Аннотация: В последние годы, в связи с непрерывным развитием современных сельскохозяйственных технологий, быстро развивается и отрасль производства растительных удобрений и фабрик. В данной статье рассматривается текущее состояние, существующие проблемы и пути развития технологий и отрасли производства растительных удобрений и фабрик, а также прогнозируются тенденции развития и перспективы развития этой отрасли в будущем.

1. Текущее состояние развития технологий в растениеводстве в Китае и за рубежом.

1.1 Текущее состояние развития зарубежных технологий

Начиная с XXI века, исследования в области растениеводства в основном сосредоточены на повышении эффективности освещения, создании многоуровневых трехмерных систем оборудования для выращивания растений, а также на разработке интеллектуальных систем управления и контроля. В XXI веке инновации в области сельскохозяйственных светодиодных источников света достигли значительного прогресса, обеспечив важную техническую поддержку для применения энергосберегающих светодиодных источников света в растениеводстве. Университет Тиба в Японии внес ряд инноваций в области высокоэффективных источников света, энергосберегающего контроля окружающей среды и методов выращивания. Вагенингенский университет в Нидерландах использует технологии моделирования окружающей среды и динамической оптимизации для разработки интеллектуальной системы оборудования для растениеводства, которая значительно снижает эксплуатационные расходы и существенно повышает производительность труда.

В последние годы на предприятиях по выращиванию растений постепенно внедряется полуавтоматизация производственных процессов, начиная с посева, выращивания рассады, пересадки и заканчивая сбором урожая. Япония, Нидерланды и США находятся в авангарде этого процесса, демонстрируя высокую степень механизации, автоматизации и интеллектуальности и развиваясь в направлении вертикального земледелия и беспилотного управления.

1.2 Состояние развития технологий в Китае

1.2.1 Специализированные светодиодные источники света и энергосберегающее технологическое оборудование для искусственного освещения на фабриках по выращиванию растений.

В последнее время последовательно разрабатываются специальные красные и синие светодиодные источники света для выращивания различных видов растений на плантациях. Мощность варьируется от 30 до 300 Вт, а интенсивность излучаемого света составляет от 80 до 500 мкмоль/(м²•с), что позволяет обеспечить интенсивность света с соответствующим пороговым диапазоном и параметрами качества света, достигая эффекта высокоэффективного энергосбережения и адаптируясь к потребностям роста и освещения растений. В плане управления теплоотводом источника света внедрена активная конструкция вентилятора, которая снижает скорость снижения светового потока и обеспечивает срок службы источника света. Кроме того, предложен метод снижения тепловыделения светодиодного источника света за счет циркуляции питательного раствора или воды. В плане организации пространства вокруг источника света, с учетом закономерностей изменения размеров растений на стадии рассады и последующих стадиях, управление вертикальным перемещением светодиодного источника света позволяет освещать растительный покров на близком расстоянии, достигая цели энергосбережения. В настоящее время энергопотребление источников искусственного освещения на фабриках по выращиванию растений составляет от 50% до 60% от общего энергопотребления таких фабрик. Хотя светодиоды позволяют сэкономить до 50% энергии по сравнению с люминесцентными лампами, всё ещё существует потенциал и необходимость в исследованиях по энергосбережению и снижению энергопотребления.

1.2.2 Технология и оборудование для многослойного трехмерного выращивания

Зазор между слоями в многослойной трехмерной системе выращивания уменьшается благодаря замене люминесцентных ламп светодиодами, что повышает эффективность использования трехмерного пространства при выращивании растений. Проведено множество исследований по проектированию дна грядки. Приподнятые полосы предназначены для создания турбулентного потока, который помогает корням растений равномерно поглощать питательные вещества из питательного раствора и увеличивает концентрацию растворенного кислорода. При использовании посадочных досок существуют два метода колонизации: пластиковые стаканчики разных размеров или колонизация по периметру губки. Появилась система скользящих грядок, позволяющая вручную перемещать посадочную доску и растения с нее от одного конца к другому, реализуя режим выращивания: посадка на одном конце грядки, сбор урожая на другом. В настоящее время разработано множество технологий и оборудования для трехмерного многослойного беспочвенного выращивания на основе технологии пленочного питательного раствора и технологии глубокого жидкостного потока, а также появились технологии и оборудование для выращивания клубники в субстрате, аэрозольного выращивания листовых овощей и цветов. Упомянутая технология быстро развивается.

