給作物定制舒服的“家”

 

　　離開了陽光、雨露、土壤，在鋼筋混凝土搭建起的廠房里，植物可以生長嗎？產(chǎn)量有保證嗎？

 

　　“植物工廠采用了溫濕光的自動補(bǔ)償系統(tǒng)，以互聯(lián)網(wǎng)智能控制，經(jīng)過人工馴化的多種高附加值農(nóng)產(chǎn)品可以在植物工廠實現(xiàn)量產(chǎn)。”中國農(nóng)科院蔬菜花卉研究所研究員賀超興答道。

 

　　循著這個回答，筆者來到北京、西安等地的植物工廠，看一看廠房里的植物，到底是如何生長，又如何走進(jìn)尋常百姓家的，這一新興的生產(chǎn)方式在我國應(yīng)用和推廣的情況如何。

 

　　廠房里，植物是如何生長的

 

　　植物的生長離不開光照、水分、養(yǎng)料、適宜的溫度等。作為植物生長的車間，植物工廠本質(zhì)上是對這些要素的集成控制。

 

　　去年12月下旬，北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心發(fā)布的空氣質(zhì)量指數(shù)顯示，11天里有9天為污染天氣，其中中度以上的嚴(yán)重污染和重度污染就占到了8天。受霧霾天氣影響，昌平區(qū)溫室大棚光照普遍不足，草莓生長發(fā)育受寡照影響，上市時間比原計劃推遲了半個月左右。

 

　　而在植物工廠里種植草莓的莓農(nóng)，完全不用苦苦“等風(fēng)來”。通過光傳感器的光照監(jiān)測，植物工廠的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)光照，在霧霾天氣里依然“艷陽高照”。

 

　　取代“太陽”的光照系統(tǒng)，是不是需要大量耗電呢？

 

　　“光照的確占了植物工廠能耗的相當(dāng)部分，為了節(jié)約這部分能源，我們一直在研究LED植物光效照明技術(shù)。”陜西西安旭田光電植物工廠負(fù)責(zé)人王琦介紹說，通過對光的波長、光質(zhì)比、光合光子通量等的研究，找到適合不同植物品種、不同生長期的最佳照明光譜，可以實現(xiàn)高效利用“每一束光”。

 

　　北京是世界上最缺水的大城市之一，全市人均水資源量為100立方米左右，僅為全國的1/21，世界的1/77，缺水程度甚至低于“沙漠國家”以色列的365立方米。水資源天花板制約下，北京都市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)一直在尋找一條節(jié)水高效之路。

 

　　過了臘八，時至大寒。北京市平谷區(qū)馬坊鎮(zhèn)農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠里，魚腥草、香椿芽、薄荷葉等新鮮蔬菜層層疊高，旺盛地生長著，透著一股子水潤勁兒。

 

　　“這些菜生長在營養(yǎng)液中，除了植物生長正常吸收的損耗外，環(huán)境蒸發(fā)損耗幾乎為零。”該植物工廠負(fù)責(zé)人姚旭介紹說，在密閉環(huán)境下進(jìn)行水肥一體化循環(huán)，相對于大田種植，水資源節(jié)約率可以達(dá)到93%以上。

 

　　農(nóng)民常說，植物生長離不開土地。事實上，植物生長真正離不開的并非土地，而是土壤中的養(yǎng)料。在植物工廠里，農(nóng)作物種植在營養(yǎng)液或者礫石、蛭石、椰糠、秸稈等做成的基質(zhì)材料里。植物生長所需養(yǎng)分由調(diào)配好的營養(yǎng)液補(bǔ)給，食品安全變得更可控，同時還避免了重茬，節(jié)約了土地。

 

　　據(jù)國家發(fā)改委農(nóng)村經(jīng)濟(jì)司巡視員胡恒陽介紹，按目前情況，我國完全實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品消費自給需要30億畝土地，全國播種面積常年在23億畝左右，也就是說，大概有7億畝的土地要靠國外資源支撐。“而植物工廠可以在同樣的土地上產(chǎn)出數(shù)倍農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，值得探索。”胡恒陽說。

 

　　農(nóng)眾物聯(lián)占地不足10畝的植物工廠，共有上下三層，一層栽培高端食用菌，二層種植山野菜，三層則主要種植茄果類蔬菜。滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)下，能年產(chǎn)蔬菌茄果700萬公斤。去年11月，北京市委書記郭金龍、市長王安順到農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠調(diào)研時，對植物工廠在節(jié)水節(jié)能、高效利用土地方面給予充分肯定。

