Анотація: В останні роки, завдяки постійному дослідженню сучасних сільськогосподарських технологій, галузь рослинництва також швидко розвивалася. У цій статті представлено поточний стан речей, існуючі проблеми та контрзаходи розвитку технології рослинництва та розвитку галузі, а також прогнозується тенденція розвитку та перспективи рослинництва в майбутньому.

1. Поточний стан розвитку технологій на заводах-виробниках у Китаї та за кордоном

1.1 Статус-кво розвитку іноземних технологій

З 21-го століття дослідження рослинних заводів в основному зосереджені на покращенні світлової ефективності, створенні багатошарового обладнання для тривимірних систем вирощування, а також дослідженні та розробці інтелектуального управління та контролю. У 21-му столітті інновації у сфері сільськогосподарських світлодіодних джерел світла досягли значного прогресу, забезпечуючи важливу технічну підтримку для застосування світлодіодних енергозберігаючих джерел світла на рослинних заводах. Університет Тіба в Японії впровадив низку інновацій у високоефективних джерелах світла, енергозберігаючому контролі навколишнього середовища та технологіях вирощування. Університет Вагенінгена в Нідерландах використовує технологію моделювання сільськогосподарських культур та динамічної оптимізації для розробки інтелектуальної системи обладнання для рослинних заводів, що значно знижує експлуатаційні витрати та значно підвищує продуктивність праці.

В останні роки рослинні заводи поступово реалізували напівавтоматизацію виробничих процесів, від посіву, вирощування розсади, пересадки до збору врожаю. Японія, Нідерланди та Сполучені Штати є лідерами з високим ступенем механізації, автоматизації та інтелекту, і розвиваються в напрямку вертикального землеробства та безпілотних операцій.

1.2 Стан розвитку технологій у Китаї

1.2.1 Спеціалізоване світлодіодне джерело світла та енергозберігаюче технологічне обладнання для штучного освітлення на заводі

Спеціальні червоні та сині світлодіодні джерела світла для виробництва різних видів рослин на заводах з виробництва рослин були розроблені одне за одним. Потужність коливається від 30 до 300 Вт, а інтенсивність опромінення світла становить від 80 до 500 мкмоль/(м2•с), що може забезпечити інтенсивність світла з відповідним діапазоном порогів, параметрами якості світла, для досягнення ефекту високоефективного енергозбереження та адаптації до потреб росту рослин та освітлення. Щодо управління тепловіддачею джерела світла, було запроваджено конструкцію активного тепловідведення вентилятора джерела світла, яка зменшує швидкість згасання світла джерела світла та забезпечує термін служби джерела світла. Крім того, запропоновано метод зменшення тепла світлодіодного джерела світла за допомогою циркуляції поживного розчину або води. Щодо управління простором джерела світла, відповідно до закону еволюції розміру рослини на стадії розсади та на пізніших стадіях, завдяки керуванню вертикальним просторовим рухом світлодіодного джерела світла, крона рослини може бути освітлена на близькій відстані та досягнута мета енергозбереження. Наразі споживання енергії штучним освітленням на заводах може становити від 50% до 60% від загального експлуатаційного споживання енергії на заводі. Хоча світлодіодні лампи можуть заощаджувати 50% енергії порівняно з люмінесцентними лампами, все ще існує потенціал і необхідність досліджень у галузі енергозбереження та скорочення споживання.

