給植物“制造”一縷陽(yáng)光

沒(méi)有土壤，沒(méi)有陽(yáng)光，這里的蔬菜卻格外青翠，產(chǎn)量是露天種植的好幾倍。

營(yíng)養(yǎng)液是土壤，紅藍(lán)相間的LED燈是陽(yáng)光，沒(méi)有污染及病蟲(chóng)害。在這里，通過(guò)對(duì)環(huán)境的高精度控制，蔬菜的生長(zhǎng)幾乎不受自然條件的制約。近日，記者在位于北京市平谷區(qū)馬坊鎮(zhèn)的農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠里看到6層高的栽培架上，種滿(mǎn)了生菜、小白菜、冰菜等10余種水培葉菜。

如今，這種完全顛覆了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植方式的植物工廠，正在或即將改變我們的餐桌。

“植物工廠是一種技術(shù)高度密集、資源高效利用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，是世界各國(guó)保障食物安全的重要發(fā)展方向。”作為我國(guó)最早研究植物工廠的專(zhuān)家之一、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)說(shuō)。

然而，由于植物工廠在環(huán)境精準(zhǔn)可控條件下進(jìn)行生產(chǎn)，能耗大、運(yùn)行成本高等問(wèn)題突出，已經(jīng)成為其發(fā)展的重要瓶頸。在楊其長(zhǎng)的帶領(lǐng)下，項(xiàng)目組歷經(jīng)12年的潛心研究，在植物工廠光源適配理論與方法、光效與能效提升、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)調(diào)控以及多因子協(xié)同管控技術(shù)等方面取得了多項(xiàng)原創(chuàng)性成果。形成了普及型植物工廠、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，在北京等20多個(gè)省市自治區(qū)和部隊(duì)系統(tǒng)的200多個(gè)園區(qū)和農(nóng)業(yè)企事業(yè)單位推廣應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。在2016年該項(xiàng)目獲北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

衡量一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)高科技水平的重要標(biāo)志

“植物工廠是一種通過(guò)設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，單位面積產(chǎn)量可達(dá)露地生產(chǎn)的40倍以上，因此被世界各國(guó)尤其是耕地資源緊缺的國(guó)家作為保障食物安全的重要發(fā)展方向。”楊其長(zhǎng)說(shuō)。

我國(guó)是一個(gè)人均資源極為緊缺的國(guó)家，人均耕地僅為世界平均水平的40%，人均水資源僅為世界平均水平的25%，保障食物安全的任務(wù)艱巨，大力推動(dòng)植物工廠高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展符合我國(guó)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略部署。

植物工廠的顯著特征是技術(shù)的高度集成與應(yīng)用，因此又被認(rèn)為是衡量一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標(biāo)志，就像航天工程、磁懸浮、大飛機(jī)等技術(shù)一樣，發(fā)達(dá)國(guó)家不會(huì)輕易讓其他對(duì)手掌握，必須依靠自主研發(fā)。

據(jù)了解，日本、荷蘭等國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究，并已在植物工廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)液栽培與環(huán)境控制等一些關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展，但由于存在系統(tǒng)能耗大、運(yùn)行成本高等突出瓶頸，大規(guī)模應(yīng)用仍受到一定限制。

“如何突破植物工廠系統(tǒng)能耗大、運(yùn)行成本高等突出技術(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。”楊其長(zhǎng)說(shuō)。

不靠太陽(yáng)種蔬菜

萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)。陽(yáng)光不僅是植物進(jìn)行光合作用等基本生理活動(dòng)的能量源，而且也是花芽分化、開(kāi)花結(jié)果等形態(tài)的動(dòng)力源。但在植物工廠里，蔬菜所需要的光是通過(guò)LED燈照射的。

楊其長(zhǎng)告訴記者，當(dāng)前植物工廠所使用的人工光源主要是熒光燈和發(fā)光二極管。LED能夠發(fā)出植物生長(zhǎng)所需要的單色光（如波峰為450nm的藍(lán)光、波峰為660nm的紅光等），而且紅、藍(lán)光LED組合后，還能形成與植物光合作用與形態(tài)建成基本吻合的光譜。

“與普通熒光燈等相比，LED主要具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、單色光并可組合、冷光源等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是人工光植物工廠的理想光源?！睏钇溟L(zhǎng)說(shuō)，“人工光源通過(guò)不同光質(zhì)組合和光強(qiáng)、光周期調(diào)控，可以代替陽(yáng)光，滿(mǎn)足植物工廠里蔬菜等作物的全生育期光合作用需要?！?/p>

除去不依賴(lài)陽(yáng)光外，植物工廠中的蔬菜還有另一個(gè)神奇之處，即不需要土壤。這些長(zhǎng)勢(shì)良好的蔬菜均生長(zhǎng)在專(zhuān)業(yè)定制的栽培模組內(nèi)，模組下方并無(wú)土壤，而是完全依靠營(yíng)養(yǎng)液。

據(jù)介紹，植物的這一特別“飲食”方式，也就是人們常說(shuō)的無(wú)土栽培技術(shù)，它是植物工廠的技術(shù)核心之一。這些營(yíng)養(yǎng)液由專(zhuān)業(yè)人員精心調(diào)制而成，能及時(shí)有效的為植物提供各種養(yǎng)分，能最大限度滿(mǎn)足植物不同生長(zhǎng)時(shí)期的營(yíng)養(yǎng)要求，也能協(xié)調(diào)植物生長(zhǎng)所需的水、肥、氣（氧氣）、溫等條件，使蔬菜生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高。

