抽象的

目前，植物工厂已成功实现黄瓜、番茄、辣椒、茄子、甜瓜等蔬菜种苗的培育，批量向农民提供优质种苗，种植后产量表现更佳。植物工厂已成为蔬菜产业重要的种苗供应渠道，在推动蔬菜产业供给侧结构性改革、保障城市蔬菜供应和绿色蔬菜生产方面发挥着日益重要的作用。

植物工厂育种系统设计及关键技术设备

作为目前最高效的农业生产系统，植物工厂育种系统集成了人工照明、营养液供应、三维环境控制、自动化辅助操作、智能生产管理等综合技术手段，并融合了生物技术、信息技术和人工智能等智能化高新技术成果，推动了该行业的持续发展。 

LED人工光源系统

人工光照环境的构建是植物工厂育种系统的核心技术之一，也是育种生产的主要能源消耗来源。植物工厂的光照环境具有很强的灵活性，可以从光质、光强度、光周期等多个维度进行调控，同时，不同的光照因子可以按时间顺序进行优化组合，形成育种光照配方，从而确保适宜的人工育种光照环境。因此，基于不同育种阶段的光照需求特点和生产目标，通过优化光照配方参数和光照供给策略，开发了一种特殊的节能型LED光源，该光源能够显著提高育种的光能转换效率，促进育种生物量的积累，提高育种质量，同时降低能耗和生产成本。此外，光照环境调控也是育种驯化和嫁接苗愈合过程中的重要技术手段。

可拆卸多层垂直育苗系统

植物工厂的育苗采用多层三维货架系统。通过模块化系统设计，可实现育苗系统的快速组装。货架间距可灵活调节，以满足不同品种育苗的空间需求，大幅提高空间利用率。此外，育苗床系统、照明系统以及水肥灌溉系统的独立设计，使育苗床兼具运输功能，便于移至播种、发芽、驯化等不同车间，并减少了育苗盘搬运的人工成本。

可拆卸多层垂直育苗系统 

水肥灌溉主要采用潮汐式、喷洒式等方式，通过精确控制营养液的供应时间和频率，实现水和矿质养分的均匀供应和高效利用。配合专为幼苗配制的营养液配方，能够满足幼苗生长发育的需求，确保幼苗快速健康生长。此外，通过在线营养离子检测系统和营养液杀菌系统，可以及时补充养分，同时避免微生物和次生代谢产物的积累，从而保障幼苗的正常生长。 

环境控制系统

精准高效的环境控制是植物工厂育苗系统的主要特点之一。植物工厂的外部维护结构通常采用不透明且高度隔热的材料搭建而成。在此基础上，光照、温度、湿度、风速和二氧化碳等环境因素的调节几乎不受外部环境的影响。通过构建CFD模型优化风道布局，并结合微环境控制方法，可以实现高密度培养空间内温度、湿度、风速和二氧化碳等环境因素的均匀分布。利用分布式传感器和接触式控制实现智能环境调控，并通过监控单元与控制系统的连接，对整个培养环境进行实时调控。此外，采用水冷光源和水循环系统，并引入室外冷源，可以实现节能降温，降低空调能耗。

自动辅助操作设备

植物工厂育苗作业流程严格，作业密度高，空间紧凑，自动化辅助设备必不可少。自动化辅助设备的使用不仅有利于降低劳动力消耗，还有助于提高栽培空间的利用率。目前已开发的自动化设备包括穴盘覆土机、播种机、嫁接机、AGV物流输送车等。在配套的智能管理平台控制下，育苗全过程基本可以实现无人化操作。此外，机器视觉技术在育苗过程中也发挥着越来越重要的作用。它不仅有助于监测幼苗的生长状况，辅助商品苗的管理，还能自动筛选弱苗和死苗。机械臂负责幼苗的移除和填充。

植物工厂育种的优势

高水平的环境控制确保了年产量

由于育苗的特殊性，其栽培环境的控制至关重要。在植物工厂条件下，光照、温度、水分、空气、肥料和二氧化碳等环境因素均得到高度控制，能够为育苗提供最佳生长环境，不受季节和地域的限制。此外，在嫁接苗和扦插苗的育种过程中，嫁接伤口愈合和根系分化等过程对环境控制要求更高，而植物工厂正是实现这一目标的理想载体。植物工厂自身环境条件的灵活性强，因此对于非育苗季节或极端环境下的蔬菜育苗具有重要意义，能够为蔬菜的长期供应提供种苗支持。此外，植物工厂的育苗不受空间限制，可在城市郊区和社区公共空间等场所进行。其规格灵活可变，能够实现高质量种苗的大规模生产和即时供应，为城市园艺的发展提供了重要支撑。 

缩短育种周期，提高种苗质量

在植物工厂条件下，由于对各种生长环境因素的精确控制，育苗周期比传统方法缩短了30%至50%。育苗周期的缩短可以增加育苗批次，提高生产者的收益，并降低市场波动带来的经营风险。对于种植者而言，这有利于提早移栽种植、提前上市，提高市场竞争力。另一方面，植物工厂培育的育苗苗株型整齐健壮，形态和品质指标显著提高，定殖后产量表现更佳。研究表明，在植物工厂条件下培育的番茄、辣椒和黄瓜育苗苗不仅提高了叶面积、株高、茎粗、根系活力等指标，而且提高了定殖后的适应性、抗病性、花芽分化率，在产量等方面也具有明显优势。种植植物工厂培育的黄瓜幼苗后，每株雌花数增加了33.8%，每株果实数增加了37.3%。随着幼苗发育环境生物学理论研究的不断深入，植物工厂在塑造幼苗形态和提升生理活性方面将更加精准可控。

