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未來農業種植的新方式-植物(wù)工(gōng)廠

作者：河南(nán)銘築溫室    來源：技術部    發布時間：2022-01-14 10:55:38    浏覽量：
給植物(wù)“制造”一(yī)縷陽光


沒有土壤，沒有陽光，這裏的蔬菜卻格外(wài)青翠，産量是露天種植的好幾倍。

營養液是土壤，紅藍(lán)相間的LED燈是陽光，沒有污染及病蟲害。在這裏，通過對環境的高精度控制，蔬菜的生(shēng)長幾乎不受自然條件的制約。近日，記者在位于北(běi)京市平谷區馬坊鎮的農衆物(wù)聯植物(wù)工(gōng)廠裏看到6層高的栽培架上，種滿了生(shēng)菜、小(xiǎo)白(bái)菜、冰菜等10餘種水培葉菜。

如今，這種完全颠覆了傳統農業種植方式的植物(wù)工(gōng)廠，正在或即将改變我(wǒ)(wǒ)們的餐桌。

“植物(wù)工(gōng)廠是一(yī)種技術高度密集、資(zī)源高效利用的農業生(shēng)産方式，是世界各國保障食物(wù)安全的重要發展方向。”作爲我(wǒ)(wǒ)國最早研究植物(wù)工(gōng)廠的專家之一(yī)、中(zhōng)國農業科學院農業環境與可持續發展研究所研究員(yuán)楊其長說。

然而，由于植物(wù)工(gōng)廠在環境精準可控條件下(xià)進行生(shēng)産，能耗大(dà)、運行成本高等問題突出，已經成爲其發展的重要瓶頸。在楊其長的帶領下(xià)，項目組曆經12年的潛心研究，在植物(wù)工(gōng)廠光源适配理論與方法、光效與能效提升、營養品質調控以及多因子協同管控技術等方面取得了多項原創性成果。形成了普及型植物(wù)工(gōng)廠、島礁植物(wù)工(gōng)廠、低碳智能家庭植物(wù)工(gōng)廠等多個系列産品，在北(běi)京等20多個省市自治區和部隊系統的200多個園區和農業企事業單位推廣應用，經濟、社會效益顯著。在2016年該項目獲北(běi)京市科學技術獎二等獎。
衡量一(yī)個國家農業高科技水平的重要标志(zhì)


“植物(wù)工(gōng)廠是一(yī)種通過設施内高精度環境控制實現作物(wù)周年連續生(shēng)産的高效農業生(shēng)産方式，單位面積産量可達露地生(shēng)産的40倍以上，因此被世界各國尤其是耕地資(zī)源緊缺的國家作爲保障食物(wù)安全的重要發展方向。”楊其長說。

我(wǒ)(wǒ)國是一(yī)個人均資(zī)源極爲緊缺的國家，人均耕地僅爲世界平均水平的40%，人均水資(zī)源僅爲世界平均水平的25%，保障食物(wù)安全的任務艱巨，大(dà)力推動植物(wù)工(gōng)廠高技術産業的發展符合我(wǒ)(wǒ)國長期的戰略部署。

植物(wù)工(gōng)廠的顯著特征是技術的高度集成與應用，因此又(yòu)被認爲是衡量一(yī)個國家農業高技術水平的重要标志(zhì)，就像航天工(gōng)程、磁懸浮、大(dà)飛機等技術一(yī)樣，發達國家不會輕易讓其他對手掌握，必須依靠自主研發。

據了解，日本、荷蘭等國從20世紀70年代開(kāi)始研究，并已在植物(wù)工(gōng)廠系統結構、營養液栽培與環境控制等一(yī)些關鍵技術方面取得了重要進展，但由于存在系統能耗大(dà)、運行成本高等突出瓶頸，大(dà)規模應用仍受到一(yī)定限制。

“如何突破植物(wù)工(gōng)廠系統能耗大(dà)、運行成本高等突出技術瓶頸，大(dà)幅度降低人工(gōng)光源與空調系統能耗、提升蔬菜品質并實現植物(wù)工(gōng)廠的智能化管控，構建‘低碳、智能、高效’的植物(wù)工(gōng)廠生(shēng)産技術體(tǐ)系，是實現植物(wù)工(gōng)廠快速普及與推廣的關鍵。”楊其長說。
不靠太陽種蔬菜

