植物工廠是在密閉或者半密閉條件下實現(xiàn)作物在垂直立體空間上周年計劃生產(chǎn)、生長環(huán)境條件全智能控制的植物高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，作為技術(shù)高度密集的產(chǎn)業(yè)形態(tài)，涉及智慧農(nóng)業(yè)、工程材料、環(huán)控裝備、智慧決策等核心技術(shù)，多年來一直被國際上公認(rèn)為是設(shè)施農(nóng)業(yè)最高級發(fā)展階段。植物工廠作為一種以人工光源與營養(yǎng)液栽培為主要標(biāo)志的生產(chǎn)方式，可以實現(xiàn)光、溫、濕、CO2等生長環(huán)境和營養(yǎng)供給智能控制，不受土壤、氣候等條件制約。早期一直以葉菜為生產(chǎn)對象，隨著植物工廠技術(shù)的不斷進(jìn)步，生產(chǎn)對象已經(jīng)逐漸拓展到果茶、食用花卉、藥用植物、矮化果樹以及醫(yī)用大麻等作物，近年來甚至在水稻等糧食作物的快速繁育方面也取得了重要進(jìn)展。
我國作為世界第一大茶葉生產(chǎn)國，生產(chǎn)規(guī)模不斷創(chuàng)新高，2020年茶園面積321.6萬公頃，比2015年增長了約21.8%;干毛茶年產(chǎn)量293萬噸，增長約28.5%。但目前仍存在品種老化、老茶園品種更新滯后、影響名優(yōu)茶品質(zhì)提升，機(jī)械化率低，用工難、用工貴等問題。據(jù)農(nóng)機(jī)部門調(diào)查，全國茶園管理作業(yè)機(jī)械化率不足10%。尤其是近年來極端天氣頻發(fā)，茶園時常遭受倒春寒、干旱和洪澇災(zāi)害，大部分茶園設(shè)施設(shè)備少，防災(zāi)減災(zāi)能力弱，常造成茶葉減產(chǎn)、品質(zhì)下降。
隨著植物工廠等高新農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，茶葉生產(chǎn)也逐漸會向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化栽培的方向發(fā)展，輔之以AI、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的支撐，茶樹種植技術(shù)將迎來全新的升級，大型茶葉工廠勢必朝著機(jī)械化、智能化和數(shù)據(jù)化的方向發(fā)展。
01
國內(nèi)植物工廠現(xiàn)狀
全球植物工廠呈現(xiàn)極為活躍的發(fā)展態(tài)勢，在日本、中國、韓國、美國、新加坡等國家和地區(qū)發(fā)展迅速，飛利浦、三菱等國際知名企業(yè)紛紛投入植物工廠的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)推廣。
近年來，植物工廠在我國發(fā)展迅速，如今已經(jīng)在福建、遼寧、北京、天津、山東、江蘇和廣東等省市建成20多座大型植物工廠。
· 2021年1月，國家電力投資集團(tuán)有限公司首個以智能植物工廠為先導(dǎo)的智慧園區(qū)型綜合智慧能源項目投入試生產(chǎn)，并成功產(chǎn)出第一茬綠色蔬菜。
· 2017年6月，京東集團(tuán)與日本三菱化學(xué)控股集團(tuán)合作建成國內(nèi)最大的日本技術(shù)太陽光和人工光結(jié)合型植物工廠，工廠內(nèi)的蔬菜產(chǎn)量是常規(guī)種植的3~4倍，節(jié)水90%以上。目前，京東植物工廠的菠菜、青梗菜、色拉菜5號、紅葉生菜、香菜和芝麻菜6類常見蔬菜已經(jīng)在京東生鮮超市上市銷售。
· 2015年12月，中國科學(xué)院植物研究所與福建三安集團(tuán)聯(lián)合成立福建省中科生物有限公司，利用三安在照明芯片方面的硬件優(yōu)勢和中科院植物研究所在光生物領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)優(yōu)勢，建立包括育苗氣候控制、基質(zhì)及營養(yǎng)液配比、灌溉潮汐調(diào)節(jié)、人工LED光照等技術(shù)的種植模式，種植涵蓋蔬菜、食用花卉、金線蓮、果樹和茶葉等，培育的蔬菜已經(jīng)在福建廈門、福州等地上市銷售。