Abstrak: Dalam beberapa tahun terakhir, dengan terus dilakukannya eksplorasi teknologi pertanian modern, industri pabrik tanaman juga berkembang pesat. Makalah ini memperkenalkan status quo, permasalahan yang ada dan penanggulangan perkembangan teknologi pabrik tanaman dan perkembangan industri, serta menantikan tren perkembangan dan prospek pabrik tanaman di masa depan.

1. Status perkembangan teknologi terkini di pabrik-pabrik di China dan luar negeri

1.1 Status quo perkembangan teknologi asing

Sejak abad ke-21, penelitian pabrik tanaman terutama berfokus pada peningkatan efisiensi cahaya, pembuatan peralatan sistem budidaya tiga dimensi multi-lapis, serta penelitian dan pengembangan manajemen dan pengendalian cerdas. Pada abad ke-21, inovasi sumber cahaya LED pertanian telah mengalami kemajuan, memberikan dukungan teknis yang penting untuk penerapan sumber cahaya hemat energi LED di pabrik tanaman. Universitas Chiba di Jepang telah melakukan sejumlah inovasi pada sumber cahaya berefisiensi tinggi, pengendalian lingkungan hemat energi, dan teknik budidaya. Universitas Wageningen di Belanda menggunakan simulasi tanaman-lingkungan dan teknologi optimasi dinamis untuk mengembangkan sistem peralatan cerdas untuk pabrik tanaman, yang sangat mengurangi biaya operasional dan secara signifikan meningkatkan produktivitas tenaga kerja.

Dalam beberapa tahun terakhir, pabrik tanaman secara bertahap merealisasikan semi-otomatisasi proses produksi mulai dari penaburan, pemeliharaan bibit, pemindahan, dan pemanenan. Jepang, Belanda, dan Amerika Serikat berada di garis depan, dengan mekanisasi, otomatisasi, dan kecerdasan tingkat tinggi, serta berkembang ke arah pertanian vertikal dan operasi tak berawak.

1.2 Status perkembangan teknologi di Tiongkok

1.2.1 Spesialisasi sumber cahaya LED dan peralatan teknologi aplikasi hemat energi untuk cahaya buatan di pabrik pabrik

Sumber cahaya LED merah dan biru khusus untuk produksi berbagai spesies tanaman di pabrik tanaman telah dikembangkan satu demi satu. Daya berkisar antara 30 hingga 300 W, dan intensitas cahaya iradiasi adalah 80 hingga 500 mol/(m2•s), yang dapat memberikan intensitas cahaya dengan rentang ambang batas yang sesuai, parameter kualitas cahaya, untuk mencapai efek efisiensi tinggi hemat energi dan beradaptasi dengan kebutuhan pertumbuhan tanaman dan pencahayaan. Dalam hal manajemen pembuangan panas sumber cahaya, desain pembuangan panas aktif dari kipas sumber cahaya telah diperkenalkan, yang mengurangi laju peluruhan cahaya dari sumber cahaya dan menjamin masa pakai sumber cahaya. Selain itu, diusulkan metode untuk mengurangi panas sumber cahaya LED melalui larutan nutrisi atau sirkulasi air. Dalam hal pengelolaan ruang sumber cahaya, sesuai dengan hukum evolusi ukuran tanaman pada tahap pembibitan dan tahap selanjutnya, melalui pengelolaan pergerakan ruang vertikal sumber cahaya LED, kanopi tanaman dapat diterangi dalam jarak dekat dan tujuan penghematan energi adalah tercapai. Saat ini, konsumsi energi sumber cahaya pabrik pabrik lampu buatan dapat mencapai 50% hingga 60% dari total konsumsi energi operasional pabrik pabrik. Meskipun LED dapat menghemat 50% energi dibandingkan lampu neon, masih terdapat potensi dan perlunya penelitian mengenai penghematan energi dan pengurangan konsumsi.