 

　　擺脫了對土地的依賴，植物工廠變得“上天入地、無孔不入”。去年12月，旭田光電利用西安市一處地下人防工程，建起了一座640平米的植物工廠，將原本暗無生機(jī)的地下空間變成了充滿綠色的植物世界。

 

　　降成本，先進(jìn)設(shè)備也需本土化

 

　　作為一種新興的生產(chǎn)方式，植物工廠在荷蘭、日本、美國等發(fā)達(dá)國家被普遍使用。“國外植物工廠發(fā)展相對成熟一些，但是也存在一個問題，就是投入成本太高，不利于推廣。”姚旭介紹說，植物具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，光溫濕等變量只要控制在合適的區(qū)間，就可以保證正常生長。如進(jìn)口溫控制導(dǎo)系統(tǒng)，雖然能調(diào)節(jié)溫度變量在0.01℃，相當(dāng)于太空艙種植的控制程度，但其對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)卻微乎其微，而投入成本比起國內(nèi)本土設(shè)備卻增加了幾十倍。

 

　　在農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠，記者看到，各色各樣的綠色蔬菜一層一層地摞了六七層。“每層的層高不同，植物生長的不同階段需要調(diào)整層高，國外進(jìn)口設(shè)備可以自動調(diào)整層高，我們自主研發(fā)的設(shè)備則是半自動調(diào)整。”從自動到半自動，并非本土設(shè)備技術(shù)水平的不足，而是更了解市場的選擇。

 

　　多數(shù)食用菌的生產(chǎn)在秋冬季節(jié)，因為食用菌正常生長環(huán)境通常溫度較低、濕度較大，因此在周年化生產(chǎn)過程中，大部分食用菌生產(chǎn)須降溫通風(fēng)，所需能耗成為運營過程中主體成本之一。

 

　　農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠在設(shè)計上采用依托食用菌、綠葉菜、茄果類蔬菜等所需條件的有效循環(huán)：使用食用菌吸收氧氣釋放二氧化碳并使室內(nèi)溫濕度增加的條件，協(xié)調(diào)互補(bǔ)綠葉菜、茄果類蔬菜的自然生長；再由綠葉菜、茄果類蔬菜吸收二氧化碳并降低室內(nèi)溫濕度，協(xié)調(diào)食用菌的正常生長。另外，利用食用菌在不同過程中所代謝的無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)對蔬菜生長進(jìn)行補(bǔ)充，用蔬菜生長過程中淘汰的部分有機(jī)物質(zhì)對食用菌生產(chǎn)進(jìn)行補(bǔ)充，大幅度降低運營過程中的能耗、物料消耗，使植物工廠進(jìn)入一種綜合態(tài)、互補(bǔ)式生產(chǎn)模式中。
 

　　種種看，把植物工廠帶回家

 

　　近一兩年，越來越多的人走進(jìn)植物工廠，參觀、休閑，或者買些新鮮蔬菜。“啥時候這些植物工廠也能走進(jìn)我們家里啊？”今年1月5日，在北京海淀公園農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠社區(qū)科普巡展上，一位市民問道。

 

　　要推進(jìn)植物工廠的民用化，首先要讓民眾認(rèn)識它。從去年12月下旬開始，農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠開始了一輪密集的科普推廣活動。12月22日到31日，農(nóng)眾物聯(lián)走進(jìn)海淀區(qū)政府陽光大廳，參與“植物工廠中國芯”——都市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)科普展；今年1月5日到11日，又在海淀公園進(jìn)行了社區(qū)科普巡展，老百姓可以親自動手體驗蔬菜種植。在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)附屬實驗小學(xué)，由農(nóng)眾物聯(lián)承建，率先打造了植物工廠實驗室，把現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)的種植理念和技術(shù)帶到了小學(xué)生身邊。

 

　　與農(nóng)眾物聯(lián)的線下科普活動不同，旭田光電植物工廠負(fù)責(zé)人王琦則將更多的精力放在了線上。每天，由王琦組建的微信群里，很多植物工廠的擁躉和“王琦菜”的粉絲們頻繁互動。

 

