一般認(rèn)為，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開土壤。然而，這一狀況未來或許會改變。在之前舉辦的國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展上，一項(xiàng)名為“智能LED植物工廠”的成果受到廣泛關(guān)注。這項(xiàng)被業(yè)界譽(yù)為顛覆“土地利用和農(nóng)作方式”的技術(shù)，到底新在哪里?這種培植技術(shù)在我國進(jìn)展又如何?
借助植物工廠，人類甚至可以在太空、荒漠、戈壁等地域進(jìn)行作物生產(chǎn)
中國農(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(以下簡稱中國農(nóng)科院環(huán)發(fā)所)是我國植物工廠的重要陣地，在國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展亮相的正是該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的成果。中國農(nóng)科院環(huán)發(fā)所研究員楊其長表示，目前我國掌握了智能led植物工廠關(guān)鍵技術(shù)，整體水平處于國際前沿。
所謂植物工廠，就是通過設(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)對植物生育過程的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度以及營養(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。
楊其長解釋，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)就是植物通過光合作用生產(chǎn)碳水化合物的過程。遵循該科學(xué)原理，智能led植物工廠根據(jù)不同作物對營養(yǎng)和陽光的需求，對“工廠”內(nèi)環(huán)境要素和營養(yǎng)要素進(jìn)行實(shí)時(shí)自動調(diào)配，精準(zhǔn)供給植物，以確保植物健康生長，這樣就實(shí)現(xiàn)了不用土、不用陽光，可實(shí)現(xiàn)全天候的植物智能化生產(chǎn)，人類甚至可以在太空、荒漠、戈壁等非可耕地里進(jìn)行作物生產(chǎn)。
與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式不同，植物工廠有七大技術(shù)優(yōu)勢：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效率;三是機(jī)械化、自動化程度高，勞動強(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、富含營養(yǎng)的植物產(chǎn)品。
“我國人口多，耕地少，人均資源相對不足。同時(shí)，人們對潔凈安全農(nóng)產(chǎn)品的需求越來越迫切。這種形勢下，當(dāng)下發(fā)展植物工廠非常有必要?！睏钇溟L說。
植物工廠是目前全球農(nóng)業(yè)高技術(shù)研究的熱點(diǎn)，因其融合了現(xiàn)代生物技術(shù)、智能裝備與信息技術(shù)等新科技，也是彰顯一個(gè)國家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標(biāo)志。
楊其長認(rèn)為，未來植物工廠有望顛覆傳統(tǒng)的農(nóng)作方式，代表了農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，掌握植物工廠核心關(guān)鍵技術(shù)具有戰(zhàn)略意義。
我國從上世紀(jì)90年代開始植物工廠研發(fā)，目前擁有約100座人工光植物工廠
近年來，植物工廠在東亞、歐美，尤其在日本、韓國、美國、新加坡等國家和地區(qū)發(fā)展迅速，飛利浦、松下、通用等國際知名企業(yè)也紛紛介入植物工廠的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)推廣，全球植物工廠發(fā)展極為活躍。
回顧植物工廠發(fā)展歷程，從上世紀(jì)40年代至今，主要?dú)v經(jīng)早期的試驗(yàn)探索、示范應(yīng)用和當(dāng)前的快速發(fā)展三個(gè)階段。
20世紀(jì)40年代到70年代初為試驗(yàn)探索階段。該階段是植物工廠的概念成型與試驗(yàn)探索期，其中兩項(xiàng)技術(shù)的突破對其發(fā)展起到了重要支撐作用，一項(xiàng)是“營養(yǎng)液栽培技術(shù)”，另一項(xiàng)為“人工模擬與控制環(huán)境技術(shù)”，以1949年美國科學(xué)家在加州帕薩迪納建立的第一座人工氣候室為標(biāo)志。其后，日本和蘇聯(lián)相繼建成大型人工氣候室，進(jìn)行植物栽培試驗(yàn)。這一時(shí)期植物工廠規(guī)模較小，僅為幾十平方米到幾百平方米。應(yīng)用范圍也比較窄，主要局限在實(shí)驗(yàn)室和示范農(nóng)場。光源為高壓鈉燈，光源與空調(diào)能耗大，運(yùn)行成本較高。
