解讀LED照明植物工廠的生長秘方

　　生長秘方

　　給作物定制舒服的“家”

　　離開了陽光、雨露、土壤，在鋼筋混凝土搭建起的廠房里，植物可以生長嗎?產(chǎn)量有保證嗎?

　　“植物工廠采用了溫濕光的自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，以互聯(lián)網(wǎng)智能控制，經(jīng)過人工馴化的多種高附加值農(nóng)產(chǎn)品可以在植物工廠實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。”中國農(nóng)科院蔬菜花卉研究所研究員賀超興答道。

　　循著這個(gè)回答，筆者來到北京、西安等地的植物工廠，看一看廠房里的植物，到底是如何生長，又如何走進(jìn)尋常百姓家的，這一新興的生產(chǎn)方式在我國應(yīng)用和推廣的情況如何。

　　廠房里，植物是如何生長的

　　植物的生長離不開光照、水分、養(yǎng)料、適宜的溫度等。作為植物生長的車間，植物工廠本質(zhì)上是對(duì)這些要素的集成控制。

　　去年12月下旬，北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心發(fā)布的空氣質(zhì)量指數(shù)顯示，11天里有9天為污染天氣，其中中度以上的嚴(yán)重污染和重度污染就占到了8天。受霧霾天氣影響，昌平區(qū)溫室大棚光照普遍不足，草莓生長發(fā)育受寡照影響，上市時(shí)間比原計(jì)劃推遲了半個(gè)月左右。

　　而在植物工廠里種植草莓的莓農(nóng)，完全不用苦苦“等風(fēng)來”。通過光傳感器的光照監(jiān)測(cè)，植物工廠的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)光照，在霧霾天氣里依然“艷陽高照”。

　　取代“太陽”的光照系統(tǒng)，是不是需要大量耗電呢?

　　“光照的確占了植物工廠能耗的相當(dāng)部分，為了節(jié)約這部分能源，我們一直在研究LED植物光效照明技術(shù)。”陜西西安旭田光電植物工廠負(fù)責(zé)人王琦介紹說，通過對(duì)光的波長、光質(zhì)比、光合光子通量等的研究，找到適合不同植物品種、不同生長期的最佳照明光譜，可以實(shí)現(xiàn)高效利用“每一束光”。

　　北京是世界上最缺水的大城市之一，全市人均水資源量為100立方米左右，僅為全國的1/21，世界的1/77，缺水程度甚至低于“沙漠國家”以色列的365立方米。水資源天花板制約下，北京都市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)一直在尋找一條節(jié)水高效之路。

　　過了臘八，時(shí)至大寒。北京市平谷區(qū)馬坊鎮(zhèn)農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠里，魚腥草、香椿芽、薄荷葉等新鮮蔬菜層層疊高，旺盛地生長著，透著一股子水潤勁兒。

　　“這些菜生長在營養(yǎng)液中，除了植物生長正常吸收的損耗外，環(huán)境蒸發(fā)損耗幾乎為零?！痹撝参锕S負(fù)責(zé)人姚旭介紹說，在密閉環(huán)境下進(jìn)行水肥一體化循環(huán)，相對(duì)于大田種植，水資源節(jié)約率可以達(dá)到93%以上。

　　農(nóng)民常說，植物生長離不開土地。事實(shí)上，植物生長真正離不開的并非土地，而是土壤中的養(yǎng)料。在植物工廠里，農(nóng)作物種植在營養(yǎng)液或者礫石、蛭石、椰糠、秸稈等做成的基質(zhì)材料里。植物生長所需養(yǎng)分由調(diào)配好的營養(yǎng)液補(bǔ)給，食品安全變得更可控，同時(shí)還避免了重茬，節(jié)約了土地。

　　據(jù)國家發(fā)改委農(nóng)村經(jīng)濟(jì)司巡視員胡恒陽介紹，按目前情況，我國完全實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)自給需要30億畝土地，全國播種面積常年在23億畝左右，也就是說，大概有7億畝的土地要靠國外資源支撐。“而植物工廠可以在同樣的土地上產(chǎn)出數(shù)倍農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，值得探索?！焙汴栒f。

　　農(nóng)眾物聯(lián)占地不足10畝的植物工廠，共有上下三層，一層栽培高端食用菌，二層種植山野菜，三層則主要種植茄果類蔬菜。滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下，能年產(chǎn)蔬菌茄果700萬公斤。去年11月，北京市委書記郭金龍、市長王安順到農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠調(diào)研時(shí)，對(duì)植物工廠在節(jié)水節(jié)能、高效利用土地方面給予充分肯定。

　　擺脫了對(duì)土地的依賴，植物工廠變得“上天入地、無孔不入”。去年12月，旭田光電利用西安市一處地下人防工程，建起了一座640平米的植物工廠，將原本暗無生機(jī)的地下空間變成了充滿綠色的植物世界。

