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溢網(wǎng)科技集團(tuán)

標(biāo)題: 未來(lái)植物工廠將如何改變我們的生活 [打印本頁(yè)]

作者: 溢網(wǎng)發(fā)布 時(shí)間: 2023-3-17 14:14
標(biāo)題: 未來(lái)植物工廠將如何改變我們的生活

(, 下載次數(shù): 1041)

　　自然災(zāi)害和極端天氣不斷影響著全球糧食生產(chǎn)，未來(lái)如何才能保障全世界人的吃飯問(wèn)題？植物工廠的出現(xiàn)，為我們開(kāi)辟了一條值得期待的解決路徑。
　　植物工廠是什么樣子的？目前我國(guó)的植物工廠發(fā)展得怎么樣？近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所研究員、智能植物工廠首席科學(xué)家楊其長(zhǎng)在央視財(cái)經(jīng)頻道《中國(guó)經(jīng)濟(jì)大講堂》節(jié)目中，為大家詳細(xì)介紹了植物工廠的現(xiàn)狀及未來(lái)。

『什么是植物工廠』
　　中國(guó)幾千年農(nóng)耕文明延續(xù)至今，我們的食物都是依賴陽(yáng)光、土壤生產(chǎn)出來(lái)的。也就是說(shuō)，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是靠天吃飯的，一旦遇到澇災(zāi)、旱災(zāi)等自然災(zāi)害，這種生產(chǎn)方式就難以保障很多人的吃飯問(wèn)題。那么，有沒(méi)有一種方式能夠穩(wěn)定持續(xù)地生產(chǎn)糧食呢？這就是我們今天要講的植物工廠。
　　所謂植物工廠，就是無(wú)需泥土，不灑農(nóng)藥，不受自然環(huán)境影響，通過(guò)模擬植物所需的光照、溫度、營(yíng)養(yǎng)等要素，在完全工廠化的條件下生產(chǎn)植物。植物工廠被認(rèn)為是對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)作方式的一種顛覆，代表了未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。
　　植物工廠需要三個(gè)核心要素：第一，用人工光源代替陽(yáng)光，用營(yíng)養(yǎng)液代替土壤；第二，需要可控的溫度、濕度、二氧化碳等環(huán)境；第三，需要一些智能裝備。有了這三個(gè)核心要素，就可以在工廠化的條件下進(jìn)行食物生產(chǎn)。
　　一棵生菜在植物工廠的環(huán)境下是怎么生產(chǎn)出來(lái)的？先把種子播種在一個(gè)帶孔的穴盤(pán)上，通過(guò)兩三天的催芽，種子變成了小芽苗，再送到育苗車間里進(jìn)行育苗。經(jīng)過(guò)12—14天時(shí)間，育出小苗后，把小苗種植在栽培盤(pán)上，送進(jìn)栽培車間。再經(jīng)過(guò)20—22天時(shí)間的培育，等生菜長(zhǎng)到100—120克重量時(shí)，就可以進(jìn)行采收、包裝，最后送到市場(chǎng)上。
　　由于建設(shè)成本、運(yùn)行成本較高，所以植物工廠栽培的作物品種主要是一些附加值較高的矮稈作物，比如葉菜、果菜、果樹(shù)以及食用花卉、藥用植物。一些季節(jié)性很強(qiáng)的植物，像草莓和藍(lán)莓，在植物工廠的環(huán)境下可以做到一年四季都能生產(chǎn)。
總而言之，作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的高級(jí)階段，植物工廠不僅能為保障居民菜籃子提供有效補(bǔ)充，也可以成為農(nóng)民致富和產(chǎn)業(yè)振興的重要抓手。