中國植物工廠在全流程作業(yè)的智能化以及無人植物工廠智能裝備等研發(fā)取得了豐碩的成果。福建省中科生物股份有限公司研發(fā)出UPLIFT AI自動化垂直農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，率先實現(xiàn)除采收外的全流程無人化作業(yè)，獲2021年第一屆中國農(nóng)業(yè)機(jī)器人創(chuàng)新大賽一等獎。其中UPLIFT無人化垂直農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)首次在陜西楊凌農(nóng)高區(qū)智慧農(nóng)業(yè)示范園商業(yè)化落地，占地2400 m2，種植層架達(dá)到10層。中科生物有限公司茶葉植物工廠如圖1所示，已包括扦插、育苗、成年茶樹種植、鮮葉采收制作等用途。
02
茶葉植物工廠關(guān)鍵技術(shù)
1、光配方
相比傳統(tǒng)的“萬物生長靠太陽”，發(fā)光二極管(Light-emitting diode， LED)光源在植物工廠應(yīng)用中具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等優(yōu)勢，還可以根據(jù)植物生理需求調(diào)制光譜，精準(zhǔn)滿足植物各生長發(fā)育階段的光環(huán)境需求，促進(jìn)植物光能的最大化利用。
光配方是提高植物工廠生產(chǎn)力的保障。目前對于光周期與光照強(qiáng)度對茶樹生長的影響研究較少，不同光質(zhì)對茶樹生長及品質(zhì)影響的研究較多，紅橙光有利于茶樹多酚類物質(zhì)含量的提高，而氨基酸含量則隨采前日照減少而增多。
在茶樹生長發(fā)育過程中，不同的光質(zhì)對于茶樹的愈傷組織具有不同的作用，其中藍(lán)光有利于愈傷組織的生長，而紅光能提升多酚類物質(zhì)的含量。紅光促進(jìn)茶樹扦插苗根的伸長生長，而藍(lán)光促進(jìn)茶樹扦插苗根的加粗生長。在茶樹光合作用中，茶樹的光補(bǔ)償點和光飽和點在紅光照射時最低，綠光照射時最高。不同光質(zhì)照射時，茶樹葉片的光合強(qiáng)度由高到低依次為：紅光、紫光、藍(lán)光、黃光、白光、綠光;茶樹葉片的凈光合速率由高到低依次為：黃光、紅光、綠光、藍(lán)光、紫。
張澤岑等用不同顏色的塑料膜覆蓋茶樹后，發(fā)現(xiàn)黃色薄膜處理有利于茶樹的花青素含量提高。照射紅光和黃光可以促進(jìn)茶樹芽梢的伸長生長，擴(kuò)大茶樹的葉面積，照射藍(lán)光和紫光可以促進(jìn)茶樹的比葉重增加。紅光有利于茶樹中茶多酚含量的增加，藍(lán)光和紫光促進(jìn)茶樹游離氨基酸、蛋白質(zhì)、葉綠素和水浸出物含量提高，且具有苦澀滋味的茶多酚含量相應(yīng)減少。
不同紅藍(lán)光組合在植物生長和有效物質(zhì)積累方面所起的作用明顯不同，徐永研究認(rèn)為在植物工廠內(nèi)選用紅光含量高于藍(lán)光的LED作為光源，具體配比為紅光∶藍(lán)光=7∶3為佳。并且這樣的紅藍(lán)光配比對各類葉菜或苗菜都基本適用，對不同植物也沒有特異性的要求。
中科生物茶葉植物工廠研究表明，在紅藍(lán)光配比為3.82，光強(qiáng)為200~250 μmol/m2·s，12 h光照時長條件下，鐵觀音和黃金桂具有較高的凈光合速率和光化學(xué)效率，這兩個品種表現(xiàn)出較高的適應(yīng)室內(nèi)人工氣候條件的潛力。且采收前紅外線處理7天不僅可以提高鮮葉氨基酸含量(較對照提高192.93%)，同時起到降低茶多酚及酚氨比的作用。紅藍(lán)光配比為2.2加綠光處理可起到增加正常新枝數(shù)比例，達(dá)到增產(chǎn)的效果，同時可以縮短節(jié)間及提高氨基酸含量。
2、營養(yǎng)液
在茶樹整個生長發(fā)育過程中，氮、磷、鉀依然是其最需要的三大礦質(zhì)營養(yǎng)元素。在植物工廠基質(zhì)栽培條件下，營養(yǎng)液為茶樹生長提供其所需的所有營養(yǎng)成分，因茶樹生長階段需求及品質(zhì)要求的不同，對營養(yǎng)的要求也不同，不適宜的營養(yǎng)液濃度及用量會引發(fā)茶樹不同的生理性病害，導(dǎo)致茶樹生長環(huán)境不均衡而影響茶樹的正常生長發(fā)育，因此營養(yǎng)液管理在生產(chǎn)管理中具有重要意義。