　　降成本，先進(jìn)設(shè)備也需本土化

　　作為一種新興的生產(chǎn)方式，植物工廠在荷蘭、日本、美國等發(fā)達(dá)國家被普遍使用?！皣庵参锕S發(fā)展相對(duì)成熟一些，但是也存在一個(gè)問題，就是投入成本太高，不利于推廣?！币π窠榻B說，植物具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，光溫濕等變量只要控制在合適的區(qū)間，就可以保證正常生長。如進(jìn)口溫控制導(dǎo)系統(tǒng)，雖然能調(diào)節(jié)溫度變量在0.01℃，相當(dāng)于太空艙種植的控制程度，但其對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)卻微乎其微，而投入成本比起國內(nèi)本土設(shè)備卻增加了幾十倍。

　　在農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠，記者看到，各色各樣的綠色蔬菜一層一層地摞了六七層?！懊繉拥膶痈卟煌参锷L的不同階段需要調(diào)整層高，國外進(jìn)口設(shè)備可以自動(dòng)調(diào)整層高，我們自主研發(fā)的設(shè)備則是半自動(dòng)調(diào)整?！睆淖詣?dòng)到半自動(dòng)，并非本土設(shè)備技術(shù)水平的不足，而是更了解市場的選擇。

　　多數(shù)食用菌的生產(chǎn)在秋冬季節(jié)，因?yàn)槭秤镁ＩL環(huán)境通常溫度較低、濕度較大，因此在周年化生產(chǎn)過程中，大部分食用菌生產(chǎn)須降溫通風(fēng)，所需能耗成為運(yùn)營過程中主體成本之一。

　　農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠在設(shè)計(jì)上采用依托食用菌、綠葉菜、茄果類蔬菜等所需條件的有效循環(huán)：使用食用菌吸收氧氣釋放二氧化碳并使室內(nèi)溫濕度增加的條件，協(xié)調(diào)互補(bǔ)綠葉菜、茄果類蔬菜的自然生長;再由綠葉菜、茄果類蔬菜吸收二氧化碳并降低室內(nèi)溫濕度，協(xié)調(diào)食用菌的正常生長。另外，利用食用菌在不同過程中所代謝的無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)對(duì)蔬菜生長進(jìn)行補(bǔ)充，用蔬菜生長過程中淘汰的部分有機(jī)物質(zhì)對(duì)食用菌生產(chǎn)進(jìn)行補(bǔ)充，大幅度降低運(yùn)營過程中的能耗、物料消耗，使植物工廠進(jìn)入一種綜合態(tài)、互補(bǔ)式生產(chǎn)模式中。

　　種種看，把植物工廠帶回家

　　近一兩年，越來越多的人走進(jìn)植物工廠，參觀、休閑，或者買些新鮮蔬菜?！吧稌r(shí)候這些植物工廠也能走進(jìn)我們家里啊?”今年1月5日，在北京海淀公園農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠社區(qū)科普巡展上，一位市民問道。

　　要推進(jìn)植物工廠的民用化，首先要讓民眾認(rèn)識(shí)它。從去年12月下旬開始，農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠開始了一輪密集的科普推廣活動(dòng)。12月22日到31日，農(nóng)眾物聯(lián)走進(jìn)海淀區(qū)政府陽光大廳，參與“植物工廠中國芯”——都市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)科普展;今年1月5日到11日，又在海淀公園進(jìn)行了社區(qū)科普巡展，老百姓可以親自動(dòng)手體驗(yàn)蔬菜種植。在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)小學(xué)，由農(nóng)眾物聯(lián)承建，率先打造了植物工廠實(shí)驗(yàn)室，把現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)的種植理念和技術(shù)帶到了小學(xué)生身邊。

　　與農(nóng)眾物聯(lián)的線下科普活動(dòng)不同，旭田光電植物工廠負(fù)責(zé)人王琦則將更多的精力放在了線上。每天，由王琦組建的微信群里，很多植物工廠的擁躉和“王琦菜”的粉絲們頻繁互動(dòng)。

　　認(rèn)識(shí)、了解植物工廠畢竟只是第一步，大型的植物工廠，對(duì)老百姓而言只可“遠(yuǎn)觀”，無法親身種植。為此，旭田光電研發(fā)了集裝箱型植物生長箱和透明生長柜，不僅適合餐飲商超、居民社區(qū)陽臺(tái)和地下室，而且能解決邊防哨所、雷達(dá)站、遠(yuǎn)洋艦船、油田甚至沙漠等地的吃菜難問題。如今，在古城西安的不少餐飲場所，食客們已經(jīng)可以在酒店大堂的微型植物工廠里點(diǎn)菜了。