1.2.2 Технологія та обладнання для багатошарового тривимірного культивування

Зазор між шарами багатошарового тривимірного культивування зменшується завдяки заміні світлодіодної лампи люмінесцентною, що покращує ефективність використання тривимірного простору при вирощуванні рослин. Існує багато досліджень щодо дизайну дна культиваційного грядки. Підняті смуги призначені для створення турбулентного потоку, який може допомогти корінню рослин рівномірно поглинати поживні речовини з поживного розчину та збільшити концентрацію розчиненого кисню. Використання колонізаційної дошки передбачає два методи колонізації: пластикові колонізаційні чашки різного розміру або режим колонізації по периметру за допомогою губки. З'явилася розсувна система культиваційного грядки, де посадкову дошку та рослини на ній можна вручну переміщувати з одного кінця на інший, реалізуючи виробничий режим посадки на одному кінці культиваційного грядки та збору врожаю на іншому кінці. Наразі розроблено різноманітні технології та обладнання для тривимірного багатошарового безґрунтового культивування на основі технології рідкої плівки поживних речовин та технології глибокого потоку рідини, а також з'явилися технології та обладнання для субстратного вирощування полуниці, аерозольного вирощування листових овочів та квітів. Згадана технологія швидко розвивається.

1.2.3 Технологія та обладнання для циркуляції поживних розчинів

Після певного часу використання поживного розчину необхідно додати воду та мінеральні елементи. Як правило, кількість щойно приготованого поживного розчину та кількість кислотно-лужного розчину визначаються шляхом вимірювання електропровідності (EC) та pH. Великі частинки осаду або кореневих відшарувань у поживному розчині необхідно видалити за допомогою фільтра. Кореневі ексудати в поживному розчині можна видалити фотокаталітичними методами, щоб уникнути постійних перешкод для росту в гідропоніці, але існують певні ризики щодо доступності поживних речовин.

1.2.4 Технології та обладнання для контролю навколишнього середовища

Чистота повітря у виробничому приміщенні є одним із важливих показників якості повітря на заводі. Чистоту повітря (показники зважених частинок та осілих бактерій) у виробничому приміщенні заводу в динамічних умовах слід контролювати на рівні вище 100 000. Дезінфекція матеріалів, обробка персоналу повітрям для душу та система очищення циркуляційного свіжого повітря (система фільтрації повітря) – все це основні запобіжні заходи. Температура та вологість, концентрація CO2 та швидкість потоку повітря у виробничому приміщенні є ще одним важливим елементом контролю якості повітря. Згідно з повідомленнями, встановлення такого обладнання, як камери змішування повітря, повітроводи, вхідні та вихідні отвори для повітря, може рівномірно контролювати температуру та вологість, концентрацію CO2 та швидкість потоку повітря у виробничому приміщенні, щоб досягти високої просторової рівномірності та задовольнити потреби заводу в різних просторових розташуваннях. Система контролю температури, вологості та концентрації CO2 і система подачі свіжого повітря органічно інтегровані в систему циркуляції повітря. Ці три системи повинні використовувати спільний повітропровід, вхідний та вихідний отвори для повітря та забезпечувати живлення через вентилятор для реалізації циркуляції повітряного потоку, фільтрації та дезінфекції, а також оновлення та рівномірності якості повітря. Це гарантує, що рослинна продукція на заводі не містить шкідників та хвороб, а також не потребує застосування пестицидів. Водночас гарантується рівномірність температури, вологості, потоку повітря та концентрації CO2 в елементах середовища росту в кроні, що відповідає потребам росту рослин.

2. Стан розвитку рослинницької промисловості

2.1 Статус-кво іноземної заводської галузі рослинництва

У Японії дослідження, розробки та індустріалізація заводів з виробництва штучного освітлення відбуваються відносно швидко та знаходяться на провідному рівні. У 2010 році уряд Японії виділив 50 мільярдів єн на підтримку технологічних досліджень та розробок, а також промислових демонстрацій. У ньому взяли участь вісім установ, включаючи Університет Тіби та Японську асоціацію досліджень заводів рослин. Japan Future Company розпочала та керувала першим демонстраційним проектом індустріалізації заводу з виробництва рослин з щоденною продуктивністю 3000 рослин. У 2012 році виробнича вартість заводу становила 700 єн/кг. У 2014 році було завершено будівництво сучасного заводу в замку Тага, префектура Міягі, який став першим у світі заводом з виробництва світлодіодних установок з щоденною продуктивністю 10 000 рослин. З 2016 року заводи з виробництва світлодіодних установок у Японії вийшли на швидку смугу індустріалізації, і одне за одним з'являлися підприємства, що досягли беззбитковості або прибуткові підприємства. У 2018 році одна за одною з'явилися великомасштабні заводи з виробництва від 50 000 до 100 000 рослин на добу, і світові заводи з виробництва рослин розвивалися в напрямку масштабного, професійного та інтелектуального розвитку. Водночас Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power та інші галузі почали інвестувати в заводи з виробництва рослин. У 2020 році частка ринку салату, виробленого японськими заводами з виробництва рослин, становитиме близько 10% від усього ринку салату. Серед понад 250 заводів з виробництва рослин зі штучним освітленням, що працюють наразі, 20% перебувають на стадії збитковості, 50% - на рівні беззбитковості, а 30% - на стадії прибутковості, включаючи культурні види рослин, такі як салат, зелень та розсада.