在生產(chǎn)中一般配制營養(yǎng)液A、B、C母液，在使用時按1∶1∶1配制工作液，EC(電導(dǎo)率)范圍在0.5~1 mS/cm，pH范圍在4.5~5.0。
中科生物茶葉植物工廠開發(fā)并優(yōu)化出室內(nèi)栽培茶樹營養(yǎng)液配方F4(專利號：ZL202110928430.X)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)，營養(yǎng)全面，簡便易調(diào)等優(yōu)點，較傳統(tǒng)配方生根快(提早3~4天)，新枝數(shù)提高30%以上。一般營養(yǎng)液一個月配制母液一次，有機(jī)肥、純水及營養(yǎng)液輪換施用。
3、環(huán)控因子
茶葉植物工廠生產(chǎn)空間空氣的溫濕度、CO2濃度、氣流速度等環(huán)境因子是影響茶葉品質(zhì)的重要因素。CO2作為植物光合作用的原料，適當(dāng)增加CO2濃度，有利于促進(jìn)光合作用及其產(chǎn)物積累，提高產(chǎn)量，具有顯著的“施肥效應(yīng)”。
楊書運等研究發(fā)現(xiàn)提高大氣CO2濃度可增強(qiáng)茶樹對高溫的適應(yīng)性，強(qiáng)光環(huán)境中，700 μmol/mol CO2濃度可使茶樹對光合作用產(chǎn)生抑制的氣溫提高3~4 ℃，且濃度在519~569 μmol/mol之間時，溫度升高，茶樹凈光合速率顯著提高。CO2濃度條件對茶葉茶多酚、氨基酸、咖啡堿和可溶性糖等品質(zhì)成分含量的影響，一般對春茶影響程度最大，而夏、秋茶品質(zhì)成分在不同CO2濃度下的變化相對較小。研究表明當(dāng)CO2增加到550和750 μmol/mol，茶多酚含量分別提高6.0%和11.3%，可溶性糖含量分別增加8.4%和18.1%。氨基酸、咖啡堿含量降低，在高CO2濃度下，茶樹新梢梢長、節(jié)間長、葉面積、新梢重都有增加。在植物工廠內(nèi)，可以通過計算機(jī)和傳感裝置系統(tǒng)的運行，來滿足茶樹生長所需的CO2濃度，對植物工廠進(jìn)行全面檢測，滿足高效持續(xù)生產(chǎn)。
茶樹生長喜溫怕寒、喜光怕曬、喜濕怕澇。光照、CO2濃度、水分和溫濕度等因素都會對茶樹的生長和品質(zhì)成分產(chǎn)生影響。
中科生物茶葉植物工廠基質(zhì)栽培最佳濕度為70%~80%之間，此時，茶樹生物量積累高，節(jié)間短，新梢長度、葉面積適中。同時確立了植物工廠條件下茶樹最適的生長發(fā)育調(diào)控體系，篩選出植物工廠條件下茶樹生長的主要生態(tài)因子：溫度在25~30 ℃，濕度90%，基質(zhì)相對濕度在75%，合適的光環(huán)境(光譜及光照強(qiáng)度)，此種條件下栽培的茶葉相關(guān)生化指標(biāo)都處在一個較優(yōu)的水平。
03
植物工廠茶葉種植的優(yōu)勢
在植物工廠人工可控環(huán)境的潔凈廠房內(nèi)，對茶樹生長所需的光照、水分、養(yǎng)分、空氣溫度與濕度以及CO2濃度進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控，創(chuàng)造茶樹不間斷生產(chǎn)的最佳生長發(fā)育環(huán)境。與傳統(tǒng)茶葉生產(chǎn)相比，植物工廠茶葉可以實現(xiàn)產(chǎn)量高、內(nèi)含物質(zhì)豐富、定向調(diào)控功能物質(zhì)成分含量，增加采收茬數(shù)，縮短生長周期，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定和一致性，滿足社會需求的多樣化等。
1、健康安全
植物工廠是嚴(yán)格控制環(huán)境條件的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，在入口處設(shè)置風(fēng)淋間，人員進(jìn)入植物工廠車間須穿戴防護(hù)服、一次性頭套、口罩及鞋套，懸掛藍(lán)/黃板，加強(qiáng)植物工廠內(nèi)溫濕度管理，改善通風(fēng)條件等物理措施，能有效杜絕大部分病蟲害發(fā)生，因此植物工廠條件下進(jìn)行茶葉生產(chǎn)，不需要使用任何農(nóng)藥，加上生產(chǎn)車間環(huán)境潔凈，生產(chǎn)出的茶葉無農(nóng)藥和無重金屬污染，是真正的安全優(yōu)質(zhì)茶葉產(chǎn)品。
