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植物工厂颠覆了传统农业种植方式

  没有土壤,没有阳光,这里的蔬菜却格外青翠,产量是露天种植的好几倍。

  营养液是土壤,红蓝相间的LED灯是阳光,没有污染及病虫害。在这里,通过对环境的高精度控制,蔬菜的生长几乎不受自然条件的制约。近日,记者在位于北京市平谷区马坊镇的农众物联植物工厂里看到6层高的栽培架上,种满了生菜、小白菜、冰菜等10余种水培叶菜。

  如今,这种完全颠覆了传统农业种植方式的植物工厂,正在或即将改变我们的餐桌。

  “植物工厂是一种技术高度密集、资源高效利用的农业生产方式,是世界各国保障食物安全的重要发展方向。”作为我国最早研究植物工厂的专家之一、中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员杨其长说。

  然而,由于植物工厂在环境精准可控条件下进行生产,能耗大、运行成本高等问题突出,已经成为其发展的重要瓶颈。在杨其长的带领下,项目组历经12年的潜心研究,在植物工厂光源适配理论与方法、光效与能效提升、营养品质调控以及多因子协同管控技术等方面取得了多项原创性成果。形成了普及型植物工厂、岛礁植物工厂、低碳智能家庭植物工厂等多个系列产品,在北京等20多个省市自治区和部队系统的200多个园区和农业企事业单位推广应用,经济、社会效益显著。在2016年该项目获北京市科学技术奖二等奖。

  衡量一个国家农业高技术水平的重要标志

  “植物工厂是一种通过设施内高精度环境控制实现作物周年连续生产的高效农业生产方式,单位面积产量可达露地生产的40倍以上,因此被世界各国尤其是耕地资源紧缺的国家作为保障食物安全的重要发展方向。”杨其长说。

  我国是一个人均资源极为紧缺的国家,人均耕地仅为世界平均水平的40%,人均水资源仅为世界平均水平的25%,保障食物安全的任务艰巨,大力推动植物工厂高技术产业的发展符合我国长期的战略部署。

  植物工厂的显著特征是技术的高度集成与应用,因此又被认为是衡量一个国家农业高技术水平的重要标志,就像航天工程、磁悬浮、大飞机等技术一样,发达国家不会轻易让其他对手掌握,必须依靠自主研发。

  据了解,日本、荷兰等国从20世纪70年代开始研究,并已在植物工厂系统结构、营养液栽培与环境控制等一些关键技术方面取得了重要进展,但由于存在系统能耗大、运行成本高等突出瓶颈,大规模应用仍受到一定限制。

  “如何突破植物工厂系统能耗大、运行成本高等突出技术瓶颈,大幅度降低人工光源与空调系统能耗、提升蔬菜品质并实现植物工厂的智能化管控,构建‘低碳、智能、高效’的植物工厂生产技术体系,是实现植物工厂快速普及与推广的关键。”杨其长说。

  不靠太阳种蔬菜

  万物生长靠太阳。阳光不仅是植物进行光合作用等基本生理活动的能量源,而且也是花芽分化、开花结果等形态的动力源。但在植物工厂里,蔬菜所需要的光是通过LED灯照射的。

  杨其长告诉记者,当前植物工厂所使用的人工光源主要是荧光灯和发光二极管。LED能够发出植物生长所需要的单色光(如波峰为450nm的蓝光、波峰为660nm的红光等),而且红、蓝光LED组合后,还能形成与植物光合作用与形态建成基本吻合的光谱。

  “与普通荧光灯等相比,LED主要具有节能、环保、寿命长、单色光并可组合、冷光源等优势,被认为是人工光植物工厂的理想光源。”杨其长说,“人工光源通过不同光质组合和光强、光周期调控,可以代替阳光,满足植物工厂里蔬菜等作物的全生育期光合作用需要。”

  除去不依赖阳光外,植物工厂中的蔬菜还有另一个神奇之处,即不需要土壤。这些长势良好的蔬菜均生长在专业定制的栽培模组内,模组下方并无土壤,而是完全依靠营养液。

  据介绍,植物的这一特别“饮食”方式,也就是人们常说的无土栽培技术,它是植物工厂的技术核心之一。这些营养液由专业人员精心调制而成,能及时有效的为植物提供各种养分,能最大限度满足植物不同生长时期的营养要求,也能协调植物生长所需的水、肥、气(氧气)、温等条件,使蔬菜生长快、产量高。

  针对植物工厂营养液栽培系统自毒物质累积、常规方法不易去除的突出问题,项目组发明了将UV(紫外)-纳米TiO2结合处理营养液自毒物质的技术方法;提出并发明了采收前短期连续光照与营养液氮素水平调控相结合的蔬菜品质调控技术。