『產(chǎn)能提高40倍以上』
　　21世紀(jì)以來(lái)，人類面臨著各種挑戰(zhàn)。第一，人口不斷增長(zhǎng)。據(jù)預(yù)測(cè)，至2050年，全球人口將達(dá)到95億，與此相應(yīng)，食物的增長(zhǎng)速度必須達(dá)到70%以上。第二，耕地不斷減少。據(jù)fao（聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織）統(tǒng)計(jì)，全世界每年減少耕地500—700萬(wàn)公頃。第三，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的人口老齡化非常嚴(yán)重。
　　這些變化對(duì)全世界的食物安全提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。而植物工廠的出現(xiàn)，也許是解決這些問(wèn)題的有效途徑。
　　與露地種植相比，植物工廠單位面積的產(chǎn)量可以達(dá)到露地種植的40倍以上。為什么植物工廠的產(chǎn)能能夠提高40倍以上呢？第一，露地栽培植物就像是在一個(gè)平房里，植物工廠的生產(chǎn)則像在樓房里。露地是一層，植物工廠可以達(dá)到10層以上，這樣栽培的產(chǎn)能就能達(dá)到10倍以上。第二，露地栽種植物生育周期較長(zhǎng)，比如葉菜類作物需要70天左右，而在植物工廠的環(huán)境下只需要34天，周期縮短了一半。第三，植物工廠一年四季都可以生產(chǎn)，露地栽種只有一季到兩季，所以植物工廠的產(chǎn)能又增加了一倍以上。
　　另外，從資源的利用效率來(lái)看，植物工廠對(duì)水資源和肥料的利用率都很高，與露地栽培相比，節(jié)水和節(jié)肥分別達(dá)到90%。
　　未來(lái)，植物工廠可以建在戈壁、沙漠、海島、鹽堿地上，也可以建在城市的摩天大樓、地下室里，還有一些特殊場(chǎng)所，比如高原哨所、外太空的空間站，甚至月球和火星上，都可以通過(guò)植物工廠生產(chǎn)植物。
　　現(xiàn)在大家都非常關(guān)心農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，植物工廠因?yàn)槭窃诜浅崈舻沫h(huán)境下進(jìn)行生產(chǎn)的，連空氣和水都經(jīng)過(guò)凈化處理，植物基本上沒(méi)有蟲(chóng)害，也沒(méi)有重金屬的污染，所以生產(chǎn)出來(lái)的蔬菜是安全、潔凈、無(wú)污染的，可以免洗直接食用。由于我們?cè)谥参锕S的收獲過(guò)程中采取了一些措施，因此生產(chǎn)的蔬菜保質(zhì)期可以達(dá)到一個(gè)星期。而且，蔬菜的口感非常好，水分較多，還有點(diǎn)甜。
　　總而言之，植物工廠在未來(lái)是非常必要的。一方面，它可以大幅度提高食物的產(chǎn)能，解決未來(lái)人口、資源以及農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力短缺造成的一些重大難題。另一方面，它能為我們提供高品質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品，并在沙漠、戈壁、極寒地區(qū)等特殊場(chǎng)所以及外太空的探索中，提供食物供給的解決方案。

『三種形式的植物工廠』
　　我們先來(lái)看看目前國(guó)內(nèi)有哪些特別的植物工廠，它們生產(chǎn)的作物有何特別之處。
　　我國(guó)的酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心位于巴丹吉林沙漠深處，冬季氣溫達(dá)到零下43℃，夏天達(dá)到零上42℃，地表溫度最高可達(dá)80℃。為了更好地保障神州系列飛行任務(wù)航天員乘組的日?；锸常迫l(wèi)星發(fā)射中心于2021年建成了一座占地面積達(dá)782平方米的人工光型蔬菜工廠，航天員在太空出差前食用的果蔬都出自這里。
　　西北邊防哨所地處常年風(fēng)沙肆虐的荒漠戈壁。為了讓邊防官兵吃上新鮮的蔬菜，這些地方建起了集裝箱式的植物工廠，它們不僅提高了邊防戰(zhàn)士的生活水平，也為官兵的戍守生活平添了很多樂(lè)趣。
　　植物工廠早期的栽培作物主要以蔬菜、花卉、瓜果等功能植物為主。中國(guó)農(nóng)科院的錢(qián)前院士有一些特別矮化的水稻品種，他希望利用這些水稻品種進(jìn)行多層的立體栽培。經(jīng)過(guò)我們的探索后，卻意外得到了一個(gè)收獲，即大大縮短了水稻的生長(zhǎng)周期。原來(lái)，育種科學(xué)家每年都要到海南進(jìn)行植物加代，一年也只能加代一到兩次，但是植物工廠縮短了水稻的生長(zhǎng)周期后，育種科學(xué)家就能在一年內(nèi)給水稻加代5次到6次，也就是說(shuō)比原來(lái)的效率提高3倍以上。這樣，植物工廠未來(lái)就可以為水稻、小麥、玉米、大豆等作物的生長(zhǎng)按下快進(jìn)鍵，為育種加代和高效生產(chǎn)提供重要支撐。
　　目前，植物工廠主要有三種形式：第一種叫作規(guī)模生產(chǎn)型植物工廠。工廠的大小一般為幾百平方米到幾萬(wàn)平方米不等，可以進(jìn)行規(guī)?；氖卟松a(chǎn)。第二種叫作移動(dòng)型植物工廠，集裝箱大小，主要用在一些特殊的場(chǎng)所，比如島礁、高原哨所、船艦以及一些城市空間等。
　　第三種是家庭微型植物工廠。這些家庭微型植物裝置，小的像臺(tái)燈，大的像冰箱，適合在小空間里使用。家庭成員可以一起參與和體驗(yàn)種植，孩子可以每天觀察植物的生長(zhǎng)狀況，非常有趣。一般來(lái)說(shuō)，植物20天左右就可以收獲，能基本滿足居民對(duì)新鮮蔬菜的需求。如果家里有兩臺(tái)裝置種植韭菜的話，冬季每個(gè)星期吃上兩次韭菜餃子是沒(méi)有問(wèn)題的。