1.2.2 Teknologi dan peralatan budidaya tiga dimensi multi-lapis

Kesenjangan lapisan pada budidaya tiga dimensi multi-lapis berkurang karena LED menggantikan lampu neon, yang meningkatkan efisiensi pemanfaatan ruang tiga dimensi pada budidaya tanaman. Telah banyak penelitian mengenai desain bagian bawah bedengan budidaya. Garis timbul dirancang untuk menghasilkan aliran turbulen, yang dapat membantu akar tanaman menyerap nutrisi dalam larutan nutrisi secara merata dan meningkatkan konsentrasi oksigen terlarut. Dengan menggunakan papan kolonisasi, terdapat dua metode kolonisasi, yaitu cangkir kolonisasi plastik dengan ukuran berbeda atau mode kolonisasi perimeter spons. Sistem bedengan budidaya yang dapat digeser telah muncul, dan papan tanam serta tanaman di atasnya dapat didorong secara manual dari satu ujung ke ujung lainnya, mewujudkan mode produksi penanaman di satu ujung bedengan budidaya dan memanen di ujung lainnya. Saat ini, berbagai teknologi dan peralatan budidaya tak dinodai multi-lapisan tiga dimensi berdasarkan teknologi film cair nutrisi dan teknologi aliran cairan dalam telah dikembangkan, serta teknologi dan peralatan untuk budidaya substrat stroberi, budidaya aerosol sayuran berdaun dan bunga. telah bermunculan. Teknologi yang disebutkan telah berkembang pesat.

1.2.3 Teknologi dan peralatan sirkulasi larutan nutrisi

Setelah larutan nutrisi digunakan dalam jangka waktu tertentu, perlu ditambahkan unsur air dan mineral. Umumnya, jumlah larutan nutrisi yang baru disiapkan dan jumlah larutan asam basa ditentukan dengan mengukur EC dan pH. Partikel besar sedimen atau pengelupasan akar dalam larutan nutrisi perlu dihilangkan dengan filter. Eksudat akar dalam larutan nutrisi dapat dihilangkan dengan metode fotokatalitik untuk menghindari kendala penanaman terus menerus dalam hidroponik, namun terdapat risiko tertentu dalam ketersediaan nutrisi.

1.2.4 Teknologi dan peralatan pengendalian lingkungan

Kebersihan udara ruang produksi merupakan salah satu indikator penting kualitas udara pabrik pabrik. Kebersihan udara (indikator partikel tersuspensi dan bakteri menetap) di ruang produksi pabrik dalam kondisi dinamis harus dikontrol hingga tingkat di atas 100.000. Masukan desinfeksi material, perawatan pancuran udara personel yang masuk, dan sistem pemurnian udara sirkulasi udara segar (sistem penyaringan udara) semuanya merupakan perlindungan dasar. Suhu dan kelembapan, konsentrasi CO2, dan kecepatan aliran udara di ruang produksi merupakan konten penting lainnya dalam pengendalian kualitas udara. Menurut laporan, menyiapkan peralatan seperti kotak pencampur udara, saluran udara, saluran masuk udara, dan saluran keluar udara dapat mengontrol suhu dan kelembapan, konsentrasi CO2, dan kecepatan aliran udara di ruang produksi secara merata, sehingga mencapai keseragaman spasial yang tinggi dan memenuhi kebutuhan pabrik. di lokasi spasial yang berbeda. Sistem kontrol suhu, kelembaban dan konsentrasi CO2 serta sistem udara segar terintegrasi secara organik ke dalam sistem sirkulasi udara. Ketiga sistem tersebut perlu berbagi saluran udara, saluran masuk udara, dan saluran keluar udara, serta menyediakan daya melalui kipas untuk mewujudkan sirkulasi aliran udara, filtrasi dan desinfeksi, serta pembaruan dan keseragaman kualitas udara. Hal ini memastikan bahwa produksi tanaman di pabrik tanaman bebas dari hama dan penyakit, dan tidak diperlukan penggunaan pestisida. Pada saat yang sama, keseragaman suhu, kelembaban, aliran udara dan konsentrasi CO2 unsur-unsur lingkungan tumbuh di kanopi dijamin dapat memenuhi kebutuhan pertumbuhan tanaman.

