的維生素C含量，同時他還采用熒光燈、LED藍光、紅藍光LED組合光源連續照射3天，生菜維生素C和可溶性糖含量均獲顯著增加、硝態氮含量明顯降低。試驗結果還顯示，紅藍光組合比例顯著影響生菜的品質變化，紅藍光比以4：1較好。Samuoliene和Urbonavciuote發現，與白光相比，紅光LED連續照射3天，顯著降低了基質培和水培菠菜中維生素c含量，紅光連續光照對維生素C累積起抑制作用。
6.2.2光對次生代謝物質的影響
影響作物次生物質代謝的光譜成分主要是紫外光部分，植物工廠系統的一個很重要的特征是人工光源中紫外線較為缺乏，包括UV—A（320～400nm）和UV—B（280～320nm），因此會影響作物次生代謝物質的形成和累積。Li和Kubota（2009）通過研究不同LED光質明期補光對生菜營養品質的影響，結果表明，增加UV—A可提高花青素的含量11％。Yang和Yao（2008）研究發現UV—A增加會導致葉綠素b降低、類胡蘿卜素增加。Tsormpatsidis等（2008）研究了不同UV輻射對生菜生長以及花青素、類黃酮和酚類物質的影響，采用UV完全透過膜，可透過320nm、350nm、370nm和380nm的膜，以及完全不透過UV輻射的膜進行試驗。結果表明，在完全不透過UV膜下（UV400nm）生菜的干重為生長在UV完全透過膜下的2.2倍；相反，完全透過UV膜下生菜的花青素含量卻是UV完全不透過膜下的8倍。而且，花青素含量和濾過的UV波長間存在曲線關系。總之，根據菠菜代謝物質的形成和累積規律，進行適當強度的紫外線補光照射，有利于提高植物工廠蔬菜的營養品質和營養保健功能。
6.2.3基于LED的蔬菜品質調控技術
為了獲取高品質的蔬菜，人們一直在研究如何在栽培過程中盡可能提高蔬菜中的可溶性糖、維生素C等營養物質的含量、降低硝酸鹽累積量。已有的研究主要從環境和營養調控的角度出發，如在采收前利用無氮營養液或氨態氮取代硝態氮等措施，來減少蔬菜硝酸鹽的累積，也有人采取調節自然光照時間來進行調控，但這些措施往往都是以降低蔬菜產量為代價，存在明顯缺陷。