植物工廠：顛覆農(nóng)作方式的技術(shù)

植物工廠里的蔬菜 （中國(guó)農(nóng)科院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所供圖）

日前，國(guó)家“十二五”科技創(chuàng)新成就展在北京展覽館舉辦，由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所“設(shè)施植物環(huán)境工程團(tuán)隊(duì)”自主研發(fā)的“智能LED植物工廠”成果亮相其中，并受到黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人以及社會(huì)各界高度關(guān)注、廣泛贊譽(yù)。

這項(xiàng)被稱為“土地利用和農(nóng)作方式的顛覆性技術(shù)”只被少數(shù)國(guó)家掌握，而我國(guó)就是其中之一。

“目前我國(guó)已經(jīng)全面掌握了LED植物工廠關(guān)鍵技術(shù)，整體水平處于國(guó)際前沿。”我國(guó)植物工廠研究的創(chuàng)始人、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所研究員楊其長(zhǎng)在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示。

生產(chǎn)植物的“工廠”

植物工廠是一種通過(guò)設(shè)施內(nèi)的高精度控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是由計(jì)算機(jī)對(duì)植物生育過(guò)程的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行全天候控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式。

換言之，智能LED植物工廠可對(duì)“工廠”內(nèi)環(huán)境要素和營(yíng)養(yǎng)要素進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控，不用土、不用陽(yáng)光，可實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的植物智能化生產(chǎn)，甚至可以在太空、荒漠、戈壁、海島、水面、摩天大樓等非可耕地里進(jìn)行作物生產(chǎn)。

楊其長(zhǎng)告訴記者，作為一種全新的生產(chǎn)方式，植物工廠的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為：一是作物生產(chǎn)計(jì)劃性強(qiáng)，可在不受外界環(huán)境影響的條件下，實(shí)現(xiàn)周年均衡生產(chǎn)；二是單位面積產(chǎn)量高，可大幅提高資源利用率；三是機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，工作環(huán)境舒適；四是不施用農(nóng)藥，產(chǎn)品安全無(wú)污染；五是多層式、立體栽培，節(jié)省土地和能源；六是不受或很少受地理、氣候等自然條件影響；七是與現(xiàn)代生物技術(shù)緊密結(jié)合，可以生產(chǎn)出稀有、價(jià)高、富含營(yíng)養(yǎng)的植物產(chǎn)品。

對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)人口多，耕地少，人均資源相對(duì)不足的農(nóng)業(yè)大國(guó)來(lái)說(shuō)，發(fā)展植物工廠尤有重大意義。“全球人口的快速增長(zhǎng)，可用耕地的不斷減少，如何利用有限的耕地滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)食物的需求已經(jīng)成為全球性難題；隨著城市化的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)潔凈安全農(nóng)產(chǎn)品的需求越來(lái)越迫切；同時(shí)，農(nóng)業(yè)從業(yè)人口老齡化，年輕人不愿務(wù)農(nóng)的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，吸引年輕人務(wù)農(nóng)已經(jīng)成為全球面臨的重大課題。”楊其長(zhǎng)說(shuō)，“植物工廠恰恰提供了解決上述問(wèn)題的可能途徑。”

同時(shí)，作為一項(xiàng)技術(shù)高度密集的產(chǎn)業(yè)，植物工廠集中體現(xiàn)了現(xiàn)代技術(shù)、現(xiàn)代裝備工程與信息技術(shù)的最新科技成果，是目前許多發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)高技術(shù)研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)，也是顯示一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標(biāo)志。在楊其長(zhǎng)看來(lái)，植物工廠顛覆了傳統(tǒng)的農(nóng)作方式，代表了未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，從這一層面說(shuō)，掌握植物工廠核心關(guān)鍵技術(shù)具有戰(zhàn)略意義。“在農(nóng)業(yè)的高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中，我們國(guó)家應(yīng)該掌握關(guān)鍵技術(shù)，才能參與激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。”

突破難點(diǎn)掌握關(guān)鍵技術(shù)

記者了解到，植物工廠的“智能”主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，對(duì)植物的環(huán)境要素和營(yíng)養(yǎng)要素實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)；第二，實(shí)現(xiàn)智能化控制，即根據(jù)不同植物在其不同生長(zhǎng)階段對(duì)環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)要素的特定需求進(jìn)行智能化調(diào)控，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)在任何地點(diǎn)對(duì)植物工廠系統(tǒng)的管控。