2. Status Perkembangan Industri Pabrik Tanaman

2.1 Status quo industri pabrik tanaman asing

Di Jepang, penelitian dan pengembangan serta industrialisasi pabrik tanaman lampu buatan relatif cepat dan berada pada level terdepan. Pada tahun 2010, pemerintah Jepang mengeluarkan dana sebesar 50 miliar yen untuk mendukung penelitian dan pengembangan teknologi serta demonstrasi industri. Delapan institusi termasuk Universitas Chiba dan Asosiasi Riset Pabrik Tanaman Jepang berpartisipasi. Japan Future Company melaksanakan dan mengoperasikan proyek percontohan industrialisasi pertama dari sebuah pabrik dengan produksi harian 3.000 pabrik. Pada tahun 2012, biaya produksi pabrik pabrik adalah 700 yen/kg. Pada tahun 2014, pabrik pabrik modern di Kastil Taga, Prefektur Miyagi selesai dibangun, menjadi pabrik pabrik LED pertama di dunia dengan produksi harian 10.000 pabrik. Sejak tahun 2016, pabrik-pabrik pembangkit LED telah memasuki jalur cepat industrialisasi di Jepang, dan perusahaan-perusahaan yang mencapai titik impas atau menguntungkan bermunculan satu demi satu. Pada tahun 2018, pabrik pabrik berskala besar dengan kapasitas produksi harian 50.000 hingga 100.000 pabrik bermunculan satu demi satu, dan pabrik pabrik global berkembang menuju pengembangan berskala besar, profesional, dan cerdas. Pada saat yang sama, Tokyo Electric Power, Okinawa Electric Power dan bidang lainnya mulai berinvestasi di pabrik pembangkit listrik. Pada tahun 2020, pangsa pasar selada yang diproduksi oleh pabrik tanaman Jepang akan mencapai sekitar 10% dari seluruh pasar selada. Di antara lebih dari 250 pabrik tanaman jenis lampu buatan yang saat ini beroperasi, 20% berada dalam tahap merugi, 50% berada pada tingkat impas, dan 30% berada dalam tahap menguntungkan, yang melibatkan spesies tanaman budidaya seperti selada, herba, dan bibit.

Belanda adalah pemimpin dunia nyata dalam bidang teknologi penerapan gabungan cahaya matahari dan cahaya buatan untuk pabrik pabrik, dengan mekanisasi, otomasi, kecerdasan, dan tanpa awak tingkat tinggi, dan kini telah mengekspor serangkaian teknologi dan peralatan lengkap yang kuat. produk ke Timur Tengah, Afrika, Cina dan negara-negara lain. Peternakan American AeroFarms terletak di Newark, New Jersey, AS, dengan luas 6500 m2. Tanaman ini terutama menanam sayur-sayuran dan rempah-rempah, dan hasilnya sekitar 900 ton/tahun.

Pertanian vertikal di AeroFarms

Pabrik tanaman pertanian vertikal Plenty Company di Amerika Serikat mengadopsi pencahayaan LED dan rangka tanam vertikal dengan ketinggian 6 m. Tanaman tumbuh dari sisi pekebun. Mengandalkan penyiraman gravitasi, metode penanaman ini tidak memerlukan pompa tambahan dan lebih hemat air dibandingkan pertanian konvensional. Plenty mengklaim pertaniannya menghasilkan 350 kali lipat hasil pertanian konvensional dengan hanya menggunakan 1% air.

Pabrik tanaman pertanian vertikal, Banyak Perusahaan

2.2 Status pabrik pabrik industri di Cina

Pada tahun 2009, pabrik pabrik produksi pertama di Tiongkok dengan kontrol cerdas sebagai intinya dibangun dan dioperasikan di Taman Pameran Pertanian Changchun. Luas bangunan adalah 200 m2, dan faktor lingkungan seperti suhu, kelembaban, cahaya, CO2 dan konsentrasi larutan nutrisi pabrik dapat dipantau secara otomatis secara real time untuk mewujudkan manajemen cerdas.

Pada tahun 2010, Pabrik Pabrik Tongzhou dibangun di Beijing. Struktur utama mengadopsi struktur baja ringan satu lapis dengan total luas konstruksi 1289 m2. Bentuknya seperti kapal induk, melambangkan pertanian Tiongkok yang memimpin pelayaran menuju teknologi pertanian modern tercanggih. Peralatan otomatis untuk beberapa operasi produksi sayuran berdaun telah dikembangkan, yang telah meningkatkan tingkat otomatisasi produksi dan efisiensi produksi pabrik tanaman. Pabrik pabrik mengadopsi sistem pompa panas sumber tanah dan sistem pembangkit listrik tenaga surya, yang lebih baik dalam memecahkan masalah biaya operasional yang tinggi untuk pabrik pabrik.

Pemandangan dalam dan luar Pabrik Pabrik Tongzhou

Pada tahun 2013, banyak perusahaan teknologi pertanian didirikan di Zona Demonstrasi Teknologi Tinggi Pertanian Yangling, Provinsi Shaanxi. Sebagian besar proyek pabrik yang sedang dibangun dan dioperasikan berlokasi di taman demonstrasi pertanian berteknologi tinggi, yang terutama digunakan untuk demonstrasi sains populer dan tamasya rekreasi. Karena keterbatasan fungsinya, sulit bagi pabrik sains populer ini untuk mencapai hasil tinggi dan efisiensi tinggi yang dibutuhkan oleh industrialisasi, dan akan sulit bagi mereka untuk menjadi bentuk industrialisasi utama di masa depan.