『為植物定制“光配方”』
　　萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，在缺少自然光的室內(nèi)環(huán)境中種植植物，照明系統(tǒng)成了保障植物生長(zhǎng)的核心裝備。
　　不同的植物需要不同的光源，植物的各個(gè)發(fā)育階段對(duì)光源的需求也不相同。以生菜為例，育苗階段需要更多的藍(lán)光使幼苗健壯，后期則需要更多紅光加速植物生長(zhǎng)?？茖W(xué)家們要針對(duì)植物不同的偏好，找到專屬于它們的“光配方”。合適的“光配方”不僅能夠大幅度提升植物的產(chǎn)量、質(zhì)量，還能調(diào)控植物，讓蔬菜更營(yíng)養(yǎng)美味，讓鮮花更鮮艷，讓果實(shí)更香甜、更富營(yíng)養(yǎng)，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。
　　早在20世紀(jì)50年代，歐美的一些發(fā)達(dá)國(guó)家就已經(jīng)出現(xiàn)植物工廠。當(dāng)時(shí)的光源主要采用高壓鈉燈。但是由于高壓鈉燈的能耗較高，運(yùn)行成本也較高，這些國(guó)家探索了一段時(shí)間后就停止了。到20世紀(jì)90年代后期，日本開(kāi)始探索用熒光燈作為植物工廠的光源，但缺點(diǎn)同樣是能耗較高。此外，熒光燈、高壓鈉燈的光效比較低。高壓鈉燈的光效只有30%，也就是說(shuō)，有70%的光是無(wú)效的。熒光燈的光效約為55%。如果用高壓鈉燈或熒光燈生產(chǎn)蔬菜，1公斤的葉菜要消耗31—42度電，能耗是很大的。
　　中國(guó)植物工廠的發(fā)展起步較晚，大約從2002年開(kāi)始探索，至今不到20年時(shí)間。非常幸運(yùn)的是，我們跨過(guò)了高壓鈉燈和熒光燈時(shí)代，直接進(jìn)入了led時(shí)代。led燈有很多優(yōu)勢(shì)：第一，它發(fā)的是單色光，效率更高，而高壓鈉燈、白熾燈、熒光燈等都是多光譜的光源。第二，它可以組合成植物需要的光譜。第三，它比較節(jié)能。
　　要知道，在植物工廠的整個(gè)成本中，有52%來(lái)自電能消耗，而電能消耗中有60%來(lái)自光源，35%來(lái)自空調(diào)。所以，要解決植物工廠的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，首先要解決光源的能耗問(wèn)題，也就是說(shuō)要找到高效的光源。
但是，要把led燈用在植物工廠里，還有很多路要探索。首先，要確定我們需要用哪些光譜進(jìn)行組合，哪種光譜是某種菜所需要的，光譜的配比又是多少。
　　很多年前，有一位植物生理學(xué)家畫(huà)了一條曲線，叫植物光譜的吸收曲線。從曲線中可以看出，植物的主要吸收峰值在400—500納米的藍(lán)光區(qū)域和600—700納米的紅光區(qū)域，最優(yōu)的兩個(gè)峰值分別是450納米和660納米。有了這個(gè)依據(jù)后，我們就進(jìn)行了led光源的開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次試驗(yàn)，我們終于建立起了一個(gè)理論體系，也就是“光配方”的概念。
　　除了為不同的植物定制專屬的“光配方”外，光源的照射方向，遠(yuǎn)紅光、紫外光等對(duì)植物生長(zhǎng)有何影響等等，也都需要我們仔細(xì)研究。我們行業(yè)中有句話叫作“順境創(chuàng)產(chǎn)量，逆境創(chuàng)品質(zhì)”，也就是說(shuō)，在良好的環(huán)境下植物會(huì)長(zhǎng)得更快、產(chǎn)量更高，而逆境能提升植物的品質(zhì)。比如，近紫外光對(duì)作物有一定的傷害，但我們用了一點(diǎn)近紫外光照射植物后，植物的品質(zhì)得到了大幅度提升。