　　認(rèn)識、了解植物工廠畢竟只是第一步，大型的植物工廠，對老百姓而言只可“遠(yuǎn)觀”，無法親身種植。為此，旭田光電研發(fā)了集裝箱型植物生長箱和透明生長柜，不僅適合餐飲商超、居民社區(qū)陽臺和地下室，而且能解決邊防哨所、雷達(dá)站、遠(yuǎn)洋艦船、油田甚至沙漠等地的吃菜難問題。如今，在古城西安的不少餐飲場所，食客們已經(jīng)可以在酒店大堂的微型植物工廠里點菜了。

 

　　即將于今年4月在北京舉辦的第三屆全國都市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)現(xiàn)場交流會上，植物工廠也將作為重點觀摩對象被推介給廣大市民。值得一提的是，本屆現(xiàn)場會的參觀點選擇上，農(nóng)業(yè)部提出要“體現(xiàn)科技創(chuàng)新、體現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化、體現(xiàn)農(nóng)業(yè)品牌發(fā)展戰(zhàn)略”。顯然，植物工廠可以集中地體現(xiàn)這些。

 

　　從大棚到植物工廠

 

　　太陽提供光和熱，土壤提供水和養(yǎng)分，空氣中有氧氣和二氧化碳，這就是植物生長所需要的全部自然環(huán)境條件。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人為也可以設(shè)計出這樣的環(huán)境條件。從而實現(xiàn)不靠太陽、不靠土，同樣可以種蔬菜。從溫室大棚實現(xiàn)控溫，到植物工廠可以實現(xiàn)控溫、光、水、養(yǎng)、氣需要過程。

 

　　大棚在我國也僅有幾十年的歷史。起初，冬天的蔬菜就是白菜、蘿卜，為了滿足人們冬日菜品的多樣性，農(nóng)民們開始建設(shè)大棚，一開始就是用塑料薄膜罩在土坑上，這樣就可以起到保溫的效果，實現(xiàn)冬天也能長蔬菜。

 

　　隨著人們對食物種類多樣性要求的增加，科學(xué)技術(shù)也在突飛猛進(jìn)地進(jìn)步，種植設(shè)施也在升級換代。從最簡易的薄膜覆蓋，發(fā)展到小拱棚和大拱棚，之后大棚也有了厚厚的墻，被稱為暖棚，再發(fā)展就出現(xiàn)了形形色色的玻璃溫室、球形溫室等等。這就像我們?nèi)祟惖木幼…h(huán)境，從洞穴居住、到土房、到磚瓦房再到樓房一直在進(jìn)步。

 

　　外部設(shè)備進(jìn)步的同時，內(nèi)部的環(huán)境控制條件也在不斷地發(fā)生變化。薄膜透光還保溫，用各式各樣的栽培基質(zhì)就可以實現(xiàn)不用土壤，可以通過特定的發(fā)生裝置增加二氧化碳濃度給植物補(bǔ)充碳營養(yǎng)，可以用智能化控制設(shè)備按植物所需提供營養(yǎng)，采用LED燈等補(bǔ)光設(shè)備應(yīng)對霧霾等低光照天氣，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)智能化的控制。

 

　　植物工廠就是把這些內(nèi)外部的先進(jìn)技術(shù)集合起來，為植物提供最適宜的生長環(huán)境。然而，現(xiàn)在還不能實現(xiàn)完全脫離自然環(huán)境，植物工廠與自然環(huán)境最大的不同是，需要通過把電能轉(zhuǎn)化為光能、熱能等，而電能是需要由燃煤、水流等提供的熱能或動能轉(zhuǎn)化而來的，這些都是大自然的能量。如何在實現(xiàn)人工智能控制環(huán)境的基礎(chǔ)上，降低能耗，真正實現(xiàn)植物工廠的綠色節(jié)能，仍是重要的研究方向。

 

　　專家聲音

 

　　植物工廠是農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的集中體現(xiàn)之一，相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式有很多優(yōu)點，一是少受外界氣候影響，生產(chǎn)能力比較穩(wěn)定；二是土地和空間資源的利用效率較高；三是生產(chǎn)自動化程度高，產(chǎn)量也比較高；四是可以有效避免重金屬等污染。

　　——中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所研究員楊其長

 

　　植物工廠采用了溫濕光的自動化補(bǔ)償，互聯(lián)網(wǎng)的智能化控制，有效降低成本，提高了效率，特別是中國本土化的山野菜和食用菌實現(xiàn)了生產(chǎn)，效益也是比較好的，在設(shè)施農(nóng)業(yè)方面找出了一條新路。

　　——中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所研究員賀超興

 

