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为植物量身打造生长环境

智能植物工厂让“菜篮子”更丰稔

2022-11-17 09:26:45 中国食品报

  自然灾害和极端天气不断影响着全球粮食生产,未来如何才能保障全世界人的吃饭问题?植物工厂的出现,为人们开辟了一条值得期待的解决路径。近日,中国农业科学院都市农业研究所研究员、智能植物工厂首席科学家杨其长在介绍植物工厂的现状及未来时表示,作为设施农业的高级阶段,植物工厂不仅能为保障居民“菜篮子”提供有效补充,也可以成为农民致富和产业振兴的重要抓手。

对传统农作方式的一种颠覆

  所谓植物工厂,就是无需泥土,不洒农药,不受自然环境影响,通过模拟植物所需的光照、温度、营养等要素,在完全工厂化的条件下生产植物。植物工厂被认为是对传统农作方式的一种颠覆,代表了未来农业的发展方向。植物工厂需要3个核心要素,杨其长介绍道,一是用人工光源代替阳光,用营养液代替土壤;二是需要可控的温度、湿度、二氧化碳等环境;三是需要一些智能装备。“有了这3个核心要素,就可以在工厂化的条件下进行实物生产。”

  一棵生菜在植物工厂的环境下是如何生产出来的?杨其长说,先把种子播种在一个带孔的穴盘上,通过两三天的催芽,种子变成了小芽苗,再送到育苗车间里进行育苗。经过12—14天,育出小苗后,把小苗种植在栽培盘上,送进栽培车间。再经过20—22天的培育,等生菜长到100—120克时,就可以进行采收、包装,最后送到市场上。

  由于建设成本、运行成本较高,所以植物工厂栽培的作物品种主要是一些附加值较高的矮秆作物,如叶菜、果菜、果树以及食用花卉、药用植物。一些季节性很强的植物,如草莓和蓝莓,在植物工厂的环境下可以做到一年四季都能生产。

  “总而言之,作为设施农业的高级阶段,植物工厂不仅能为保障居民‘菜篮子’提供有效补充,也可以成为农民致富和产业振兴的重要抓手。”杨其长说。

产能较露地种植提高40倍

  与露地种植相比,植物工厂单位面积的产量可以达到露地种植的40倍以上。杨其长解释称,一是露地栽培植物就像是在一个平房里,植物工厂的生产则像在楼房里。露地是一层,植物工厂可以达到10层以上,这样栽培的产能就能达到10倍以上。二是露地栽种植物生育周期较长,比如叶菜类作物需要70天左右,而在植物工厂的环境下只需要34天,周期缩短了一半。三是露地栽种只有一季到两季,而植物工厂一年四季都可以生产,所以植物工厂的产能又增加了一倍以上。另外,从资源的利用效率来看,植物工厂对水资源和肥料的利用率都很高,与露地栽培相比,节水和节肥分别达到90%。

  “未来,植物工厂可以建在戈壁、沙漠、海岛、盐碱地上,也可以建在城市的摩天大楼、地下室里,还有一些特殊场所,比如高原哨所、外太空的空间站,甚至月球和火星上,都可以通过植物工厂生产植物。”杨其长说。

  “如今,人们都非常关心农产品的质量,而植物工厂因为是在非常洁净的环境下进行生产的,空气和水都经过净化处理,植物基本上没有虫害,也没有重金属的污染,所以生产出来的蔬菜是安全、洁净、无污染的,甚至可以免洗直接食用。”杨其长说,“由于我们在植物工厂的收获过程中采取了一些措施,生产的蔬菜保质期可以达到一个星期,而且,蔬菜的口感非常好,水分较多,还有点甜。”

  植物工厂在未来是非常必要的。杨其长表示,一方面,它可以大幅度提高食物的产能,解决未来人口、资源以及农业劳动力短缺造成的一些重大难题。另一方面,它能为人们提供高品质的农产品,并在沙漠、戈壁、极寒地区等特殊场所以及外太空的探索中,提供食物供给的解决方案。

为植物定制专属“光配方”