2、周年不間斷的連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高
由于不受氣候環(huán)境條件制約，全年能實現(xiàn)不間斷的連續(xù)生產(chǎn)，加上是立體化栽培的垂直農(nóng)業(yè)，因此單位面積土地上產(chǎn)量高。以一棟五層的植物工廠為例，每個樓層內(nèi)在垂直方向上架設(shè)4層種植槽，單位種植面積擴(kuò)大到20倍;每35天可采收一茬鮮葉，可以連續(xù)不間斷生產(chǎn)，每年可采收10茬，鮮葉采收量是野外茶園的5倍，折合計算，單位占地面積產(chǎn)量是傳統(tǒng)種植的100倍。
3、能生產(chǎn)風(fēng)味獨特品質(zhì)穩(wěn)定的茶葉產(chǎn)品
通過對植物工廠環(huán)境條件進(jìn)行人工模擬與控制，定向調(diào)控產(chǎn)品形態(tài)與茶樹葉片內(nèi)次生代謝產(chǎn)物的合成與積累，產(chǎn)出滿足需求的風(fēng)味獨特的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。加上植物工廠環(huán)境所有生產(chǎn)條件穩(wěn)定，任意一茬收獲的茶葉原料的品質(zhì)相似，通過運用穩(wěn)定的加工工藝，確保茶葉產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定。例如，通過光、溫濕度和營養(yǎng)液調(diào)控，可生產(chǎn)高氨基酸含量或高兒茶素(EGCG)含量的功能性產(chǎn)品，現(xiàn)有研究表明，植物工廠環(huán)境內(nèi)，控制濕度在90%，游離氨基酸總量、甜味氨基酸總量、鮮味氨基酸總量最高，甜味氨基酸總量與其余處理相比呈極顯著差異。茶葉中特有的EGCG較室外高出15%，可溶性糖及其他可溶性物質(zhì)均處在更優(yōu)的水平，說明通過特殊的光譜調(diào)整和可控的環(huán)境調(diào)整，定向調(diào)控特定成分的含量，可以生產(chǎn)出具有特殊香味、高氨基酸、低咖啡堿等滿足不同客戶群體的具有較高保健價值的茶產(chǎn)品，減少茶業(yè)同質(zhì)化生產(chǎn)，滿足個性化要求，能大幅度提升茶葉品牌價值及市場美譽度。
04
茶葉植物工廠發(fā)展面臨的問題
1、建設(shè)和運行成本高
茶葉植物工廠需要在封閉環(huán)境下進(jìn)行栽培、生產(chǎn)，需要構(gòu)建外維護(hù)結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、人工光源、多層栽培系統(tǒng)、營養(yǎng)液循環(huán)、二氧化碳系統(tǒng)、純水系統(tǒng)及計算機(jī)智能控制系統(tǒng)等配套裝備和設(shè)施，建設(shè)成本和維護(hù)成本相對較高。
茶葉植物工廠所需的光源大部分來自LED燈，在為不同品種、生長階段的茶樹提供相應(yīng)光譜的同時需要消耗大量的電。為了保證適宜的溫度、濕度、二氧化碳含量，植物工廠生產(chǎn)過程的空調(diào)、通風(fēng)、水泵等也需要消耗電能。
據(jù)統(tǒng)計，茶葉植物工廠年運行成本中，照明及空調(diào)能耗成本占55%，勞動力成本占16%，設(shè)備及耗材成本占17%，其余成本占12%，試驗期以300平米兩層房間計算年運行成本(除固投外其他成本)大概為27萬，每千克茶青成本約為320元。
2、對品種要求高
國內(nèi)外對于茶葉植物工廠領(lǐng)域的研究較少，成體系、產(chǎn)業(yè)化的植物工廠更為少見。目前的茶葉植物工廠在運行中自動化程度較低，育苗、扦插、移栽、修剪、采摘、肥水管理等過程仍需要人工作業(yè)，導(dǎo)致人工成本高。且由于茶樹品種眾多，對于栽培條件和環(huán)境要求差異較大，在植物工廠生產(chǎn)過程中，較難形成規(guī)模化、統(tǒng)一化的管理模式。
3、市場認(rèn)知度低，盈利慢