然而，植物工廠智能的實(shí)現(xiàn)并非易事。

楊其長(zhǎng)告訴記者，植物在植物工廠的人工環(huán)境下進(jìn)行生長(zhǎng)，核心要素是光環(huán)境，首先要解決的難點(diǎn)就是對(duì)植物光配方的研究，這是植物L(fēng)ED光源創(chuàng)制的核心。同時(shí)，由于植物工廠的能源消耗比較大，因而節(jié)能環(huán)境控制技術(shù)可謂是植物工廠的“生命”，如果能源消耗很大，發(fā)展就受限。此外，智能化管控的實(shí)現(xiàn)也是難點(diǎn)之一。“既然叫‘工廠’，環(huán)境和營(yíng)養(yǎng)要素的檢測(cè)和控制，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)就有區(qū)別。”楊其長(zhǎng)說(shuō)，“需要高技術(shù)的手段，包括信息技術(shù)、智能裝備技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等技術(shù)的集成和應(yīng)用。”

如何突破植物工廠系統(tǒng)能耗大、運(yùn)行成本高等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，大幅度降低人工光源與空調(diào)系統(tǒng)能耗、提升蔬菜品質(zhì)并實(shí)現(xiàn)植物工廠的智能化管控，構(gòu)建“低碳、智能、高效”的植物工廠生產(chǎn)技術(shù)體系，是實(shí)現(xiàn)植物工廠快速普及與推廣的關(guān)鍵。

“發(fā)展中國(guó)植物工廠高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，必須依靠自主研發(fā)實(shí)現(xiàn)在植物光配方及人工光源創(chuàng)制、節(jié)能環(huán)境控制以及智能化管控等核心關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，否則必將受制于人。”楊其長(zhǎng)說(shuō)。

十幾年前開始，楊其長(zhǎng)就把植物工廠作為科研選題重要方向之一，開始了相關(guān)的研究。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期鉆研和探索，楊其長(zhǎng)帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在植物工廠LED節(jié)能光環(huán)境調(diào)控技術(shù)、光—溫耦合節(jié)能環(huán)境控制技術(shù)、UV—納米TiO2營(yíng)養(yǎng)液自毒物質(zhì)協(xié)同消除及蔬菜品質(zhì)提升技術(shù)、基于物聯(lián)網(wǎng)的植物工廠智能化管控技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)上取得了重大突破。

讓植物工廠成為“中國(guó)符號(hào)”

自2003年以來(lái)，課題組歷經(jīng)十多年的創(chuàng)新研發(fā)，先后開發(fā)出普及型植物工廠、大廈型植物工廠、島礁植物工廠、低碳智能家庭植物工廠等多個(gè)系列產(chǎn)品。

“目前我國(guó)有100座左右的植物工廠，發(fā)展速度很快。”楊其長(zhǎng)說(shuō)，“未來(lái)我們國(guó)家一定會(huì)成為植物工廠的大國(guó)。”

植物工廠雖然擁有眾多優(yōu)勢(shì)以及廣泛的社會(huì)需求，但在實(shí)際發(fā)展過(guò)程中也面臨著一些“瓶頸”。

楊其長(zhǎng)告訴記者，植物工廠普及和推廣的核心是工業(yè)產(chǎn)品化，從目前看，植物工廠的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化裝備的研發(fā)方面仍待提高。從研發(fā)力量上來(lái)看，目前參與研究的主要是科研單位、高校和中小企業(yè)，“希望未來(lái)有中國(guó)的大企業(yè)積極參與其中，只有實(shí)現(xiàn)植物工廠標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；a(chǎn)，才能在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中有地位。”楊其長(zhǎng)說(shuō)。從經(jīng)濟(jì)效益上來(lái)看，與露地、大棚相比，植物工廠由于初期建設(shè)成本較高、耗能較大等原因，總體上來(lái)看單位生產(chǎn)成本還是相對(duì)偏高，仍需要進(jìn)一步降低成本。

    對(duì)此，他建議，植物工廠的發(fā)展應(yīng)該上升到國(guó)家戰(zhàn)略，出臺(tái)相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)扶持政策，并予以資金上的支持；同時(shí)，植物工廠產(chǎn)品還需要食品等有關(guān)部門的認(rèn)證、評(píng)價(jià)和檢測(cè)，讓更多的消費(fèi)者了解和認(rèn)識(shí)植物工廠生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品的益處。

他還指出，隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)，未來(lái)植物工廠有望像中國(guó)高鐵等高技術(shù)一樣，實(shí)現(xiàn)技術(shù)裝備的出口。“國(guó)家應(yīng)該及時(shí)出臺(tái)政策，使植物工廠形成產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)能。”楊其長(zhǎng)對(duì)植物工廠未來(lái)的應(yīng)用前景充滿信心，他表示，“未來(lái)植物工廠有可能也是代表中國(guó)的符號(hào)。”

（記者 胡璇子）