植物工厂是在密闭或者半密闭条件下实现作物在垂直立体空间上周年计划生产、生长环境条件全智能控制的植物高效农业系统，作为技术高度密集的产业形态，涉及智慧农业、工程材料、环控装备、智慧决策等核心技术，多年来一直被国际上公认为是设施农业最高级发展阶段。植物工厂作为一种以人工光源与营养液栽培为主要标志的生产方式，可以实现光、温、湿、CO2等生长环境和营养供给智能控制，不受土壤、气候等条件制约。早期一直以叶菜为生产对象，随着植物工厂技术的不断进步，生产对象已经逐渐拓展到果茶、食用花卉、药用植物、矮化果树以及医用大麻等作物，近年来甚至在水稻等粮食作物的快速繁育方面也取得了重要进展。
我国作为世界第一大茶叶生产国，生产规模不断创新高，2020年茶园面积321.6万公顷，比2015年增长了约21.8%;干毛茶年产量293万吨，增长约28.5%。但目前仍存在品种老化、老茶园品种更新滞后、影响名优茶品质提升，机械化率低，用工难、用工贵等问题。据农机部门调查，全国茶园管理作业机械化率不足10%。尤其是近年来极端天气频发，茶园时常遭受倒春寒、干旱和洪涝灾害，大部分茶园设施设备少，防灾减灾能力弱，常造成茶叶减产、品质下降。
随着植物工厂等高新农业技术的发展，茶叶生产也逐渐会向标准化、模块化栽培的方向发展，辅之以AI、物联网和大数据等技术的支撑，茶树种植技术将迎来全新的升级，大型茶叶工厂势必朝着机械化、智能化和数据化的方向发展。
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国内植物工厂现状
全球植物工厂呈现极为活跃的发展态势，在日本、中国、韩国、美国、新加坡等国家和地区发展迅速，飞利浦、三菱等国际知名企业纷纷投入植物工厂的技术研发与产业推广。
近年来，植物工厂在我国发展迅速，如今已经在福建、辽宁、北京、天津、山东、江苏和广东等省市建成20多座大型植物工厂。
· 2021年1月，国家电力投资集团有限公司首个以智能植物工厂为先导的智慧园区型综合智慧能源项目投入试生产，并成功产出第一茬绿色蔬菜。
· 2017年6月，京东集团与日本三菱化学控股集团合作建成国内最大的日本技术太阳光和人工光结合型植物工厂，工厂内的蔬菜产量是常规种植的3~4倍，节水90%以上。目前，京东植物工厂的菠菜、青梗菜、色拉菜5号、红叶生菜、香菜和芝麻菜6类常见蔬菜已经在京东生鲜超市上市销售。
· 2015年12月，中国科学院植物研究所与福建三安集团联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优势和中科院植物研究所在光生物领域的技术研发优势，建立包括育苗气候控制、基质及营养液配比、灌溉潮汐调节、人工LED光照等技术的种植模式，种植涵盖蔬菜、食用花卉、金线莲、果树和茶叶等，培育的蔬菜已经在福建厦门、福州等地上市销售。中国植物工厂在全流程作业的智能化以及无人植物工厂智能装备等研发取得了丰硕的成果。福建省中科生物股份有限公司研发出UPLIFT AI自动化垂直农业生产系统，率先实现除采收外的全流程无人化作业，获2021年第一届中国农业机器人创新大赛一等奖。其中UPLIFT无人化垂直农业生产系统首次在陕西杨凌农高区智慧农业示范园商业化落地，占地2400 m2，种植层架达到10层。中科生物有限公司茶叶植物工厂如图1所示，已包括扦插、育苗、成年茶树种植、鲜叶采收制作等用途。
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茶叶植物工厂关键技术
1、光配方
相比传统的“万物生长靠太阳”，发光二极管(Light-emitting diode， LED)光源在植物工厂应用中具有节能、环保、寿命长、体积小等优势，还可以根据植物生理需求调制光谱，精准满足植物各生长发育阶段的光环境需求，促进植物光能的最大化利用。