　　植物工廠是完全可控的生產(chǎn)方式，自動化程度高，意味著生產(chǎn)效率也高。因為狹義的植物工廠主要靠人工光，我們最大的能耗來自光源，如何有效利用光源，是我們面臨的最大挑戰(zhàn)。

 

　　我國植物工廠的發(fā)展起步相對較晚，與國際上相比還有差距。我國植物工廠規(guī)模小，單品規(guī)模小，處于示范型、展示型階段的比較多。

　　——農(nóng)業(yè)照明技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長劉文科
 

 

　　天氣寒冷會影響蔬菜生產(chǎn)，讓市民可挑選的蔬菜越來越少，怎樣解決氣候原因?qū)е率卟藴p少的問題呢？近日筆者走訪了江西省科學(xué)院生物資源研究所，該所工作人員告訴筆者，LED光源蔬菜可以解決這一難題。

 

　　LED光源蔬菜是以新型節(jié)能環(huán)保的LED燈為人工光源，探索LED蔬菜的人工環(huán)境控制和配套栽培技術(shù)，實現(xiàn)LED蔬菜的自動化生產(chǎn)，最終建立智能數(shù)字的LED蔬菜工廠。

 

　　江西省科學(xué)院生物資源研究所采用水培和基質(zhì)培兩種方式，開展LED光源對蔬菜工廠生產(chǎn)栽培影響的研究，結(jié)果表明：紅光促進(jìn)植物高生長，藍(lán)光促進(jìn)植物莖的增粗生長，紅：藍(lán)為8：1條件下，生菜和白菜生長快速，少量紫外光（UV-B）的加入可促進(jìn)蔬菜維生素C的積累。

 

　　江西省科學(xué)院院長王曉鴻告訴記者：“研究表明，水培條件下蔬菜生長快速，而水培的一大問題是亞硝酸鹽含量容易超標(biāo)。我們將LED光源水培蔬菜經(jīng)江西省分析測試中心測定，表明蔬菜的亞硝酸鹽含量在正常偏低水平，纖維含量低，維生素含量高，保證了蔬菜的品質(zhì)和口感。”

 

　　目前，LED光源蔬菜工廠已經(jīng)基本建立，可以對光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度進(jìn)行控制，同時生產(chǎn)出的蔬菜經(jīng)品質(zhì)和口感檢測安全、潔凈、口感好，不受惡劣氣候影響。

 

　　案例二 無塵室農(nóng)場：無菌蔬菜做成1周沙拉

 

　　日本神奈川縣的許多便利店最近多了一些新產(chǎn)品，那就是冷藏柜里的1周沙拉。與往常的方形盒裝沙拉不一樣，1周沙拉被裝在圓形塑料杯包裝中，杯子的頂部是一個圓形穹頂，下方是一個支撐著這片“天空”的大大的立體數(shù)字，醒目標(biāo)注了不同生產(chǎn)日期沙拉的食用期限。在包裝之下是沒打過農(nóng)藥也不用洗、采下來就能吃的無菌蔬菜，名符其實，它可以冷藏保鮮一周。

 

　　這些蔬菜可不是在菜農(nóng)的田地里采摘的，而是來自電子巨頭東芝在一家經(jīng)改造的工廠——橫須賀東芝無塵室農(nóng)場里生產(chǎn)的最新產(chǎn)品。近年來，日本電子界吹起了一股新風(fēng)，不僅東芝，富士通、松下、夏普等巨頭也紛紛將閑置的工廠改裝為高科技溫室大棚，種植無菌蔬菜，電子工程師也隨之搖身一變，成為新時代“農(nóng)夫”。

 

　　橫須賀東芝無塵室農(nóng)場位于神奈川縣橫須賀市，由原來的軟盤工廠內(nèi)的四層建筑改建而成，占地面積近1969平方米。培育的綠葉蔬菜有散葉生菜、玻璃生菜、直立生菜、瑞士甜菜、雪菜、菠菜、芝麻菜等。

 

　　從播種到栽培，植物工廠的工人會根據(jù)菜苗的成長階段，細(xì)心地為每株菜苗更換栽培棚。在播種階段，工人會將種子種在小盒子的海綿上，然后放在托盤的孔中。而在栽培階段，隨著植物的生長，小盒子會被換到孔間隔更大的托盤上。與其他植物工廠采用的連托盤一起更換栽培棚的方法相比，這種方式更麻煩，但根據(jù)植物大小而改變栽培密度并更換到高度不同的栽培棚的方式可以更有效地利用空間。