『未來(lái)前景非常廣闊』
　　目前，我國(guó)的植物工廠總數(shù)已經(jīng)超過(guò)220座，成為數(shù)量?jī)H次于日本的植物工廠大國(guó)。
　　雖然植物工廠擁有眾多優(yōu)勢(shì)和廣泛的社會(huì)需求，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。其中，系統(tǒng)能耗較大導(dǎo)致運(yùn)行成本過(guò)高，是植物工廠發(fā)展亟待突破的瓶頸。以我們?cè)诒本┑囊患抑参锕S為例，這個(gè)商業(yè)化的植物工廠擁有2400平方米的面積，目前生產(chǎn)的蔬菜在北京一些知名餐館和超市有售。總體測(cè)算下來(lái)，一公斤蔬菜的成本為24元左右。
　　未來(lái)，大幅度降低人工光源和空調(diào)系統(tǒng)的能耗，并實(shí)現(xiàn)植物工廠的智能化管控，構(gòu)建智能、低碳、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。目前，通過(guò)我們的不懈努力，已經(jīng)把綜合能耗由原來(lái)的每公斤菜消耗31—42度電降到8.25度電?，F(xiàn)在國(guó)際上的普遍水平是每公斤菜消耗10度電以上。從理論上說(shuō)，我們還可以繼續(xù)降低能耗，達(dá)到每公斤菜消耗4—5度電，這是我們未來(lái)追求的目標(biāo)。
　　另外，我們正在嘗試采用激光，把激光從一條線變成一個(gè)面，然后再擴(kuò)散。激光的耗能只有l(wèi)ed的1/3—1/5，所以激光被認(rèn)為是未來(lái)很有潛力的一個(gè)光源。
　　植物工廠技術(shù)的突破，還為很多產(chǎn)業(yè)提供了契機(jī)。比如，目前我國(guó)的植物光源產(chǎn)業(yè)占世界總份額的百分之八九十。2021年，我們出口了約4.5億美元的光源燈，未來(lái)的市場(chǎng)規(guī)模還會(huì)更大。
　　植物工廠還將在城市發(fā)展中起到一定的作用。假想一下，未來(lái)我們?cè)诒本┙ㄒ粭?0層樓的垂直植物工廠，一年產(chǎn)菜的總量約為1.08萬(wàn)噸，可以供應(yīng)周圍4萬(wàn)居民一年食用的蔬菜，這是非?？捎^的。一方面，蔬菜的運(yùn)輸環(huán)節(jié)大大壓縮，不用到山東壽光等蔬菜生產(chǎn)集散地去長(zhǎng)途運(yùn)輸，居民就近就可以購(gòu)買(mǎi)新鮮的蔬菜。另一方面，城市里一些退休不久、有勞動(dòng)能力的老人可以到垂直工廠來(lái)參加勞動(dòng)，既鍛煉身體，又有一定的收獲。
　　總之，植物工廠正在改變我們的生活，它可以保障國(guó)家的食物安全，讓城市居民的生活更加豐富多彩，同時(shí)還可以發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)?？梢哉f(shuō)，植物工廠的未來(lái)前景是非常廣闊的。

欄目主編：龔丹韻
文字編輯：徐蓓
本文作者：楊其長(zhǎng)
題圖來(lái)源：新華社資料圖
圖片編輯：項(xiàng)建英

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