光配方是提高植物工厂生产力的保障。目前对于光周期与光照强度对茶树生长的影响研究较少，不同光质对茶树生长及品质影响的研究较多，红橙光有利于茶树多酚类物质含量的提高，而氨基酸含量则随采前日照减少而增多。
在茶树生长发育过程中，不同的光质对于茶树的愈伤组织具有不同的作用，其中蓝光有利于愈伤组织的生长，而红光能提升多酚类物质的含量。红光促进茶树扦插苗根的伸长生长，而蓝光促进茶树扦插苗根的加粗生长。在茶树光合作用中，茶树的光补偿点和光饱和点在红光照射时最低，绿光照射时最高。不同光质照射时，茶树叶片的光合强度由高到低依次为：红光、紫光、蓝光、黄光、白光、绿光;茶树叶片的净光合速率由高到低依次为：黄光、红光、绿光、蓝光、紫。
张泽岑等用不同颜色的塑料膜覆盖茶树后，发现黄色薄膜处理有利于茶树的花青素含量提高。照射红光和黄光可以促进茶树芽梢的伸长生长，扩大茶树的叶面积，照射蓝光和紫光可以促进茶树的比叶重增加。红光有利于茶树中茶多酚含量的增加，蓝光和紫光促进茶树游离氨基酸、蛋白质、叶绿素和水浸出物含量提高，且具有苦涩滋味的茶多酚含量相应减少。
不同红蓝光组合在植物生长和有效物质积累方面所起的作用明显不同，徐永研究认为在植物工厂内选用红光含量高于蓝光的LED作为光源，具体配比为红光∶蓝光=7∶3为佳。并且这样的红蓝光配比对各类叶菜或苗菜都基本适用，对不同植物也没有特异性的要求。
中科生物茶叶植物工厂研究表明，在红蓝光配比为3.82，光强为200~250 μmol/m2·s，12 h光照时长条件下，铁观音和黄金桂具有较高的净光合速率和光化学效率，这两个品种表现出较高的适应室内人工气候条件的潜力。且采收前红外线处理7天不仅可以提高鲜叶氨基酸含量(较对照提高192.93%)，同时起到降低茶多酚及酚氨比的作用。红蓝光配比为2.2加绿光处理可起到增加正常新枝数比例，达到增产的效果，同时可以缩短节间及提高氨基酸含量。
2、营养液
在茶树整个生长发育过程中，氮、磷、钾依然是其最需要的三大矿质营养元素。在植物工厂基质栽培条件下，营养液为茶树生长提供其所需的所有营养成分，因茶树生长阶段需求及品质要求的不同，对营养的要求也不同，不适宜的营养液浓度及用量会引发茶树不同的生理性病害，导致茶树生长环境不均衡而影响茶树的正常生长发育，因此营养液管理在生产管理中具有重要意义。
在生产中一般配制营养液A、B、C母液，在使用时按1∶1∶1配制工作液，EC(电导率)范围在0.5~1 mS/cm，pH范围在4.5~5.0。
中科生物茶叶植物工厂开发并优化出室内栽培茶树营养液配方F4(专利号：ZL202110928430.X)，具有稳定性强，营养全面，简便易调等优点，较传统配方生根快(提早3~4天)，新枝数提高30%以上。一般营养液一个月配制母液一次，有机肥、纯水及营养液轮换施用。
3、环控因子
茶叶植物工厂生产空间空气的温湿度、CO2浓度、气流速度等环境因子是影响茶叶品质的重要因素。CO2作为植物光合作用的原料，适当增加CO2浓度，有利于促进光合作用及其产物积累，提高产量，具有显著的“施肥效应”。
杨书运等研究发现提高大气CO2浓度可增强茶树对高温的适应性，强光环境中，700 μmol/mol CO2浓度可使茶树对光合作用产生抑制的气温提高3~4 ℃，且浓度在519~569 μmol/mol之间时，温度升高，茶树净光合速率显著提高。CO2浓度条件对茶叶茶多酚、氨基酸、咖啡碱和可溶性糖等品质成分含量的影响，一般对春茶影响程度最大，而夏、秋茶品质成分在不同CO2浓度下的变化相对较小。研究表明当CO2增加到550和750 μmol/mol，茶多酚含量分别提高6.0%和11.3%，可溶性糖含量分别增加8.4%和18.1%。氨基酸、咖啡碱含量降低，在高CO2浓度下，茶树新梢梢长、节间长、叶面积、新梢重都有增加。在植物工厂内，可以通过计算机和传感装置系统的运行，来满足茶树生长所需的CO2浓度，对植物工厂进行全面检测，满足高效持续生产。
