一般认为,农业生产离不开土壤。然而,这一状况未来或许会改变。在前不久举办的国家“十二五”科技创新成就展上,一项名为“智能LED植物工厂”的成果受到广泛关注。这项被业界誉为颠覆“土地利用和农作方式”的技术,到底新在哪里?这种培植技术在我国进展又如何?#智农社区# 

借助植物工厂,人类甚至可以在太空、荒漠、戈壁等地域进行作物生产

中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所(以下简称中国农科院环发所)是我国植物工厂的重要阵地,在国家“十二五”科技创新成就展亮相的正是该团队自主研发的成果。中国农科院环发所研究员杨其长表示,目前我国掌握了智能LED植物工厂关键技术,整体水平处于国际前沿。

所谓植物工厂,就是通过设施内的高精度控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统,是由计算机对植物生育过程的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度以及营养液等环境要素进行全天候控制,不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式。

杨其长解释,农业生产就是植物通过光合作用生产碳水化合物的过程。遵循该科学原理,智能LED植物工厂根据不同作物对营养和阳光的需求,对“工厂”内环境要素和营养要素进行实时自动调配,精准供给植物,以确保植物健康生长,这样就实现了不用土、不用阳光,可实现全天候的植物智能化生产,人类甚至可以在太空、荒漠、戈壁等非可耕地里进行作物生产。

与传统农业生产方式不同,植物工厂有七大技术优势:一是作物生产计划性强,可在不受外界环境影响的条件下,实现周年均衡生产;二是单位面积产量高,可大幅提高资源利用效率;三是机械化、自动化程度高,劳动强度低,工作环境舒适;四是不施用农药,产品安全无污染;五是多层式、立体栽培,节省土地和能源;六是不受或很少受地理、气候等自然条件影响;七是与现代生物技术紧密结合,可以生产出稀有、价高、富含营养的植物产品。

“我国人口多,耕地少,人均资源相对不足。同时,人们对洁净安全农产品的需求越来越迫切。这种形势下,当下发展植物工厂非常有必要。”杨其长说。

植物工厂是目前全球农业高技术研究的热点,因其融合了现代生物技术、智能装备与信息技术等新科技,也是彰显一个国家农业高技术水平的重要标志。

杨其长认为,未来植物工厂有望颠覆传统的农作方式,代表了农业发展的方向,掌握植物工厂核心关键技术具有战略意义。

我国从上世纪90年代开始植物工厂研发,目前拥有约100座人工光植物工厂

近年来,植物工厂在东亚、欧美,尤其在日本、韩国、美国、新加坡等国家和地区发展迅速,飞利浦、松下、通用等国际知名企业也纷纷介入植物工厂的技术研发与产业推广,全球植物工厂发展极为活跃。

回顾植物工厂发展历程,从上世纪40年代至今,主要历经早期的试验探索、示范应用和当前的快速发展三个阶段。

20世纪40年代到70年代初为试验探索阶段。该阶段是植物工厂的概念成型与试验探索期,其中两项技术的突破对其发展起到了重要支撑作用,一项是“营养液栽培技术”,另一项为“人工模拟与控制环境技术”,以1949年美国科学家在加州帕萨迪纳建立的第一座人工气候室为标志。其后,日本和苏联相继建成大型人工气候室,进行植物栽培试验。这一时期植物工厂规模较小,仅为几十平方米到几百平方米。应用范围也比较窄,主要局限在实验室和示范农场。光源为高压钠灯,光源与空调能耗大,运行成本较高。

20世纪70年代至90年代末为示范应用阶段,其中以水耕栽培和人工光源技术的突破为重要标志。1973年营养液膜技术的出现,以及随后的深液流栽培技术的发明为植物工厂栽培技术的发展奠定了基础。这一时期,日本植物工厂发展较快,截至上世纪末,日本拥有约20座人工光植物工厂。在这一阶段,人工光源不断改善,高压钠灯逐渐被荧光灯替代,红光LED开始应用,光源的能耗进一步降低;传感器与自动控制技术逐渐引入;示范应用面不断扩大。

21世纪初至今植物工厂快速发展,主要得益于蓝光LED的出现与红蓝LED组合光源的研制成功,以及基于网络的智能控制技术的应用。随着LED的应用,植物工厂人工光源能耗显著降低,栽培层间距进一步缩短,能效比大幅度提升;同时,传感器、智能控制器以及物联网技术的应用为植物工厂智能化管控提供了可能。

在这一时期,各国加快了对植物工厂的研发力度与产业化步伐,日本2009年提出大力发展植物工厂、振兴现代农业计划。韩国自2009年开始,政府支持科研机构与企业共同进行人工光植物工厂的研发,数年时间内就推出了10多个型号的植物工厂产品。美国一方面通过植物工厂的研究希望为空间站和星球探索提供食物保障,另一方面提出了“摩天大楼农业”的构想,希望从空间上突破资源瓶颈,先后出现了芝加哥大厦农场、新泽西州“垂直农场”等设计模式。我国从上世纪90年代开始植物工厂研发工作,2002年成功研发自然光植物工厂,2005年研制出LED植物工厂实验系统,并在2010年上海世博会首次展出家庭LED植物工厂。2013年国家正式将“智能化植物工厂生产技术研究”项目列入“863”计划,由15家科教单位与企业联合进行技术研发。目前,我国拥有不同规模的人工光植物工厂约100座。

2009年,我国建成首例智能型植物工厂,现已推广到20多个省份

看到农民种地的艰辛,儿时杨其长就常想:“种地不用土”该多好!上世纪90年代,杨其长敏锐地意识到,植物工厂是未来的发展方向。他带领研究团队潜心研究,率先提出多个植物的“光配方”,并创制出基于光配方的LED节能光源及其光环境调控技术装备,在业界完成了多个首创性工作——

首次提出“光—温耦合节能环境调控”方法,创制出植物工厂节能环境调控技术装备;率先提出“光—营养调控蔬菜品质”方法,创制出采前短期连续光照提升品质工艺及技术装备;率先提出植物工厂光效、能效以及营养品质提升的智能管控方法,创制出基于物联网的智能化管控系统。

2009年,中国农科院环发所植物工厂的研发团队与北京中环易达设施园艺科技有限公司研发出国内第一例智能型植物工厂。目前,该技术成果已推广到北京、上海、山东等20多个省区市。

我国的植物工厂逐渐走向国际舞台。2012年至2015年我国连续举办4期植物工厂技术国际培训班,20多个国家的学员接受了系统的植物工厂训练。基于光配方的植物LED光源产品推广到美国、日本、欧洲等,植物工厂成套产品已推广到新加坡等。

植物工厂虽然拥有众多优势,但在实际发展过程中也面临着一些“瓶颈”。杨其长说,植物工厂普及和推广的核心是工业产品化,从目前看,植物工厂标准化、模块化装备的研发方面还有待提高。从研发力量上来看,目前参与研究的主要是科研单位、高校和中小企业。

“希望未来有中国的大企业能积极参与其中,只有实现植物工厂标准化、规模化生产,才能在国际竞争中有地位。”杨其长说。从经济效益上来看,与露地、大棚相比,植物工厂由于初期建设成本较高、耗能较大等原因,总体上来看单位生产成本还是相对偏高,未来仍需要进一步降低成本。