萬物(wù)生(shēng)長靠太陽。陽光不僅是植物(wù)進行光合作用等基本生(shēng)理活動的能量源，而且也是花芽分(fēn)化、開(kāi)花結果等形态的動力源。但在植物(wù)工(gōng)廠裏，蔬菜所需要的光是通過LED燈照射的。

楊其長告訴記者，當前植物(wù)工(gōng)廠所使用的人工(gōng)光源主要是熒光燈和發光二極管。LED能夠發出植物(wù)生(shēng)長所需要的單色光（如波峰爲450nm的藍(lán)光、波峰爲660nm的紅光等），而且紅、藍(lán)光LED組合後，還能形成與植物(wù)光合作用與形态建成基本吻合的光譜。

“與普通熒光燈等相比，LED主要具有節能、環保、壽命長、單色光并可組合、冷光源等優勢，被認爲是人工(gōng)光植物(wù)工(gōng)廠的理想光源。”楊其長說，“人工(gōng)光源通過不同光質組合和光強、光周期調控，可以代替陽光，滿足植物(wù)工(gōng)廠裏蔬菜等作物(wù)的全生(shēng)育期光合作用需要。”

除去(qù)不依賴陽光外(wài)，植物(wù)工(gōng)廠中(zhōng)的蔬菜還有另一(yī)個神奇之處，即不需要土壤。這些長勢良好的蔬菜均生(shēng)長在專業定制的栽培模組内，模組下(xià)方并無土壤，而是完全依靠營養液。

據介紹，植物(wù)的這一(yī)特别“飲食”方式，也就是人們常說的無土栽培技術，它是植物(wù)工(gōng)廠的技術核心之一(yī)。這些營養液由專業人員(yuán)精心調制而成，能及時有效的爲植物(wù)提供各種養分(fēn)，能最大(dà)限度滿足植物(wù)不同生(shēng)長時期的營養要求，也能協調植物(wù)生(shēng)長所需的水、肥、氣（氧氣）、溫等條件，使蔬菜生(shēng)長快、産量高。

針對植物(wù)工(gōng)廠營養液栽培系統自毒物(wù)質累積、常規方法不易去(qù)除的突出問題，項目組發明了将UV（紫外(wài)）-納米TiO2結合處理營養液自毒物(wù)質的技術方法；提出并發明了采收前短期連續光照與營養液氮素水平調控相結合的蔬菜品質調控技術。

“這項技術可降低葉菜硝酸鹽含量30%以上，顯著提升Vc和可溶性糖含量。”楊其長說。

然而，并不是所有的蔬菜都可以在植物(wù)工(gōng)廠種植。“就技術條件而言，所有蔬菜均可在植物(wù)工(gōng)廠裏種植。”楊其長說，“但由于植物(wù)工(gōng)廠采用立體(tǐ)多層栽培模式，爲了充分(fēn)利用栽培空間，一(yī)般都會選擇低矮的葉菜（生(shēng)菜、小(xiǎo)油菜、芹菜、菠菜等）、中(zhōng)草藥、食用菌、草莓等種植。對于番茄、辣椒茄子、黃瓜等高大(dà)的茄果類和瓜果類蔬菜不适合種植，即便栽培也要選用其低矮的品種進行種植。”
 
植物(wù)工(gōng)廠的核心技術

然而，植物(wù)工(gōng)廠的實現并非易事。在課題研究過程中(zhōng)，楊其長他們遇到的最大(dà)挑戰是專用LED光源的研發問題。在2005年以前，市場上常見的LED光源的光質與植物(wù)光合需求不夠吻合，光照強度也弱。

項目團隊通過多方面努力探索，與其他半導體(tǐ)光源科研單位合作，在2005年研發出了植物(wù)工(gōng)廠專用LED光源闆，并建設了一(yī)個小(xiǎo)規模的LED人工(gōng)光植物(wù)工(gōng)廠實驗室，這才加速了人工(gōng)光植物(wù)工(gōng)廠的研發進度。