Нідерланди є справжнім світовим лідером у галузі технології комбінованого застосування сонячного та штучного освітлення для заводів, з високим ступенем механізації, автоматизації, інтелекту та безпілотності, і зараз експортують повний набір технологій та обладнання як потужну продукцію на Близький Схід, до Африки, Китаю та інших країн. Американська ферма AeroFarms розташована в Ньюарку, штат Нью-Джерсі, США, і має площу 6500 м2. Вона переважно вирощує овочі та спеції, а обсяг виробництва становить близько 900 тонн на рік.

Вертикальне фермерство в AeroFarms

Завод з виробництва вертикальних рослин компанії Plenty у Сполучених Штатах використовує світлодіодне освітлення та вертикальну раму для посадки висотою 6 м. Рослини ростуть з боків кашпо. Цей метод посадки, що базується на гравітаційному поливі, не потребує додаткових насосів і є більш водоефективним, ніж традиційне землеробство. Plenty стверджує, що його ферма виробляє в 350 разів більше продукції, ніж традиційна ферма, використовуючи лише 1% води.

Завод вертикальних сільськогосподарських рослин, компанія Plenty

2.2 Стан заводсько-заводської галузі в Китаї

У 2009 році в виставковому парку Чанчуня було збудовано та введено в експлуатацію перший у Китаї завод з інтелектуальним керуванням. Площа будівлі становить 200 м², а такі фактори навколишнього середовища, як температура, вологість, освітлення, концентрація CO2 та поживних розчинів на заводі, можуть автоматично контролюватися в режимі реального часу для реалізації інтелектуального управління.

У 2010 році в Пекіні було побудовано завод Tongzhou Plant Factory. Основна конструкція виготовлена ​​з одношарової легкої сталевої конструкції загальною площею 1289 м2. Вона має форму авіаносця, що символізує лідерство китайського сільського господарства у впровадженні найсучасніших технологій сучасного сільського господарства. Було розроблено автоматичне обладнання для деяких операцій з виробництва листових овочів, що підвищило рівень автоматизації виробництва та ефективність виробництва на заводі. На заводі використовується система геотермальних теплових насосів та система генерації сонячної енергії, що краще вирішує проблему високих експлуатаційних витрат заводу.

Внутрішній та зовнішній вигляд заводу Tongzhou Plant Factory

У 2013 році в Янлінській демонстраційній зоні високих технологій у сільському господарстві провінції Шеньсі було засновано багато компаній, що займаються сільськогосподарськими технологіями. Більшість проектів заводів, що будуються та працюють, розташовані в демонстраційних парках високих технологій у сільському господарстві, які в основному використовуються для науково-популярних демонстрацій та огляду визначних пам'яток. Через свої функціональні обмеження цим науково-популярним заводам важко досягти високої врожайності та високої ефективності, необхідних для індустріалізації, і їм буде важко стати основною формою індустріалізації в майбутньому.

