給植物工廠“制造”一縷陽光
沒有土壤，沒有陽光，這里的蔬菜卻格外青翠，產(chǎn)量是露天種植的好幾倍。
營養(yǎng)液是土壤，紅藍(lán)相間的LED燈是陽光，沒有污染及病蟲害。在這里，通過對環(huán)境的高精度控制，蔬菜的生長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，是世界各國保障食物安全的重要發(fā)展方向�！弊鳛槲覈钤缪芯恐参锕S的專家之一、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說。
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)行成本高等問題突出，已經(jīng)成為其發(fā)展的重要瓶頸。在楊其長的帶領(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系列產(chǎn)品，在北京等20多個省市自治區(qū)和部隊(duì)系統(tǒng)的200多個園區(qū)和農(nóng)業(yè)企事業(yè)單位推廣應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)、社會效益顯著。在2016年該項(xiàng)目獲北京市科學(xué)技術(shù)獎二等獎。
衡量一個國家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標(biāo)志
“植物工廠是一種通過設(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，因此被世界各國尤其是耕地資源緊缺的國家作為保障食物安全的重要發(fā)展方向�！睏钇溟L說。
我國是一個人均資源極為緊缺的國家，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，大力推動植物工廠高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展符合我國長期的戰(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)為是衡量一個國家農(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)國家不會輕易讓其他對手掌握，必須依靠自主研發(fā)。
據(jù)了解，日本、荷蘭等國從20世紀(jì)70年代開始研究，并已在植物工廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、營養(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�！睏钇溟L說。
不靠太陽種蔬菜
萬物生長靠太陽。陽光不僅是植物進(jìn)行光合作用等基本生理活動的能量源，而且也是花芽分化、開花結(jié)果等形態(tài)的動力源。但在植物工廠里，蔬菜所需要的光是通過LED燈照射的。
楊其長告訴記者，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、單色光并可組合、冷光源等優(yōu)勢，被認(rèn)為是人工光植物工廠的理想光源�！睏钇溟L說，“人工光源通過不同光質(zhì)組合和光強(qiáng)、光周期調(diào)控，可以代替陽光，滿足植物工廠里蔬菜等作物的全生育期光合作用需要�！�
除去不依賴陽光外，植物工廠中的蔬菜還有另一個神奇之處，即不需要土壤。這些長勢良好的蔬菜均生長在專業(yè)定制的栽培模組內(nèi)，模組下方并無土壤，而是完全依靠營養(yǎng)液。
據(jù)介紹，植物的這一特別“飲食”方式，也就是人們常說的無土栽培技術(shù)，它是植物工廠的技術(shù)核心之一。這些營養(yǎng)液由專業(yè)人員精心調(diào)制而成，能及時有效的為植物提供各種養(yǎng)分，能最大限度滿足植物不同生長時期的營養(yǎng)要求，也能協(xié)調(diào)植物生長所需的水、肥、氣(氧氣)、溫等條件，使蔬菜生長快、產(chǎn)量高。
針對植物工廠營養(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題，項(xiàng)目組發(fā)明了將UV(紫外)-納米TiO2結(jié)合處理營養(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說。
然而，并不是所有的蔬菜都可以在植物工廠種植。“就技術(shù)條件而言，所有蔬菜均可在植物工廠里種植�！睏钇溟L說，“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。對于番茄、辣椒茄子、黃瓜等高大的茄果類和瓜果類蔬菜不適合種植，即便栽培也要選用其低矮的品種進(jìn)行種植�！�
掌握了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。在課題研究過程中，楊其長他們遇到的最大挑戰(zhàn)是專用LED光源的研發(fā)問題。在2005年以前，市場上常見的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)出了植物工廠專用LED光源板，并建設(shè)了一個小規(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。
楊其長告訴記者，植物在植物工廠的人工環(huán)境下進(jìn)行生長，核心要素是光環(huán)境，首先要解決的難點(diǎn)就是對植物光配方的研究，這是植物L(fēng)ED光源創(chuàng)制的核心。同時，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)境和營養(yǎng)要素的檢測和控制，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)有很大區(qū)別。”楊其長說，“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�！�
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�！睏钇溟L說。
經(jīng)過長期鉆研和探索，楊其長帶領(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；開發(fā)出基于植株發(fā)育特征的水平與垂直方向可移動式LED動態(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、能效與營養(yǎng)品質(zhì)提升的環(huán)境—營養(yǎng)多因子協(xié)同技術(shù)，集成創(chuàng)制出3個系列的智能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)對植物工廠溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液EC、pH、DO等要素的在線檢測、遠(yuǎn)端訪問、程序更新及網(wǎng)絡(luò)化智能管控。集成創(chuàng)制出3個系列的智能LED植物工廠成套技術(shù)產(chǎn)品：規(guī)模量產(chǎn)型、可移動型、家庭微型植物工廠。
已具備大規(guī)模推廣的條件
據(jù)了解，我國已經(jīng)是植物工廠產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的國家，幾年時間即走過了發(fā)達(dá)國家?guī)资甑陌l(fā)展道路。目前，我國人工光植物工廠總數(shù)已達(dá)100多座，成為數(shù)量僅次于日本的植物工廠發(fā)展大國。越來越多的人開始品嘗到產(chǎn)自植物工廠的蔬菜。
在這其中，楊其長團(tuán)隊(duì)作出重要貢獻(xiàn)。自2003年以來，課題組歷經(jīng)12年的創(chuàng)新研發(fā)，先后開發(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20多個省區(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)前人們對優(yōu)質(zhì)蔬菜的需求日益上升，對植物工廠水培蔬菜的價格也逐漸接受，加入植物工廠建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)營的企業(yè)越來越多，而植物工廠技術(shù)和裝備也越來越成熟，已具備大規(guī)模推廣的條件�！睏钇溟L說。