20世紀(jì)70年代至90年代末為示范應(yīng)用階段，其中以水耕栽培和人工光源技術(shù)的突破為重要標(biāo)志。1973年?duì)I養(yǎng)液膜技術(shù)的出現(xiàn)，以及隨后的深液流栽培技術(shù)的發(fā)明為植物工廠栽培技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這一時(shí)期，日本植物工廠發(fā)展較快，截至上世紀(jì)末，日本擁有約20座人工光植物工廠。在這一階段，人工光源不斷改善，高壓鈉燈逐漸被熒光燈替代，紅光led開始應(yīng)用，光源的能耗進(jìn)一步降低;傳感器與自動控制技術(shù)逐漸引入;示范應(yīng)用面不斷擴(kuò)大。
21世紀(jì)初至今植物工廠快速發(fā)展，主要得益于藍(lán)光led的出現(xiàn)與紅藍(lán)led組合光源的研制成功，以及基于網(wǎng)絡(luò)的智能控制技術(shù)的應(yīng)用。隨著led的應(yīng)用，植物工廠人工光源能耗顯著降低，栽培層間距進(jìn)一步縮短，能效比大幅度提升;同時(shí)，傳感器、智能控制器以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用為植物工廠智能化管控提供了可能。
在這一時(shí)期，各國加快了對植物工廠的研發(fā)力度與產(chǎn)業(yè)化步伐，日本2009年提出大力發(fā)展植物工廠、振興現(xiàn)代農(nóng)業(yè)計(jì)劃。韓國自2009年開始，政府支持科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)共同進(jìn)行人工光植物工廠的研發(fā)，數(shù)年時(shí)間內(nèi)就推出了10多個(gè)型號的植物工廠產(chǎn)品。美國一方面通過植物工廠的研究希望為空間站和星球探索提供食物保障，另一方面提出了“摩天大樓農(nóng)業(yè)”的構(gòu)想，希望從空間上突破資源瓶頸，先后出現(xiàn)了芝加哥大廈農(nóng)場、新澤西州“垂直農(nóng)場”等設(shè)計(jì)模式。我國從上世紀(jì)90年代開始植物工廠研發(fā)工作，2002年成功研發(fā)自然光植物工廠，2005年研制出led植物工廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在2010年上海世博會首次展出家庭led植物工廠。2013年國家正式將“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究”項(xiàng)目列入“863”計(jì)劃，由15家科教單位與企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。目前，我國擁有不同規(guī)模的人工光植物工廠約100座。
2009年，我國建成首例智能型植物工廠，現(xiàn)已推廣到20多個(gè)省份
看到農(nóng)民種地的艱辛，兒時(shí)楊其長就常想：“種地不用土”該多好!上世紀(jì)90年代，楊其長敏銳地意識到，植物工廠是未來的發(fā)展方向。他帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)潛心研究，率先提出多個(gè)植物的“光配方”，并創(chuàng)制出基于光配方的led節(jié)能光源及其光環(huán)境調(diào)控技術(shù)裝備，在業(yè)界完成了多個(gè)首創(chuàng)性工作——
首次提出“光—溫耦合節(jié)能環(huán)境調(diào)控”方法，創(chuàng)制出植物工廠節(jié)能環(huán)境調(diào)控技術(shù)裝備;率先提出“光—營養(yǎng)調(diào)控蔬菜品質(zhì)”方法，創(chuàng)制出采前短期連續(xù)光照提升品質(zhì)工藝及技術(shù)裝備;率先提出植物工廠光效、能效以及營養(yǎng)品質(zhì)提升的智能管控方法，創(chuàng)制出基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化管控系統(tǒng)。
2009年，中國農(nóng)科院環(huán)發(fā)所植物工廠的研發(fā)團(tuán)隊(duì)與北京中環(huán)易達(dá)設(shè)施園藝科技有限公司研發(fā)出國內(nèi)第一例智能型植物工廠。目前，該技術(shù)成果已推廣到北京、上海、山東等20多個(gè)省區(qū)市。
我國的植物工廠逐漸走向國際舞臺。2012年至2015年我國連續(xù)舉辦4期植物工廠技術(shù)國際培訓(xùn)班，20多個(gè)國家的學(xué)員接受了系統(tǒng)的植物工廠訓(xùn)練。基于光配方的植物L(fēng)ED光源產(chǎn)品推廣到美國、日本、歐洲等，植物工廠成套產(chǎn)品已推廣到新加坡等。
植物工廠雖然擁有眾多優(yōu)勢，但在實(shí)際發(fā)展過程中也面臨著一些“瓶頸”。楊其長說，植物工廠普及和推廣的核心是工業(yè)產(chǎn)品化，從目前看，植物工廠標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化裝備的研發(fā)方面還有待提高。從研發(fā)力量上來看，目前參與研究的主要是科研單位、高校和中小企業(yè)。
“希望未來有中國的大企業(yè)能積極參與其中，只有實(shí)現(xiàn)植物工廠標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；a(chǎn)，才能在國際競爭中有地位?！睏钇溟L說。從經(jīng)濟(jì)效益上來看，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，總體上來看單位生產(chǎn)成本還是相對偏高，未來仍需要進(jìn)一步降低成本。
