未來植物工廠將如何改變我們的生活

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　　自然災害和極端天氣不斷影響著全球糧食生產(chǎn)，未來如何才能保障全世界人的吃飯問題？植物工廠的出現(xiàn)，為我們開辟了一條值得期待的解決路徑。
　　植物工廠是什么樣子的？目前我國的植物工廠發(fā)展得怎么樣？近日，中國農業(yè)科學院都市農業(yè)研究所研究員、智能植物工廠首席科學家楊其長在央視財經(jīng)頻道《中國經(jīng)濟大講堂》節(jié)目中，為大家詳細介紹了植物工廠的現(xiàn)狀及未來。

『什么是植物工廠』
　　中國幾千年農耕文明延續(xù)至今，我們的食物都是依賴陽光、土壤生產(chǎn)出來的。也就是說，傳統(tǒng)的農業(yè)生產(chǎn)是靠天吃飯的，一旦遇到澇災、旱災等自然災害，這種生產(chǎn)方式就難以保障很多人的吃飯問題。那么，有沒有一種方式能夠穩(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，就是無需泥土，不灑農藥，不受自然環(huán)境影響，通過模擬植物所需的光照、溫度、營養(yǎng)等要素，在完全工廠化的條件下生產(chǎn)植物。植物工廠被認為是對傳統(tǒng)農作方式的一種顛覆，代表了未來農業(yè)的發(fā)展方向。
　　植物工廠需要三個核心要素：第一，用人工光源代替陽光，用營養(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。有了這三個核心要素，就可以在工廠化的條件下進行食物生產(chǎn)。
　　一棵生菜在植物工廠的環(huán)境下是怎么生產(chǎn)出來的？先把種子播種在一個帶孔的穴盤上，通過兩三天的催芽，種子變成了小芽苗，再送到育苗車間里進行育苗。經(jīng)過12—14天時間，育出小苗后，把小苗種植在栽培盤上，送進栽培車間。再經(jīng)過20—22天時間的培育，等生菜長到100—120克重量時，就可以進行采收、包裝，最后送到市場上。
　　由于建設成本、運行成本較高，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、果樹以及食用花卉、藥用植物。一些季節(jié)性很強的植物，像草莓和藍莓，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，作為設施農業(yè)的高級階段，植物工廠不僅能為保障居民菜籃子提供有效補充，也可以成為農民致富和產(chǎn)業(yè)振興的重要抓手。

『產(chǎn)能提高40倍以上』
　　21世紀以來，人類面臨著各種挑戰(zhàn)。第一，人口不斷增長。據(jù)預測，至2050年，全球人口將達到95億，與此相應，食物的增長速度必須達到70%以上。第二，耕地不斷減少。據(jù)fao（聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織）統(tǒng)計，全世界每年減少耕地500—700萬公頃。第三，農業(yè)勞動力的人口老齡化非常嚴重。
　　這些變化對全世界的食物安全提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。而植物工廠的出現(xiàn)，也許是解決這些問題的有效途徑。
　　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，植物工廠可以達到10層以上，這樣栽培的產(chǎn)能就能達到10倍以上。第二，露地栽種植物生育周期較長，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看，植物工廠對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)肥分別達到90%。
　　未來，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，都可以通過植物工廠生產(chǎn)植物。
　　現(xiàn)在大家都非常關心農產(chǎn)品的質量，植物工廠因為是在非常潔凈的環(huán)境下進行生產(chǎn)的，連空氣和水都經(jīng)過凈化處理，植物基本上沒有蟲害，也沒有重金屬的污染，所以生產(chǎn)出來的蔬菜是安全、潔凈、無污染的，可以免洗直接食用。由于我們在植物工廠的收獲過程中采取了一些措施，因此生產(chǎn)的蔬菜保質期可以達到一個星期。而且，蔬菜的口感非常好，水分較多，還有點甜。
　　總而言之，植物工廠在未來是非常必要的。一方面，它可以大幅度提高食物的產(chǎn)能，解決未來人口、資源以及農業(yè)勞動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的農產(chǎn)品，并在沙漠、戈壁、極寒地區(qū)等特殊場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』
　　我們先來看看目前國內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，冬季氣溫達到零下43℃，夏天達到零上42℃，地表溫度最高可達80℃。為了更好地保障神州系列飛行任務航天員乘組的日?；锸?，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心于2021年建成了一座占地面積達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。中國農科院的錢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行多層的立體栽培。經(jīng)過我們的探索后，卻意外得到了一個收獲，即大大縮短了水稻的生長周期。原來，育種科學家每年都要到海南進行植物加代，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周期后，育種科學家就能在一年內給水稻加代5次到6次，也就是說比原來的效率提高3倍以上。這樣，植物工廠未來就可以為水稻、小麥、玉米、大豆等作物的生長按下快進鍵，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平方米不等，可以進行規(guī)?；氖卟松a(chǎn)。第二種叫作移動型植物工廠，集裝箱大小，主要用在一些特殊的場所，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種植，孩子可以每天觀察植物的生長狀況，非常有趣。一般來說，植物20天左右就可以收獲，能基本滿足居民對新鮮蔬菜的需求。如果家里有兩臺裝置種植韭菜的話，冬季每個星期吃上兩次韭菜餃子是沒有問題的。