楊其長告訴記者，植物(wù)在植物(wù)工(gōng)廠的人工(gōng)環境下(xià)進行生(shēng)長，核心要素是光環境，首先要解決的難點就是對植物(wù)光配方的研究，這是植物(wù)LED光源創制的核心。同時，由于植物(wù)工(gōng)廠的能源消耗比較大(dà)，因而節能環境控制技術可謂是植物(wù)工(gōng)廠的“生(shēng)命”，“如果能源消耗很大(dà)，發展就受限”。

此外(wài)，智能化管控的實現也是難點之一(yī)。“環境和營養要素的檢測和控制，與傳統農業有很大(dà)區别。”楊其長說，“需要高技術的手段，包括信息技術、智能裝備技術、互聯網技術等技術的集成和應用。”

如何突破植物(wù)工(gōng)廠系統能耗大(dà)、運行成本高等關鍵技術瓶頸，大(dà)幅度降低人工(gōng)光源與空調系統能耗、提升蔬菜品質并實現植物(wù)工(gōng)廠的智能化管控，構建“低碳、智能、高效”的植物(wù)工(gōng)廠生(shēng)産技術體(tǐ)系，是實現植物(wù)工(gōng)廠快速普及與推廣的關鍵。

“發展中(zhōng)國植物(wù)工(gōng)廠高技術産業，必須依靠自主研發實現在植物(wù)光配方及人工(gōng)光源創制、節能環境控制以及智能化管控等核心關鍵技術上取得突破，否則必将受制于人。”楊其長說。

經過長期鑽研和探索，楊其長帶領研究團隊率先進行了植物(wù)光配方的系統探索，探明了基于LED的植物(wù)光配方優化參數，發明了以AIGaInP紅光660nm芯片與InGaN藍(lán)光450nm芯片爲核心的多光質組合植物(wù)LED節能光源；開(kāi)發出基于植株發育特征的水平與垂直方向可移動式LED動态光環境調控技術，顯著降低了光源能耗。

項目組還研發出植物(wù)工(gōng)廠光效、能效與營養品質提升的環境—營養多因子協同技術，集成創制出3個系列的智能LED植物(wù)工(gōng)廠成套産品。探明了基于光配方、光—溫耦合與營養品質提升等多因子協同調控的邏輯控制策略及算法，研制出基于物(wù)聯網的植物(wù)工(gōng)廠智能化管控技術，實現對植物(wù)工(gōng)廠溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養液EC、pH、DO等要素的在線檢測、遠端訪問、程序更新及網絡化智能管控。集成創制出3個系列的智能LED植物(wù)工(gōng)廠成套技術産品：規模量産型、可移動型、家庭微型植物(wù)工(gōng)廠。
已具備大(dà)規模推廣條件

據了解，我(wǒ)(wǒ)國已經是植物(wù)工(gōng)廠産業化發展最快的國家，幾年時間即走過了發達國家幾十年的發展道路。目前，我(wǒ)(wǒ)國人工(gōng)光植物(wù)工(gōng)廠總數已達100多座，成爲數量僅次于日本的植物(wù)工(gōng)廠發展大(dà)國。越來越多的人開(kāi)始品嘗到産自植物(wù)工(gōng)廠的蔬菜。

在這其中(zhōng)，楊其長團隊作出重要貢獻。自2003年以來，課題組曆經12年的創新研發，先後開(kāi)發出普及型植物(wù)工(gōng)廠、大(dà)廈型植物(wù)工(gōng)廠、島礁植物(wù)工(gōng)廠、低碳智能家庭植物(wù)工(gōng)廠等多個系列産品，并率先在北(běi)京進行示範推廣，目前已推廣到全國20多個省區及部隊的200多家應用單位，實現節約能耗2.8億度。

北(běi)京作爲項目最早的研發與産業化示範基地，項目成果得到了廣泛的應用。培育了國内最大(dà)的兩家植物(wù)工(gōng)廠生(shēng)産企業——北(běi)京中(zhōng)環易達設施園藝科技有限公司、北(běi)京京鵬環球科技股份有限公司，這兩個公司已經成爲植物(wù)工(gōng)廠推廣的領軍企業。

“當前人們對優質蔬菜的需求日益上升，對植物(wù)工(gōng)廠水培蔬菜的價格也逐漸接受，加入植物(wù)工(gōng)廠建設和生(shēng)産運營的企業越來越多，而植物(wù)工(gōng)廠技術和裝備也越來越成熟，已具備大(dà)規模推廣的條件。”楊其長說。

 

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