У 2015 році великий виробник світлодіодних чіпів у Китаї співпрацював з Інститутом ботаніки Китайської академії наук, щоб спільно ініціювати створення компанії з виробництва рослин. Вона перейшла від оптоелектронної промисловості до «фотобіологічної» галузі та стала прецедентом для китайських виробників світлодіодів інвестувати в будівництво заводів з виробництва рослин в умовах індустріалізації. Її завод з виробництва рослин прагне здійснювати промислові інвестиції в нову фотобіологію, яка об'єднує наукові дослідження, виробництво, демонстрації, інкубацію та інші функції, зі зареєстрованим капіталом у 100 мільйонів юанів. У червні 2016 року цей завод з виробництва рослин з 3-поверховою будівлею площею 3000 м2 та площею вирощування понад 10 000 м2 був завершений та введений в експлуатацію. До травня 2017 року щоденний обсяг виробництва становитиме 1500 кг листових овочів, що еквівалентно 15 000 рослинам салату на день.

Думки про цю компанію

3. Проблеми та контрзаходи, що стоять перед розвитком заводів рослинництва

3.1 Проблеми

3.1.1 Висока вартість будівництва

Рослинним заводам необхідно виробляти врожай у закритому середовищі. Тому необхідно будувати допоміжні конструкції та обладнання, включаючи зовнішні обслуговуючі споруди, системи кондиціонування повітря, джерела штучного освітлення, багатошарові системи культивації, циркуляцію поживних розчинів та комп'ютерні системи керування. Вартість будівництва є відносно високою.

3.1.2 Високі експлуатаційні витрати

Більшість джерел світла, необхідних рослинним заводам, походять від світлодіодних ламп, які споживають багато електроенергії, забезпечуючи при цьому відповідні спектри для росту різних культур. Таке обладнання, як кондиціонери, вентиляція та водяні насоси у виробничому процесі рослинних заводів, також споживає електроенергію, тому рахунки за електроенергію є величезними витратами. Згідно зі статистикою, серед виробничих витрат рослинних заводів витрати на електроенергію становлять 29%, витрати на оплату праці – 26%, амортизація основних засобів – 23%, упаковка та транспортування – 12%, а виробничі матеріали – 10%.

Розбивка собівартості виробництва для заводу з виробництва рослин

3.1.3 Низький рівень автоматизації

Наразі чинний завод з вирощування рослин має низький рівень автоматизації, а такі процеси, як посів розсади, пересадка, посадка в поле та збір врожаю, все ще вимагають ручного керування, що призводить до високих витрат на оплату праці.

3.1.4 Обмежена кількість сортів сільськогосподарських культур, які можна вирощувати

Наразі види культур, придатних для вирощування в рослинних фабриках, дуже обмежені, в основному це зелені листові овочі, які швидко ростуть, легко сприймають штучні джерела світла та мають низький полог. Масштабні посадки не можуть бути виконані через складні вимоги до посадки (наприклад, культури, які потребують запилення тощо).

3.2 Стратегія розвитку

З огляду на проблеми, з якими стикається галузь заводів-виробників рослин, необхідно проводити дослідження з різних аспектів, таких як технологія та експлуатація. У відповідь на поточні проблеми контрзаходи полягають у наступному.

(1) Посилити дослідження інтелектуальних технологій заводів-виробників та покращити рівень інтенсивного та вдосконаленого управління. Розробка інтелектуальної системи управління та контролю допомагає досягти інтенсивного та вдосконаленого управління заводами-виробниками, що може значно зменшити витрати на робочу силу та заощадити робочу силу.

(2) Розробка інтенсивного та ефективного технічного обладнання для рослинництва для досягнення щорічного високоякісного та високого врожаю. Розробка високоефективного обладнання для вирощування, енергозберігаючих технологій та обладнання для освітлення тощо для підвищення рівня інтелектуальності рослинництва сприяє реалізації щорічного високоефективного виробництва.

(3) Проводити дослідження промислових технологій вирощування рослин з високою доданою вартістю, таких як лікарські рослини, рослини для догляду за здоров'ям та рідкісні овочі, збільшувати види культур, що вирощуються на рослинних заводах, розширювати канали отримання прибутку та покращувати початкову точку отримання прибутку.