1.2.3 Технология и оборудование для циркуляции питательного раствора

После использования питательного раствора в течение определенного времени необходимо добавить воду и минеральные элементы. Как правило, количество свежеприготовленного питательного раствора и количество кислотно-щелочного раствора определяются путем измерения электропроводности (EC) и pH. Крупные частицы осадка или отслоившиеся от корней частицы в питательном растворе необходимо удалять с помощью фильтра. Корневые выделения в питательном растворе можно удалять фотокаталитическими методами, чтобы избежать проблем с непрерывным выращиванием в гидропонике, но при этом существуют определенные риски, связанные с доступностью питательных веществ.

1.2.4 Технологии и оборудование для контроля окружающей среды

Чистота воздуха в производственном помещении является одним из важных показателей качества воздуха на заводе. Чистота воздуха (показатели взвешенных частиц и осевших бактерий) в производственном помещении завода в динамических условиях должна контролироваться на уровне выше 100 000. В качестве основных мер безопасности используются дезинфекция материалов, обработка воздуха, поступающего к персоналу, и система очистки воздуха с помощью циркуляции свежего воздуха (система фильтрации воздуха). Температура и влажность, концентрация CO2 и скорость воздушного потока в производственном помещении также являются важными составляющими контроля качества воздуха. Согласно отчетам, установка такого оборудования, как воздухосмесительные камеры, воздуховоды, воздухозаборники и воздуховыпускные отверстия, позволяет равномерно контролировать температуру и влажность, концентрацию CO2 и скорость воздушного потока в производственном помещении, обеспечивая высокую пространственную однородность и удовлетворяя потребности завода в разных местах. Система контроля температуры, влажности и концентрации CO2, а также система подачи свежего воздуха органично интегрированы в систему циркуляции воздуха. Три системы должны использовать общие воздуховоды, воздухозаборники и воздуховыпускники, обеспечивая подачу электроэнергии через вентилятор для циркуляции воздуха, фильтрации и дезинфекции, а также поддержания однородности и улучшения качества воздуха. Это гарантирует отсутствие вредителей и болезней в растениях на плантации, исключая необходимость применения пестицидов. Одновременно обеспечивается равномерность температуры, влажности, воздушного потока и концентрации CO2 в элементах среды роста растений, что соответствует потребностям растений.

2. Состояние развития отрасли растениеводства.

2.1 Текущее состояние отрасли производства лекарственных растений за рубежом

В Японии исследования, разработки и индустриализация искусственных растений на основе искусственного освещения развиваются относительно быстро и находятся на передовом уровне. В 2010 году правительство Японии выделило 50 миллиардов иен на поддержку исследований, разработок и демонстрации технологий в промышленности. В проекте приняли участие восемь учреждений, включая Университет Тиба и Японскую ассоциацию исследований растений на основе искусственного освещения. Компания Japan Future Company осуществила и реализовала первый демонстрационный проект по созданию искусственной фабрики с производительностью 3000 растений в сутки. В 2012 году себестоимость производства такой фабрики составляла 700 иен/кг. В 2014 году в замке Тага, префектура Мияги, был завершен современный завод по производству растений на основе искусственного освещения, ставший первым в мире заводом с LED-подсветкой и производительностью 10 000 растений в сутки. С 2016 года производство растений на основе искусственного освещения на основе искусственного освещения в Японии стремительно развивается, и одно за другим появляются предприятия, достигшие точки безубыточности или ставшие прибыльными. В 2018 году один за другим появились крупные фабрики по выращиванию растений с производственной мощностью от 50 000 до 100 000 растений в сутки, и мировые фабрики по выращиванию растений развивались в направлении масштабного, профессионального и интеллектуального развития. Одновременно с этим, такие компании, как Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power и другие, начали инвестировать в фабрики по выращиванию растений. В 2020 году доля рынка салата, производимого японскими фабриками по выращиванию растений, составит около 10% от всего рынка салата. Среди более чем 250 действующих фабрик по выращиванию растений с искусственным освещением, 20% находятся в убыточном состоянии, 50% — на уровне безубыточности, а 30% — в прибыльном состоянии, и включают в себя такие виды растений, как салат, зелень и рассада.