Pada tahun 2015, produsen chip LED besar di Tiongkok bekerja sama dengan Institut Botani dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok untuk bersama-sama memulai pendirian perusahaan pabrik tanaman. Industri ini telah berpindah dari industri optoelektronik ke industri “fotobiologis”, dan telah menjadi preseden bagi produsen LED Tiongkok untuk berinvestasi dalam pembangunan pabrik di industrialisasi. Pabrik Pabriknya berkomitmen untuk melakukan investasi industri di bidang fotobiologi baru, yang mengintegrasikan penelitian ilmiah, produksi, demonstrasi, inkubasi, dan fungsi lainnya, dengan modal terdaftar sebesar 100 juta yuan. Pada bulan Juni 2016, Pabrik Tanaman dengan bangunan 3 lantai seluas 3.000 m2 dan luas budidaya lebih dari 10.000 m2 ini telah selesai dibangun dan dioperasikan. Pada bulan Mei 2017, skala produksi harian akan mencapai 1.500 kg sayuran berdaun atau setara dengan 15.000 tanaman selada per hari.

Pandangan perusahaan ini

3. Permasalahan dan penanggulangan yang dihadapi dalam pengembangan pabrik tanaman

3.1 Masalah

3.1.1 Biaya konstruksi yang tinggi

Pabrik tanaman perlu memproduksi tanaman di lingkungan tertutup. Oleh karena itu, perlu dibangun proyek dan peralatan pendukung termasuk struktur pemeliharaan eksternal, sistem pendingin udara, sumber cahaya buatan, sistem budidaya multi-lapis, sirkulasi larutan nutrisi, dan sistem kendali komputer. Biaya konstruksinya relatif tinggi.

3.1.2 Biaya pengoperasian yang tinggi

Sebagian besar sumber cahaya yang dibutuhkan oleh pabrik berasal dari lampu LED, yang mengonsumsi banyak listrik sekaligus menyediakan spektrum yang sesuai untuk pertumbuhan berbagai tanaman. Peralatan seperti AC, ventilasi, dan pompa air dalam proses produksi pabrik juga mengkonsumsi listrik, sehingga tagihan listrik menjadi pengeluaran yang sangat besar. Menurut statistik, di antara biaya produksi pabrik pabrik, biaya listrik menyumbang 29%, biaya tenaga kerja menyumbang 26%, penyusutan aset tetap menyumbang 23%, pengemasan dan transportasi menyumbang 12%, dan bahan produksi menyumbang 10%.

Rincian biaya produksi untuk pabrik pabrik

3.1.3 Otomatisasi tingkat rendah

Pabrik tanaman yang diterapkan saat ini memiliki tingkat otomatisasi yang rendah, dan proses seperti pembibitan, pemindahan, penanaman lapangan, dan pemanenan masih memerlukan pengoperasian manual, sehingga mengakibatkan biaya tenaga kerja yang tinggi.

3.1.4 Terbatasnya jenis tanaman yang dapat dibudidayakan

Saat ini jenis tanaman yang cocok untuk pabrik tanaman sangat terbatas, terutama sayuran berdaun hijau yang tumbuh cepat, mudah menerima sumber cahaya buatan, dan memiliki kanopi rendah. Penanaman skala besar tidak dapat dilakukan untuk kebutuhan penanaman yang rumit (misalnya tanaman yang perlu penyerbukan, dll).

3.2 Strategi Pembangunan

Mengingat permasalahan yang dihadapi industri pabrik tanaman, maka perlu dilakukan penelitian dari berbagai aspek seperti teknologi dan operasional. Menanggapi permasalahan yang ada saat ini, upaya penanggulangannya adalah sebagai berikut.

(1) Memperkuat penelitian tentang teknologi cerdas pabrik tanaman dan meningkatkan tingkat manajemen yang intensif dan halus. Pengembangan sistem manajemen dan pengendalian yang cerdas membantu mencapai manajemen pabrik yang intensif dan halus, yang dapat sangat mengurangi biaya tenaga kerja dan menghemat tenaga kerja.

(2) Mengembangkan peralatan teknis pabrik yang intensif dan efisien untuk mencapai kualitas tinggi dan hasil tahunan yang tinggi. Pengembangan fasilitas dan peralatan budidaya berefisiensi tinggi, teknologi dan peralatan penerangan hemat energi, dll., untuk meningkatkan tingkat kecerdasan pabrik tanaman, kondusif bagi realisasi produksi tahunan dengan efisiensi tinggi.

(3) Melaksanakan penelitian teknologi budidaya industri tanaman bernilai tambah tinggi seperti tanaman obat, tanaman kesehatan, dan sayuran langka, memperbanyak jenis tanaman yang dibudidayakan di pabrik tanaman, memperluas saluran keuntungan, dan meningkatkan titik awal keuntungan. .