(4) Проводити дослідження рослинних заводів для побутового та комерційного використання, збагачувати типи рослинних заводів та досягати постійної прибутковості за допомогою різних функцій.

4. Тенденції розвитку та перспективи заводу з виробництва рослин

4.1 Тенденція розвитку технологій

4.1.1 Повнопроцесна інтелектуалізація

На основі механізму машинного об'єднання та запобігання втратам системи робототехніки для вирощування культур, високошвидкісних гнучких та неруйнівних кінцевих ефекторів для посадки та збору врожаю, розподіленого багатовимірного просторового точного позиціонування та багатомодальних методів спільного керування кількома машинами, а також безпілотних, ефективних та неруйнівних систем посіву на висотних заводах рослин - слід створити інтелектуальні роботи та допоміжне обладнання, таке як посадка-збір врожаю-пакування, таким чином реалізуючи безпілотну роботу всього процесу.

4.1.2 Зробіть управління виробництвом розумнішим

На основі механізму реакції росту та розвитку сільськогосподарських культур на світлове випромінювання, температуру, вологість, концентрацію CO2, концентрацію поживних речовин у поживному розчині та електропровідність (EC) слід побудувати кількісну модель зворотного зв'язку між культурою та середовищем. Слід створити стратегічну базову модель для динамічного аналізу інформації про життя листових овочів та параметрів виробничого середовища. Також слід створити онлайн-систему динамічної ідентифікації, діагностики та управління процесами середовища. Слід створити багатомашинну спільну систему прийняття рішень на основі штучного інтелекту для всього виробничого процесу великогабаритної вертикальної сільськогосподарської фабрики.

4.1.3 Низьковуглецеве виробництво та енергозбереження

Створення системи управління енергією, яка використовує відновлювані джерела енергії, такі як сонячна та вітрова, для повної передачі електроенергії та контролю споживання енергії для досягнення оптимальних цілей управління енергією. Уловлювання та повторне використання викидів CO2 для сприяння виробництву сільськогосподарських культур.

4.1.3 Висока цінність преміальних сортів

Слід вживати доцільних стратегій для виведення різних сортів з високою доданою вартістю для експериментів з посадки, створювати базу даних експертів з технологій вирощування, проводити дослідження технології вирощування, вибору густоти, розташування стерні, адаптивності сортів та обладнання, а також формувати стандартні технічні специфікації для вирощування.

4.2 Перспективи розвитку галузі

Заводи рослинництва можуть позбутися обмежень ресурсів та навколишнього середовища, реалізувати індустріалізоване сільськогосподарське виробництво та залучити нове покоління робочої сили до сільськогосподарського виробництва. Ключовими технологічними інноваціями та індустріалізацією є те, що китайські заводи рослинництва стають світовим лідером. Завдяки прискореному застосуванню світлодіодних джерел світла, цифровізації, автоматизації та інтелектуальних технологій у сфері заводів рослинництва, заводи рослинництва залучатимуть більше капіталовкладень, залучення талантів та використання більшої кількості нової енергії, нових матеріалів та нового обладнання. Таким чином, можна реалізувати глибоку інтеграцію інформаційних технологій та обладнання, покращити інтелектуальний та безпілотний рівень об'єктів та обладнання, постійно знижувати споживання енергії системою та експлуатаційні витрати завдяки постійним інноваціям та поступовому розвитку спеціалізованих ринків, інтелектуальні заводи рослинництва відкриють золотий період розвитку.

Згідно зі звітами маркетингових досліджень, обсяг світового ринку вертикального землеробства у 2020 році становив лише 2,9 мільярда доларів США, і очікується, що до 2025 року обсяг світового ринку вертикального землеробства досягне 30 мільярдів доларів США. Таким чином, рослинні заводи мають широкі перспективи застосування та простір для розвитку.

Автор: Zengchan Zhou, Weidong та ін

Інформація про цитування:Поточний стан та перспективи розвитку галузі рослинництва [J]. Сільськогосподарські технології машинобудування, 2022, 42(1): 18-23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li та ін.