Нидерланды являются мировым лидером в области комбинированных технологий применения солнечного и искусственного освещения для растениеводства, отличаясь высокой степенью механизации, автоматизации, интеллектуальности и беспилотности. В настоящее время они экспортируют полный набор технологий и оборудования в качестве мощной продукции на Ближний Восток, в Африку, Китай и другие страны. Американская ферма AeroFarms расположена в Ньюарке, штат Нью-Джерси, США, и занимает площадь 6500 м2. Она в основном выращивает овощи и специи, а урожайность составляет около 900 тонн в год.

Вертикальное земледелие в AeroFarms

На вертикализаторе компании Plenty в США используется светодиодное освещение и вертикальная посадочная рама высотой 6 м. Растения растут по бокам контейнеров. Этот метод посадки, основанный на гравитационном поливе, не требует дополнительных насосов и более водоэффективен, чем традиционное земледелие. Plenty утверждает, что его ферма производит в 350 раз больше продукции, чем традиционная ферма, используя при этом всего 1% воды.

Завод по выращиванию растений методом вертикального земледелия, компания Plenty.

2.2 Состояние отрасли заводов и фабрик в Китае

В 2009 году в Чанчуньском сельскохозяйственном выставочном парке был построен и введен в эксплуатацию первый в Китае завод по выращиванию растений с интеллектуальной системой управления. Площадь здания составляет 200 м2, и такие параметры окружающей среды, как температура, влажность, освещенность, концентрация CO2 и питательного раствора, могут автоматически контролироваться в режиме реального времени для обеспечения интеллектуального управления.

В 2010 году в Пекине был построен завод по выращиванию овощей в Тунчжоу. Основная конструкция выполнена из однослойной легкой стальной конструкции общей площадью 1289 м2. Здание имеет форму авианосца, символизирующего ведущую роль китайского сельского хозяйства в освоении самых передовых технологий современного земледелия. Для некоторых операций по выращиванию листовых овощей разработано автоматизированное оборудование, что повысило уровень автоматизации и эффективность производства. Завод использует систему тепловых насосов с использованием грунтовых вод и систему выработки солнечной энергии, что позволяет лучше решить проблему высоких эксплуатационных расходов.

Вид изнутри и снаружи завода в Тунчжоу.

В 2013 году в Янлинской сельскохозяйственной высокотехнологичной демонстрационной зоне провинции Шэньси было создано множество компаний, занимающихся сельскохозяйственными технологиями. Большинство проектов по строительству и эксплуатации заводов по переработке растений расположены в сельскохозяйственных высокотехнологичных демонстрационных парках, которые в основном используются для научно-популярных демонстраций и развлекательных мероприятий. Из-за своих функциональных ограничений этим научно-популярным заводам по переработке растений трудно достичь высокой урожайности и эффективности, необходимых для индустриализации, и им будет сложно стать основной формой индустриализации в будущем.