 温室和植物工厂中嫁接苗状态的比较

有效利用资源以降低幼苗成本

植物工厂采用标准化、信息化、工业化的种植方式，对种苗生产的每个环节进行严格控制，显著提高资源利用效率。种子是种苗培育的主要成本消耗。由于传统种苗操作不规范、环境可控性差，存在种子不发芽、生长不良等问题，导致从种子到商品苗的整个过程中造成巨大浪费。在植物工厂环境下，通过种子预处理、精细播种和精准控制栽培环境，种子利用率大幅提高，用量可减少30%以上。水、肥料等资源也是传统种苗培育的主要成本消耗，资源浪费现象严重。在植物工厂条件下，通过应用精准灌溉技术，水肥利用率可提高70%以上。此外，由于植物工厂本身的结构紧凑且环境控制统一，幼苗繁殖过程中的能源和二氧化碳利用效率也得到了显著提高。

与传统的露天育苗和温室育苗相比，植物工厂育苗的最大特点在于其多层三维立体化生产模式。在植物工厂中，育苗可以从平面延伸到垂直空间，极大地提高了单位土地的育苗效率，显著提升了空间利用率。例如，某生物科技公司研发的标准育苗模块，在4.68平方米的占地面积下，单批次可育苗1万余株，足以满足3.3亩（2201.1平方米）蔬菜的生产需求。在高密度多层立体化育苗的条件下，配合自动化辅助设备和智能物流运输系统，可大幅提高劳动力利用效率，节省50%以上的人力。

高抗性育种有助于绿色生产

植物工厂洁净的生产环境能够大幅降低育苗空间内病虫害的发生率。同时，通过优化栽培环境配置，所生产的种苗将具有更高的抗病性，从而显著减少种苗繁殖和种植过程中农药的喷洒。此外，对于嫁接苗、扦插苗等特殊种苗的培育，植物工厂可采用光照、温度、水分、肥料等绿色控制措施，替代传统操作中大量使用激素，从而保障食品安全，减少环境污染，实现绿色种苗的可持续生产。

生产成本分析 

植物工厂提高育苗经济效益的途径主要包括两方面。一方面，通过优化结构设计、规范操作流程以及运用智能化设施设备，可以降低育苗过程中种子、电力和劳动力的消耗，提高水、肥料、热能和能源的利用效率，并提高气体和二氧化碳的利用率，从而降低育苗成本；另一方面，通过精确控制环境和优化工艺流程，缩短育苗时间，提高年育苗批次和单位面积育苗产量，从而增强市场竞争力。 

随着植物工厂技术的发展和环境生物学对育苗栽培研究的不断深入，植物工厂育苗成本已基本与传统温室栽培持平，但育苗质量和市场价值更高。以黄瓜育苗为例，生产材料成本占比很大，约占总成本的37%，包括种子、营养液、穴盘、基质等；电力消耗约占总成本的24%，包括植物照明、空调和营养液泵的能耗等，这是未来优化的主要方向。此外，人工投入比例低是植物工厂生产的一大特点。随着自动化程度的不断提高，人工成本将进一步降低。未来，通过开发高附加值作物和发展珍贵林木育苗的产业化栽培技术，植物工厂育苗的经济效益有望得到进一步提升。

黄瓜苗成本构成/%

工业化状况

近年来，以中国农业科学院都市农业研究所为代表的科研机构和高新技术企业已在植物工厂中实现了种苗培育产业化，为种苗提供了从种子到出苗的高效工业化生产线。其中，2019年建成投产的山西植物工厂占地3500平方米，30天周期内可培育80万株辣椒苗或55万株番茄苗。另一家建成的种苗培育工厂占地2300平方米，年产苗量可达800万至1000万株。中国农业科学院都市农业研究所自主研发的嫁接苗移动式修复设备，可为嫁接苗的培育提供流水线式的修复驯化平台，单次作业空间即可处理1万株以上的嫁接苗。未来，植物工厂中种苗育种品种的多样性有望进一步扩大，自动化和智能化水平也将不断提高。

中国农业科学院都市农业研究所研制的嫁接苗移动式愈合植物

前景

作为一种新型的种苗培育载体，植物工厂在精准的环境控制、高效的资源利用和标准化的操作等方面，相比传统的种苗培育方式具有巨大的优势和商业化潜力。通过减少种苗培育过程中种子、水、肥料、能源和人力等资源的消耗，提高单位面积种苗的产量和质量，植物工厂的种苗培育成本将进一步降低，产品在市场上的竞争力也将更强。中国对种苗的需求巨大。除了蔬菜等传统作物外，植物工厂还有望培育花卉、中药材、珍稀树木等高附加值种苗，从而进一步提升经济效益。同时，产业化的种苗培育平台也需要考虑不同种苗培育方式的兼容性和灵活性，以满足不同季节种苗培育市场的需求。

幼苗培育环境的生物学理论是植物工厂环境精准控制的核心。深入研究光照、温度、湿度、二氧化碳等环境因素对幼苗株型、光合作用及其他生理活动的调控作用，有助于建立幼苗-环境相互作用模型，从而降低幼苗生产的能耗，提高幼苗的品质和产量，为其提供理论基础。在此基础上，可以开发以光照为核心，结合其他环境因素的控制技术和设备，定制生产具有特殊株型、高均匀性和高质量、满足植物工厂高密度栽培和机械化作业需求的幼苗。最终，这将为构建数字化幼苗生产系统提供技术基础，实现植物工厂中幼苗的标准化、无人化和数字化培育。

作者：许亚良、刘新英等 

引用信息：

徐亚良，刘欣颖，杨启昌.植物工厂种苗培育的关键技术装备及产业化[J].农业工程技术,2021,42(4):12-15.