  不同的植物需要不同的光源,植物的各个发育阶段对光源的需求也不相同。以生菜为例,育苗阶段需要更多的蓝光使幼苗健壮,后期则需要更多红光加速植物生长。科学家们要针对植物不同的偏好,找到专属于它们的“光配方”。合适的“光配方”不仅能够大幅度提升植物的产量、质量,还能调控植物,让蔬菜更营养美味,让鲜花更鲜艳,让果实更香甜、更富营养,从而提高经济效益。

  我国植物工厂发展虽然起步较晚,但跨过了高压钠灯和荧光灯时代,直接进入了led灯时代。杨其长介绍,led灯有很多优势,比如其发出的是单色光,效率更高,而且可以组合成植物需要的光谱,还比较节能。在植物工厂的整个成本中,有52%来自电能消耗,而电能消耗中有60%来自光源、35%来自空调,所以,要解决植物工厂的关键技术瓶颈,首先要解决光源的能耗问题,也就是说要找到高效的光源。

  “但是,要把led灯用在植物工厂里,还有很多路要探索。首先,要确定需要用哪些光谱进行组合,哪种光谱是某种菜所需要的,光谱的配比又是多少。”杨其长说,从植物光谱的吸收曲线中可以看出,植物的主要吸收峰值在400—500纳米的蓝光区域和600—700纳米的红光区域,最优的两个峰值分别是450纳米和660纳米。“有了这个依据后,我们就进行了led光源的开发。经过无数次试验,终于建立起了一个理论体系,也就是‘光配方’的概念。”

  除了为不同的植物定制专属的“光配方”外,光源的照射方向,远红光、紫外光等对植物生长有何影响等,也都需要仔细研究。行业中有句话叫作“顺境创产量,逆境创品质”,也就是说,在良好的环境下,植物会长得更快、产量更高,而逆境能提升植物的品质。“比如,近紫外光对作物有一定的伤害,但我们用了一点近紫外光照射植物后,植物的品质得到了大幅度提升。”杨其长说。

降低系统能耗实现低碳发展

  目前,我国的植物工厂总数已经超过220座,成为数量仅次于日本的植物工厂大国。杨其长指出,虽然植物工厂拥有众多优势和广泛的社会需求,但仍面临一些挑战。其中,系统能耗较大导致运行成本过高,是植物工厂发展亟待突破的瓶颈。未来,大幅度降低人工光源和空调系统的能耗,并实现植物工厂的智能化管控,构建智能、低碳、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。

  “目前,通过我们的不懈努力,已经把综合能耗由原来的每公斤菜消耗31—42度电降到8.25度电。现在国际上的普遍水平是每公斤菜消耗10度电以上。从理论上说,我们还可以继续降低能耗,达到每公斤菜消耗4—5度电,这是我们未来追求的目标。”杨其长说,“另外,我们正在尝试采用激光,把激光从一条线变成一个面,然后再扩散。激光的耗能只有led的1/3—1/5,所以激光被认为是未来很有潜力的一个光源。”

  植物工厂技术的突破,还为很多产业提供了契机。比如,目前我国的植物光源产业占世界总份额的百分之八九十。“去年,我们出口了约4.5亿美元的光源灯,未来的市场规模还会更大。”杨其长说。

  植物工厂还将在城市发展中起到一定的作用。比如,在北京建一栋30层楼的垂直植物工厂,1年产菜的总量约为1.08万吨,可以供应周围4万居民1年食用的蔬菜量。“这是非常可观的。”杨其长说,一方面,蔬菜的运输环节大大压缩,不用到山东寿光等蔬菜生产集散地去长途运输,居民就近就可以购买新鲜的蔬菜。另一方面,城市里一些退休不久、有劳动能力的老人可以到垂直工厂来参加劳动,既锻炼身体,又有一定的收入。

  “总之,植物工厂正在改变人们的生活,它可以保障国家的食物安全,让城市居民的生活更加丰富多彩,同时还可以发展新兴产业。可以说,植物工厂的未来前景是非常广阔的。”杨其长说。

  (周岩 综合整理)

《中国食品报》(2022年11月17日02版)

  (责编:周 岩

 

 

 

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