В 2015 году крупный китайский производитель светодиодных чипов в сотрудничестве с Институтом ботаники Китайской академии наук инициировал создание предприятия по выращиванию растений. Это позволило перейти из оптоэлектронной отрасли в «фотобиологическую», став прецедентом для китайских производителей светодиодов в сфере инвестиций в строительство предприятий по выращиванию растений в рамках индустриализации. Предприятие, занимающееся выращиванием растений, нацелено на промышленные инвестиции в развивающуюся фотобиологию, объединяя научные исследования, производство, демонстрацию, инкубацию и другие функции. Уставный капитал предприятия составляет 100 миллионов юаней. В июне 2016 года было завершено строительство и введено в эксплуатацию трехэтажное здание площадью 3000 м² с площадью выращивания более 10 000 м². К маю 2017 года суточная производительность достигла 1500 кг листовых овощей, что эквивалентно 15 000 кустам салата в день.

Мнения об этой компании

3. Проблемы и меры противодействия развитию растениеводческих комплексов

3.1 Проблемы

3.1.1 Высокая стоимость строительства

Для выращивания растений на теплицах необходимо использовать закрытую среду. Поэтому требуется создание вспомогательных сооружений и оборудования, включая внешние конструкции для обслуживания, системы кондиционирования воздуха, искусственные источники света, многоярусные системы выращивания, циркуляцию питательного раствора и системы компьютерного управления. Стоимость строительства относительно высока.

3.1.2 Высокие эксплуатационные расходы

Большая часть источников света, необходимых для работы теплиц, — это светодиодные лампы, которые потребляют много электроэнергии, обеспечивая при этом соответствующий спектр для роста различных культур. Оборудование, такое как кондиционеры, вентиляция и водяные насосы, используемое в процессе производства на теплицах, также потребляет электроэнергию, поэтому счета за электроэнергию являются огромной статьей расходов. Согласно статистике, на долю производственных затрат теплиц приходится 29% затрат на электроэнергию, 26% — на оплату труда, 23% — на амортизацию основных средств, 12% — на упаковку и транспортировку, и 10% — на производственные материалы.

Разбивка производственных затрат на завод по выращиванию растений.

3.1.3 Низкий уровень автоматизации

В настоящее время применяемые системы растениеводства имеют низкий уровень автоматизации, и такие процессы, как рассада, пересадка, посадка в поле и сбор урожая, по-прежнему требуют ручного труда, что приводит к высоким затратам на рабочую силу.

3.1.4 Ограниченное разнообразие сельскохозяйственных культур, которые можно выращивать.

В настоящее время ассортимент культур, пригодных для выращивания на плантациях, весьма ограничен, в основном это листовые овощи, которые быстро растут, легко адаптируются к искусственному освещению и имеют низкую листву. Крупномасштабные посадки для сложных требований к выращиванию (например, культур, требующих опыления и т. д.) невозможны.

3.2 Стратегия развития

Ввиду проблем, с которыми сталкивается отрасль растениеводства, необходимо проводить исследования с различных точек зрения, таких как технология и функционирование. В ответ на существующие проблемы предлагаются следующие контрмеры.

(1) Укрепить исследования в области интеллектуальных технологий для растениеводческих предприятий и повысить уровень интенсивного и усовершенствованного управления. Разработка интеллектуальной системы управления и контроля способствует достижению интенсивного и усовершенствованного управления растениеводческими предприятиями, что может значительно снизить трудозатраты и сэкономить рабочую силу.

(2) Разработка интенсивного и эффективного технического оборудования для растениеводческих предприятий с целью достижения ежегодного высокого качества и высокой урожайности. Разработка высокоэффективных установок и оборудования для выращивания, энергосберегающих технологий и оборудования освещения и т. д., направленная на повышение уровня интеллектуальности растениеводческих предприятий, способствует реализации ежегодного высокоэффективного производства.

(3) Проводить исследования в области технологий промышленного выращивания высокоценных растений, таких как лекарственные растения, растения для оздоровления и редкие овощи, увеличивать количество выращиваемых культур на фабриках растений, расширять каналы получения прибыли и повышать начальный уровень прибыли.