  “这项技术可降低叶菜硝酸盐含量30%以上,显著提升Vc和可溶性糖含量。”杨其长说。

  然而,并不是所有的蔬菜都可以在植物工厂种植。“就技术条件而言,所有蔬菜均可在植物工厂里种植。”杨其长说,“但由于植物工厂采用立体多层栽培模式,为了充分利用栽培空间,一般都会选择低矮的叶菜(生菜、小油菜、芹菜、菠菜等)、中草药、食用菌、草莓等种植。对于番茄、辣椒茄子、黄瓜等高大的茄果类和瓜果类蔬菜不适合种植,即便栽培也要选用其低矮的品种进行种植。”

  掌握了植物工厂的核心技术

  然而,植物工厂的实现并非易事。在课题研究过程中,杨其长他们遇到的最大挑战是专用LED光源的研发问题。在2005年以前,市场上常见的LED光源的光质与植物光合需求不够吻合,光照强度也弱。

  项目团队通过多方面努力探索,与其他半导体光源科研单位合作,在2005年研发出了植物工厂专用LED光源板,并建设了一个小规模的LED人工光植物工厂实验室,这才加速了人工光植物工厂的研发进度。

  杨其长告诉记者,植物在植物工厂的人工环境下进行生长,核心要素是光环境,首先要解决的难点就是对植物光配方的研究,这是植物LED光源创制的核心。同时,由于植物工厂的能源消耗比较大,因而节能环境控制技术可谓是植物工厂的“生命”,“如果能源消耗很大,发展就受限”。

  此外,智能化管控的实现也是难点之一。“环境和营养要素的检测和控制,与传统农业有很大区别。”杨其长说,“需要高技术的手段,包括信息技术、智能装备技术、互联网技术等技术的集成和应用。”

  如何突破植物工厂系统能耗大、运行成本高等关键技术瓶颈,大幅度降低人工光源与空调系统能耗、提升蔬菜品质并实现植物工厂的智能化管控,构建“低碳、智能、高效”的植物工厂生产技术体系,是实现植物工厂快速普及与推广的关键。

  “发展中国植物工厂高技术产业,必须依靠自主研发实现在植物光配方及人工光源创制、节能环境控制以及智能化管控等核心关键技术上取得突破,否则必将受制于人。”杨其长说。

  经过长期钻研和探索,杨其长带领研究团队率先进行了植物光配方的系统探索,探明了基于LED的植物光配方优化参数,发明了以AIGaInP红光660nm芯片与InGaN蓝光450nm芯片为核心的多光质组合植物LED节能光源;开发出基于植株发育特征的水平与垂直方向可移动式LED动态光环境调控技术,显著降低了光源能耗。

  项目组还研发出植物工厂光效、能效与营养品质提升的环境—营养多因子协同技术,集成创制出3个系列的智能LED植物工厂成套产品。探明了基于光配方、光—温耦合与营养品质提升等多因子协同调控的逻辑控制策略及算法,研制出基于物联网的植物工厂智能化管控技术,实现对植物工厂温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液EC、pH、DO等要素的在线检测、远端访问、程序更新及网络化智能管控。集成创制出3个系列的智能LED植物工厂成套技术产品:规模量产型、可移动型、家庭微型植物工厂。

  已具备大规模推广的条件

  据了解,我国已经是植物工厂产业化发展最快的国家,几年时间即走过了发达国家几十年的发展道路。目前,我国人工光植物工厂总数已达100多座,成为数量仅次于日本的植物工厂发展大国。越来越多的人开始品尝到产自植物工厂的蔬菜。

  在这其中,杨其长团队作出重要贡献。自2003年以来,课题组历经12年的创新研发,先后开发出普及型植物工厂、大厦型植物工厂、岛礁植物工厂、低碳智能家庭植物工厂等多个系列产品,并率先在北京进行示范推广,目前已推广到全国20多个省区及部队的200多家应用单位,实现节约能耗2.8亿度。

  北京作为项目最早的研发与产业化示范基地,项目成果得到了广泛的应用。培育了国内最大的两家植物工厂生产企业——北京中环易达设施园艺科技有限公司、北京京鹏环球科技股份有限公司,这两个公司已经成为植物工厂推广的领军企业。

  “当前人们对优质蔬菜的需求日益上升,对植物工厂水培蔬菜的价格也逐渐接受,加入植物工厂建设和生产运营的企业越来越多,而植物工厂技术和装备也越来越成熟,已具备大规模推广的条件。”杨其长说。


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