『為植物定制“光配方”』
　　萬物生長靠太陽，在缺少自然光的室內環(huán)境中種植植物，照明系統(tǒng)成了保障植物生長的核心裝備。
　　不同的植物需要不同的光源，植物的各個發(fā)育階段對光源的需求也不相同。以生菜為例，育苗階段需要更多的藍光使幼苗健壯，后期則需要更多紅光加速植物生長?？茖W家們要針對植物不同的偏好，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、質量，還能調控植物，讓蔬菜更營養(yǎng)美味，讓鮮花更鮮艷，讓果實更香甜、更富營養(yǎng)，從而提高經(jīng)濟效益。
　　早在20世紀50年代，歐美的一些發(fā)達國家就已經(jīng)出現(xiàn)植物工廠。當時的光源主要采用高壓鈉燈。但是由于高壓鈉燈的能耗較高，運行成本也較高，這些國家探索了一段時間后就停止了。到20世紀90年代后期，日本開始探索用熒光燈作為植物工廠的光源，但缺點同樣是能耗較高。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，有70%的光是無效的。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。
　　中國植物工廠的發(fā)展起步較晚，大約從2002年開始探索，至今不到20年時間。非常幸運的是，我們跨過了高壓鈉燈和熒光燈時代，直接進入了led時代。led燈有很多優(yōu)勢：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，在植物工廠的整個成本中，有52%來自電能消耗，而電能消耗中有60%來自光源，35%來自空調。所以，要解決植物工廠的關鍵技術瓶頸，首先要解決光源的能耗問題，也就是說要找到高效的光源。
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，有一位植物生理學家畫了一條曲線，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納米的藍光區(qū)域和600—700納米的紅光區(qū)域，最優(yōu)的兩個峰值分別是450納米和660納米。有了這個依據(jù)后，我們就進行了led光源的開發(fā)。經(jīng)過無數(shù)次試驗，我們終于建立起了一個理論體系，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，遠紅光、紫外光等對植物生長有何影響等等，也都需要我們仔細研究。我們行業(yè)中有句話叫作“順境創(chuàng)產(chǎn)量，逆境創(chuàng)品質”，也就是說，在良好的環(huán)境下植物會長得更快、產(chǎn)量更高，而逆境能提升植物的品質。比如，近紫外光對作物有一定的傷害，但我們用了一點近紫外光照射植物后，植物的品質得到了大幅度提升。

『未來前景非常廣闊』
　　目前，我國的植物工廠總數(shù)已經(jīng)超過220座，成為數(shù)量僅次于日本的植物工廠大國。
　　雖然植物工廠擁有眾多優(yōu)勢和廣泛的社會需求，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。其中，系統(tǒng)能耗較大導致運行成本過高，是植物工廠發(fā)展亟待突破的瓶頸。以我們在北京的一家植物工廠為例，這個商業(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。總體測算下來，一公斤蔬菜的成本為24元左右。
　　未來，大幅度降低人工光源和空調系統(tǒng)的能耗，并實現(xiàn)植物工廠的智能化管控，構建智能、低碳、高效的植物工廠生產(chǎn)技術體系，是實現(xiàn)植物工廠快速普及與推廣的關鍵。目前，通過我們的不懈努力，已經(jīng)把綜合能耗由原來的每公斤菜消耗31—42度電降到8.25度電?，F(xiàn)在國際上的普遍水平是每公斤菜消耗10度電以上。從理論上說，我們還可以繼續(xù)降低能耗，達到每公斤菜消耗4—5度電，這是我們未來追求的目標。
　　另外，我們正在嘗試采用激光，把激光從一條線變成一個面，然后再擴散。激光的耗能只有l(wèi)ed的1/3—1/5，所以激光被認為是未來很有潛力的一個光源。
　　植物工廠技術的突破，還為很多產(chǎn)業(yè)提供了契機。比如，目前我國的植物光源產(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，未來的市場規(guī)模還會更大。
　　植物工廠還將在城市發(fā)展中起到一定的作用。假想一下，未來我們在北京建一棟30層樓的垂直植物工廠，一年產(chǎn)菜的總量約為1.08萬噸，可以供應周圍4萬居民一年食用的蔬菜，這是非?？捎^的。一方面，蔬菜的運輸環(huán)節(jié)大大壓縮，不用到山東壽光等蔬菜生產(chǎn)集散地去長途運輸，居民就近就可以購買新鮮的蔬菜。另一方面，城市里一些退休不久、有勞動能力的老人可以到垂直工廠來參加勞動，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，它可以保障國家的食物安全，讓城市居民的生活更加豐富多彩，同時還可以發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)?？梢哉f，植物工廠的未來前景是非常廣闊的。

欄目主編：龔丹韻
文字編輯：徐蓓
本文作者： 楊其長
題圖來源：新華社 資料圖
圖片編輯：項建英