茶树生长喜温怕寒、喜光怕晒、喜湿怕涝。光照、CO2浓度、水分和温湿度等因素都会对茶树的生长和品质成分产生影响。
中科生物茶叶植物工厂基质栽培最佳湿度为70%~80%之间，此时，茶树生物量积累高，节间短，新梢长度、叶面积适中。同时确立了植物工厂条件下茶树最适的生长发育调控体系，筛选出植物工厂条件下茶树生长的主要生态因子：温度在25~30 ℃，湿度90%，基质相对湿度在75%，合适的光环境(光谱及光照强度)，此种条件下栽培的茶叶相关生化指标都处在一个较优的水平。
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植物工厂茶叶种植的优势
在植物工厂人工可控环境的洁净厂房内，对茶树生长所需的光照、水分、养分、空气温度与湿度以及CO2浓度进行精准监控，创造茶树不间断生产的最佳生长发育环境。与传统茶叶生产相比，植物工厂茶叶可以实现产量高、内含物质丰富、定向调控功能物质成分含量，增加采收茬数，缩短生长周期，提高生产效率，保证产品质量稳定和一致性，满足社会需求的多样化等。
1、健康安全
植物工厂是严格控制环境条件的农业产业，在入口处设置风淋间，人员进入植物工厂车间须穿戴防护服、一次性头套、口罩及鞋套，悬挂蓝/黄板，加强植物工厂内温湿度管理，改善通风条件等物理措施，能有效杜绝大部分病虫害发生，因此植物工厂条件下进行茶叶生产，不需要使用任何农药，加上生产车间环境洁净，生产出的茶叶无农药和无重金属污染，是真正的安全优质茶叶产品。
2、周年不间断的连续生产，生产效率高
由于不受气候环境条件制约，全年能实现不间断的连续生产，加上是立体化栽培的垂直农业，因此单位面积土地上产量高。以一栋五层的植物工厂为例，每个楼层内在垂直方向上架设4层种植槽，单位种植面积扩大到20倍;每35天可采收一茬鲜叶，可以连续不间断生产，每年可采收10茬，鲜叶采收量是野外茶园的5倍，折合计算，单位占地面积产量是传统种植的100倍。
3、能生产风味独特品质稳定的茶叶产品
通过对植物工厂环境条件进行人工模拟与控制，定向调控产品形态与茶树叶片内次生代谢产物的合成与积累，产出满足需求的风味独特的优质产品。加上植物工厂环境所有生产条件稳定，任意一茬收获的茶叶原料的品质相似，通过运用稳定的加工工艺，确保茶叶产品品质的稳定。例如，通过光、温湿度和营养液调控，可生产高氨基酸含量或高儿茶素(EGCG)含量的功能性产品，现有研究表明，植物工厂环境内，控制湿度在90%，游离氨基酸总量、甜味氨基酸总量、鲜味氨基酸总量最高，甜味氨基酸总量与其余处理相比呈极显著差异。茶叶中特有的EGCG较室外高出15%，可溶性糖及其他可溶性物质均处在更优的水平，说明通过特殊的光谱调整和可控的环境调整，定向调控特定成分的含量，可以生产出具有特殊香味、高氨基酸、低咖啡碱等满足不同客户群体的具有较高保健价值的茶产品，减少茶业同质化生产，满足个性化要求，能大幅度提升茶叶品牌价值及市场美誉度。
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茶叶植物工厂发展面临的问题
1、建设和运行成本高
茶叶植物工厂需要在封闭环境下进行栽培、生产，需要构建外维护结构、空调系统、新风系统、人工光源、多层栽培系统、营养液循环、二氧化碳系统、纯水系统及计算机智能控制系统等配套装备和设施，建设成本和维护成本相对较高。
茶叶植物工厂所需的光源大部分来自LED灯，在为不同品种、生长阶段的茶树提供相应光谱的同时需要消耗大量的电。为了保证适宜的温度、湿度、二氧化碳含量，植物工厂生产过程的空调、通风、水泵等也需要消耗电能。