(4) Melaksanakan penelitian terhadap pabrik tanaman untuk keperluan rumah tangga dan komersial, memperkaya jenis pabrik tanaman, dan mencapai profitabilitas berkelanjutan dengan berbagai fungsi.

4. Tren Perkembangan dan Prospek Pabrik Pabrik

4.1 Tren Perkembangan Teknologi

4.1.1 Intelektualisasi proses penuh

Berdasarkan mekanisme fusi seni mesin dan pencegahan kerugian dari sistem robot tanaman, efektor akhir penanaman dan pemanenan yang fleksibel dan tidak merusak berkecepatan tinggi, pendistribusian posisi akurat ruang multi-dimensi dan metode kontrol kolaboratif multi-modal multi-mesin, dan penaburan tanpa awak, efisien dan tidak merusak di pabrik-pabrik bertingkat tinggi -Robot cerdas dan peralatan pendukung seperti penanaman-panen-pengemasan harus diciptakan, sehingga mewujudkan pengoperasian seluruh proses tanpa awak.

4.1.2 Menjadikan pengendalian produksi lebih cerdas

Berdasarkan mekanisme respon pertumbuhan dan perkembangan tanaman terhadap radiasi cahaya, suhu, kelembaban, konsentrasi CO2, konsentrasi nutrisi larutan nutrisi, dan EC, model kuantitatif umpan balik tanaman-lingkungan harus dibangun. Model inti yang strategis harus ditetapkan untuk menganalisis secara dinamis informasi kehidupan sayuran berdaun dan parameter lingkungan produksi. Diagnosis identifikasi dinamis online dan sistem pengendalian proses lingkungan juga harus ditetapkan. Sistem pengambilan keputusan dengan kecerdasan buatan kolaboratif multi-mesin untuk seluruh proses produksi di pabrik pertanian vertikal bervolume tinggi harus diciptakan.

4.1.3 Produksi karbon rendah dan penghematan energi

Membangun sistem manajemen energi yang memanfaatkan sumber energi terbarukan seperti tenaga surya dan angin untuk menyelesaikan transmisi tenaga listrik dan mengendalikan konsumsi energi untuk mencapai tujuan pengelolaan energi yang optimal. Menangkap dan menggunakan kembali emisi CO2 untuk membantu produksi tanaman.

4.1.3 Nilai varietas premium yang tinggi

Strategi yang layak harus diambil untuk membiakkan berbagai varietas bernilai tambah tinggi untuk percobaan penanaman, membangun database ahli teknologi budidaya, melakukan penelitian tentang teknologi budidaya, pemilihan kepadatan, penataan tunggul, kemampuan adaptasi varietas dan peralatan, dan membentuk spesifikasi teknis budidaya standar.

4.2 Prospek pengembangan industri

Pabrik tanaman dapat menghilangkan kendala sumber daya dan lingkungan, mewujudkan produksi pertanian yang terindustrialisasi, dan menarik angkatan kerja generasi baru untuk terlibat dalam produksi pertanian. Inovasi teknologi dan industrialisasi utama pabrik-pabrik Tiongkok menjadi pemimpin dunia. Dengan percepatan penerapan sumber cahaya LED, digitalisasi, otomatisasi, dan teknologi cerdas di bidang pabrik, pabrik pabrik akan menarik lebih banyak investasi modal, pengumpulan bakat, dan penggunaan lebih banyak energi baru, material baru, dan peralatan baru. Dengan cara ini, integrasi mendalam antara teknologi informasi dan fasilitas serta peralatan dapat diwujudkan, tingkat fasilitas dan peralatan yang cerdas dan tak berawak dapat ditingkatkan, pengurangan konsumsi energi sistem dan biaya pengoperasian secara terus-menerus melalui inovasi berkelanjutan, dan bertahap pengembangan pasar khusus, pabrik tanaman cerdas akan mengantarkan periode emas pembangunan.

Menurut laporan riset pasar, ukuran pasar pertanian vertikal global pada tahun 2020 hanya sebesar US$2,9 miliar, dan diperkirakan pada tahun 2025, ukuran pasar pertanian vertikal global akan mencapai US$30 miliar. Singkatnya, pabrik pabrik memiliki prospek penerapan dan ruang pengembangan yang luas.

Penulis: Zengchan Zhou, Weidong, dll

Informasi kutipan:Situasi Terkini dan Prospek Perkembangan Industri Pabrik Tanaman [J]. Teknologi Rekayasa Pertanian, 2022, 42(1): 18-23.oleh Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, dkk.