針對(duì)植物工廠營(yíng)養(yǎng)液栽培系統(tǒng)自毒物質(zhì)累積、常規(guī)方法不易去除的突出問(wèn)題，項(xiàng)目組發(fā)明了將UV（紫外）-納米TiO2結(jié)合處理營(yíng)養(yǎng)液自毒物質(zhì)的技術(shù)方法；提出并發(fā)明了采收前短期連續(xù)光照與營(yíng)養(yǎng)液氮素水平調(diào)控相結(jié)合的蔬菜品質(zhì)調(diào)控技術(shù)。

“這項(xiàng)技術(shù)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?！睏钇溟L(zhǎng)說(shuō)。

然而，并不是所有的蔬菜都可以在植物工廠種植?！熬图夹g(shù)條件而言，所有蔬菜均可在植物工廠里種植。”楊其長(zhǎng)說(shuō)，“但由于植物工廠采用立體多層栽培模式，為了充分利用栽培空間，一般都會(huì)選擇低矮的葉菜（生菜、小油菜、芹菜、菠菜等）、中草藥、食用菌、草莓等種植。對(duì)于番茄、辣椒茄子、黃瓜等高大的茄果類(lèi)和瓜果類(lèi)蔬菜不適合種植，即便栽培也要選用其低矮的品種進(jìn)行種植。”

植物工廠的核心技術(shù)

然而，植物工廠的實(shí)現(xiàn)并非易事。在課題研究過(guò)程中，楊其長(zhǎng)他們遇到的最大挑戰(zhàn)是專(zhuān)用LED光源的研發(fā)問(wèn)題。在2005年以前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的LED光源的光質(zhì)與植物光合需求不夠吻合，光照強(qiáng)度也弱。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)多方面努力探索，與其他半導(dǎo)體光源科研單位合作，在2005年研發(fā)出了植物工廠專(zhuān)用LED光源板，并建設(shè)了一個(gè)小規(guī)模的LED人工光植物工廠實(shí)驗(yàn)室，這才加速了人工光植物工廠的研發(fā)進(jìn)度。

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?！碍h(huán)境和營(yíng)養(yǎng)要素的檢測(cè)和控制，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)有很大區(qū)別?！睏钇溟L(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)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等技術(shù)的集成和應(yīng)用?！?/p>

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)。

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)率先進(jìn)行了植物光配方的系統(tǒng)探索，探明了基于LED的植物光配方優(yōu)化參數(shù)，發(fā)明了以AIGaInP紅光660nm芯片與InGaN藍(lán)光450nm芯片為核心的多光質(zhì)組合植物L(fēng)ED節(jié)能光源；開(kāi)發(fā)出基于植株發(fā)育特征的水平與垂直方向可移動(dòng)式LED動(dòng)態(tài)光環(huán)境調(diào)控技術(shù)，顯著降低了光源能耗。

項(xiàng)目組還研發(fā)出植物工廠光效、能效與營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)提升的環(huán)境—營(yíng)養(yǎng)多因子協(xié)同技術(shù)，集成創(chuàng)制出3個(gè)系列的智能LED植物工廠成套產(chǎn)品。探明了基于光配方、光—溫耦合與營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)提升等多因子協(xié)同調(diào)控的邏輯控制策略及算法，研制出基于物聯(lián)網(wǎng)的植物工廠智能化管控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營(yíng)養(yǎng)液EC、pH、DO等要素的在線檢測(cè)、遠(yuǎn)端訪問(wèn)、程序更新及網(wǎng)絡(luò)化智能管控。集成創(chuàng)制出3個(gè)系列的智能LED植物工廠成套技術(shù)產(chǎn)品：規(guī)模量產(chǎn)型、可移動(dòng)型、家庭微型植物工廠。

已具備大規(guī)模推廣條件

據(jù)了解，我國(guó)已經(jīng)是植物工廠產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的國(guó)家，幾年時(shí)間即走過(guò)了發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)资甑陌l(fā)展道路。目前，我國(guó)人工光植物工廠總數(shù)已達(dá)100多座，成為數(shù)量?jī)H次于日本的植物工廠發(fā)展大國(guó)。越來(lái)越多的人開(kāi)始品嘗到產(chǎn)自植物工廠的蔬菜。

在這其中，楊其長(zhǎng)團(tuán)隊(duì)作出重要貢獻(xiàn)。自2003年以來(lái)，課題組歷經(jīng)12年的創(chuàng)新研發(fā)，先后開(kāi)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，并率先在北京進(jìn)行示范推廣，目前已推廣到全國(guó)20多個(gè)省區(qū)及部隊(duì)的200多家應(yīng)用單位，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能耗2.8億度。

北京作為項(xiàng)目最早的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化示范基地，項(xiàng)目成果得到了廣泛的應(yīng)用。培育了國(guó)內(nèi)最大的兩家植物工廠生產(chǎn)企業(yè)——北京中環(huán)易達(dá)設(shè)施園藝科技有限公司、北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，這兩個(gè)公司已經(jīng)成為植物工廠推廣的領(lǐng)軍企業(yè)。

“當(dāng)前人們對(duì)優(yōu)質(zhì)蔬菜的需求日益上升，對(duì)植物工廠水培蔬菜的價(jià)格也逐漸接受，加入植物工廠建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的企業(yè)越來(lái)越多，而植物工廠技術(shù)和裝備也越來(lái)越成熟，已具備大規(guī)模推廣的條件?！睏钇溟L(zhǎng)說(shuō)。