据统计，茶叶植物工厂年运行成本中，照明及空调能耗成本占55%，劳动力成本占16%，设备及耗材成本占17%，其余成本占12%，试验期以300平米两层房间计算年运行成本(除固投外其他成本)大概为27万，每千克茶青成本约为320元。
2、对品种要求高
国内外对于茶叶植物工厂领域的研究较少，成体系、产业化的植物工厂更为少见。目前的茶叶植物工厂在运行中自动化程度较低，育苗、扦插、移栽、修剪、采摘、肥水管理等过程仍需要人工作业，导致人工成本高。且由于茶树品种众多，对于栽培条件和环境要求差异较大，在植物工厂生产过程中，较难形成规模化、统一化的管理模式。
3、市场认知度低，盈利慢
茶叶植物工厂是在密闭环境下采取基质栽培，利用营养液及有机肥满足日常水肥管理，避免了土壤栽培以及空气中可能存在的细菌、微生物和重金属等污染，这种在洁净、安全环境下生产出来的茶叶产品成本相对较高，因此产品价格要与常规茶叶产品形成差异化，需要国家茶叶标准委员会制定植物工厂茶叶产品标准。而目前市场上对于植物工厂生产的茶叶产品认知度还不高，中科生物建立了国内外首家茶叶植物工厂，对于产品市场的培育和品牌推广还处于起步阶段，因此建立起植物工厂茶叶的产品标准，生产高附加值的功能性茶叶产品十分必要。
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总结与展望
植物工厂可以研发适应不同茶树品质的营养液和光配方，结合精准的环控系统，攻克茶树对自然环境的依赖，达到高效生产、质量稳定，安全的目的，并研发掌握智慧茶园一系列技术指标，来指导高效、安全、标准的室外茶园建设。茶叶植物工厂有利于机械化操作，改变茶农“面朝黄土”，在室外地形复杂山坡高强度劳作方式，提升劳动者素质;还有利于提高茶叶品质，尤其是能确保茶叶的卫生质量安全，创造更高的市场价值，提高农民收入，支撑农村经济发展，巩固扶贫攻坚成果，推动乡村振兴发展;更能加快退茶还林的步伐，营造绿水青山，有助于建设生态中国。
随着生活水平的提高，人们对洁净、安全、具有保健功能的茶叶产品的需求日益迫切，茶叶植物工厂将以家庭形式、微型、商用等多规格、多形态进入日常生活场景。随着技术进步及市场逐渐完善，一方面，茶叶植物工厂的光效与能效提升， 能耗不断降低，大幅减少运营成本;另一方面，通过环境因子、光谱及营养调控，茶叶功能性成分如氨基酸、没食子酸、EGCG、可溶性糖等显著提高，提升茶叶产品附加值及经济效益，从而实现盈利。
垂直立体空间拓展将是茶叶植物工厂发展的重要方向之一，多层立体种植模式下，人工作业难度加大，机器化、自动化、智能化将成为必然。通过加大对茶叶植物工厂生产工艺流程的标准化与规范化研究，研发从育苗、栽培、修剪、采收等环节的自动化、智能化成套装备，实现栽培模式科学化、设施结构产业化、创新人才团队化与植物工厂的深度融合，正在成为未来茶叶植物工厂发展趋势。
作者简介：
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谢辉煌
制茶工程师，毕业于福建农学院茶学专业，现任福建省中科生物股份有限公司总监，致力于植物工厂智慧茶园管理与茶品质调控，《智慧茶园新密码：茶叶植物工厂》获得首届中国茶科技创新大赛三等奖。自主研发远红外线自动化烘焙精制生产线;主持福建省科技厅星火计划项目《陈香型铁观音贮存及加工关键技术集成与应用》;获得实用新型专利一项。
具体内容详见《中国茶叶加工》杂志，2022年第3期文章《植物工厂茶树栽培技术研究进展》，页码：84-88，作者：谢辉煌。
来源：中国茶叶加工
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