茶葉植物工廠是在密閉環(huán)境下采取基質(zhì)栽培，利用營養(yǎng)液及有機(jī)肥滿足日常水肥管理，避免了土壤栽培以及空氣中可能存在的細(xì)菌、微生物和重金屬等污染，這種在潔凈、安全環(huán)境下生產(chǎn)出來的茶葉產(chǎn)品成本相對較高，因此產(chǎn)品價格要與常規(guī)茶葉產(chǎn)品形成差異化，需要國家茶葉標(biāo)準(zhǔn)委員會制定植物工廠茶葉產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。而目前市場上對于植物工廠生產(chǎn)的茶葉產(chǎn)品認(rèn)知度還不高，中科生物建立了國內(nèi)外首家茶葉植物工廠，對于產(chǎn)品市場的培育和品牌推廣還處于起步階段，因此建立起植物工廠茶葉的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)高附加值的功能性茶葉產(chǎn)品十分必要。
04
總結(jié)與展望
植物工廠可以研發(fā)適應(yīng)不同茶樹品質(zhì)的營養(yǎng)液和光配方，結(jié)合精準(zhǔn)的環(huán)控系統(tǒng)，攻克茶樹對自然環(huán)境的依賴，達(dá)到高效生產(chǎn)、質(zhì)量穩(wěn)定，安全的目的，并研發(fā)掌握智慧茶園一系列技術(shù)指標(biāo)，來指導(dǎo)高效、安全、標(biāo)準(zhǔn)的室外茶園建設(shè)。茶葉植物工廠有利于機(jī)械化操作，改變茶農(nóng)“面朝黃土”，在室外地形復(fù)雜山坡高強(qiáng)度勞作方式，提升勞動者素質(zhì);還有利于提高茶葉品質(zhì)，尤其是能確保茶葉的衛(wèi)生質(zhì)量安全，創(chuàng)造更高的市場價值，提高農(nóng)民收入，支撐農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，鞏固扶貧攻堅成果，推動鄉(xiāng)村振興發(fā)展;更能加快退茶還林的步伐，營造綠水青山，有助于建設(shè)生態(tài)中國。
隨著生活水平的提高，人們對潔凈、安全、具有保健功能的茶葉產(chǎn)品的需求日益迫切，茶葉植物工廠將以家庭形式、微型、商用等多規(guī)格、多形態(tài)進(jìn)入日常生活場景。隨著技術(shù)進(jìn)步及市場逐漸完善，一方面，茶葉植物工廠的光效與能效提升， 能耗不斷降低，大幅減少運營成本;另一方面，通過環(huán)境因子、光譜及營養(yǎng)調(diào)控，茶葉功能性成分如氨基酸、沒食子酸、EGCG、可溶性糖等顯著提高，提升茶葉產(chǎn)品附加值及經(jīng)濟(jì)效益，從而實現(xiàn)盈利。
垂直立體空間拓展將是茶葉植物工廠發(fā)展的重要方向之一，多層立體種植模式下，人工作業(yè)難度加大，機(jī)器化、自動化、智能化將成為必然。通過加大對茶葉植物工廠生產(chǎn)工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化研究，研發(fā)從育苗、栽培、修剪、采收等環(huán)節(jié)的自動化、智能化成套裝備，實現(xiàn)栽培模式科學(xué)化、設(shè)施結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化、創(chuàng)新人才團(tuán)隊化與植物工廠的深度融合，正在成為未來茶葉植物工廠發(fā)展趨勢。
作者簡介：
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謝輝煌
制茶工程師，畢業(yè)于福建農(nóng)學(xué)院茶學(xué)專業(yè)，現(xiàn)任福建省中科生物股份有限公司總監(jiān)，致力于植物工廠智慧茶園管理與茶品質(zhì)調(diào)控，《智慧茶園新密碼：茶葉植物工廠》獲得首屆中國茶科技創(chuàng)新大賽三等獎。自主研發(fā)遠(yuǎn)紅外線自動化烘焙精制生產(chǎn)線;主持福建省科技廳星火計劃項目《陳香型鐵觀音貯存及加工關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用》;獲得實用新型專利一項。
具體內(nèi)容詳見《中國茶葉加工》雜志，2022年第3期文章《植物工廠茶樹栽培技術(shù)研究進(jìn)展》，頁碼：84-88，作者：謝輝煌。
來源：中國茶葉加工
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