(4) Проводить исследования фабрик по выращиванию растений для бытового и коммерческого использования, расширять ассортимент фабрик по выращиванию растений и обеспечивать непрерывную прибыльность с различными функциями.

4. Тенденции развития и перспективы растениеводства.

4.1 Тенденции развития технологий

4.1.1 Интеллектуализация на протяжении всего процесса

На основе механизма интеграции машинного искусства и предотвращения потерь в системе «растение-робот» необходимо создать высокоскоростные, гибкие и неразрушающие захваты для посадки и сбора урожая, распределенные методы многомерного пространственного точного позиционирования и многомодального многомашинного совместного управления, а также обеспечить беспилотный, эффективный и неразрушающий посев на высотных растениеводческих комплексах — интеллектуальные роботы и вспомогательное оборудование, такое как оборудование для посадки, сбора урожая и упаковки, что позволит реализовать беспилотное управление всем процессом.

4.1.2 Повышение эффективности управления производством

На основе механизма реакции роста и развития растений на световое излучение, температуру, влажность, концентрацию CO2, концентрацию питательных веществ в питательном растворе и электропроводность (EC) необходимо построить количественную модель обратной связи между растением и окружающей средой. Следует создать стратегическую базовую модель для динамического анализа информации о жизненном цикле листовых овощей и параметрах производственной среды. Также необходимо разработать систему динамической идентификации, диагностики и управления процессом в условиях окружающей среды. Необходимо создать многомашинную систему принятия решений на основе искусственного интеллекта для всего производственного процесса крупносерийного вертикального сельскохозяйственного предприятия.

4.1.3 Производство с низким уровнем выбросов углерода и энергосбережение

Создание системы управления энергопотреблением, использующей возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая энергия, для передачи электроэнергии и контроля энергопотребления с целью достижения оптимальных целей в области управления энергопотреблением. Улавливание и повторное использование выбросов CO2 для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

4.1.3 Высокая ценность премиальных сортов

Необходимо разработать осуществимые стратегии для выведения различных высокоценных сортов для экспериментальных посадок, создать базу данных экспертов по технологиям выращивания, провести исследования в области технологий выращивания, выбора плотности посадки, расположения стерни, адаптации сортов и оборудования, а также разработать стандартные технические спецификации по выращиванию.

4.2 Перспективы развития отрасли

Заводы по выращиванию растений позволяют избавиться от ограничений, связанных с ресурсами и окружающей средой, реализовать индустриальное производство в сельском хозяйстве и привлечь новое поколение рабочей силы к сельскохозяйственному производству. Ключевые технологические инновации и индустриализация китайских заводов по выращиванию растений делают их мировым лидером. Благодаря ускоренному внедрению светодиодных источников света, цифровизации, автоматизации и интеллектуальных технологий в этой области, заводы будут привлекать больше капиталовложений, привлекать талантливых специалистов и использовать больше новых источников энергии, материалов и оборудования. Таким образом, будет реализована глубокая интеграция информационных технологий и оборудования, улучшен уровень интеллектуальности и беспилотного управления оборудованием, обеспечено непрерывное снижение энергопотребления и эксплуатационных расходов за счет постоянных инноваций, а также постепенное развитие специализированных рынков. Интеллектуальные заводы по выращиванию растений откроют золотой век развития.

Согласно отчетам об исследованиях рынка, объем мирового рынка вертикального земледелия в 2020 году составлял всего 2,9 миллиарда долларов США, и ожидается, что к 2025 году он достигнет 30 миллиардов долларов США. В целом, вертикальные фермы для выращивания растений имеют широкие перспективы применения и большой потенциал развития.

Автор: Цзэнчан Чжоу, Вэйдун и др.

Информация для цитирования:Текущее состояние и перспективы развития отрасли растениеводства [J]. Технология сельскохозяйственной инженерии, 2022, 42(1): 18-23.Цзэнчан Чжоу, Вэй Донг, Сюган Ли и др.