　　即將于今年4月在北京舉辦的第三屆全國都市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)現(xiàn)場交流會(huì)上，植物工廠也將作為重點(diǎn)觀摩對(duì)象被推介給廣大市民。值得一提的是，本屆現(xiàn)場會(huì)的參觀點(diǎn)選擇上，農(nóng)業(yè)部提出要“體現(xiàn)科技創(chuàng)新、體現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化、體現(xiàn)農(nóng)業(yè)品牌發(fā)展戰(zhàn)略”。顯然，植物工廠可以集中地體現(xiàn)這些。

　　從大棚到植物工廠

　　太陽提供光和熱，土壤提供水和養(yǎng)分，空氣中有氧氣和二氧化碳，這就是植物生長所需要的全部自然環(huán)境條件。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人為也可以設(shè)計(jì)出這樣的環(huán)境條件。從而實(shí)現(xiàn)不靠太陽、不靠土，同樣可以種蔬菜。從溫室大棚實(shí)現(xiàn)控溫，到植物工廠可以實(shí)現(xiàn)控溫、光、水、養(yǎng)、氣需要過程。

　　大棚在我國也僅有幾十年的歷史。起初，冬天的蔬菜就是白菜、蘿卜，為了滿足人們冬日菜品的多樣性，農(nóng)民們開始建設(shè)大棚，一開始就是用塑料薄膜罩在土坑上，這樣就可以起到保溫的效果，實(shí)現(xiàn)冬天也能長蔬菜。

　　隨著人們對(duì)食物種類多樣性要求的增加，科學(xué)技術(shù)也在突飛猛進(jìn)地進(jìn)步，種植設(shè)施也在升級(jí)換代。從最簡易的薄膜覆蓋，發(fā)展到小拱棚和大拱棚，之后大棚也有了厚厚的墻，被稱為暖棚，再發(fā)展就出現(xiàn)了形形色色的玻璃溫室、球形溫室等等。這就像我們?nèi)祟惖木幼…h(huán)境，從洞穴居住、到土房、到磚瓦房再到樓房一直在進(jìn)步。

　　外部設(shè)備進(jìn)步的同時(shí)，內(nèi)部的環(huán)境控制條件也在不斷地發(fā)生變化。薄膜透光還保溫，用各式各樣的栽培基質(zhì)就可以實(shí)現(xiàn)不用土壤，可以通過特定的發(fā)生裝置增加二氧化碳濃度給植物補(bǔ)充碳營養(yǎng)，可以用智能化控制設(shè)備按植物所需提供營養(yǎng)，采用LED燈等補(bǔ)光設(shè)備應(yīng)對(duì)霧霾等低光照天氣，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)智能化的控制。

　　植物工廠就是把這些內(nèi)外部的先進(jìn)技術(shù)集合起來，為植物提供最適宜的生長環(huán)境。然而，現(xiàn)在還不能實(shí)現(xiàn)完全脫離自然環(huán)境，植物工廠與自然環(huán)境最大的不同是，需要通過把電能轉(zhuǎn)化為光能、熱能等，而電能是需要由燃煤、水流等提供的熱能或動(dòng)能轉(zhuǎn)化而來的，這些都是大自然的能量。如何在實(shí)現(xiàn)人工智能控制環(huán)境的基礎(chǔ)上，降低能耗，真正實(shí)現(xiàn)植物工廠的綠色節(jié)能，仍是重要的研究方向。

　　專家聲音

　　植物工廠是農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的集中體現(xiàn)之一，相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式有很多優(yōu)點(diǎn)，一是少受外界氣候影響，生產(chǎn)能力比較穩(wěn)定;二是土地和空間資源的利用效率較高;三是生產(chǎn)自動(dòng)化程度高，產(chǎn)量也比較高;四是可以有效避免重金屬等污染。

　　——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

　　植物工廠采用了溫濕光的自動(dòng)化補(bǔ)償，互聯(lián)網(wǎng)的智能化控制，有效降低成本，提高了效率，特別是中國本土化的山野菜和食用菌實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)，效益也是比較好的，在設(shè)施農(nóng)業(yè)方面找出了一條新路。

　　——中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所研究員賀超興

　　植物工廠是完全可控的生產(chǎn)方式，自動(dòng)化程度高，意味著生產(chǎn)效率也高。因?yàn)楠M義的植物工廠主要靠人工光，我們最大的能耗來自光源，如何有效利用光源，是我們面臨的最大挑戰(zhàn)。

　　——華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院教授劉厚誠

　　我國植物工廠的發(fā)展起步相對(duì)較晚，與國際上相比還有差距。我國植物工廠規(guī)模小，單品規(guī)模小，處于示范型、展示型階段的比較多。

　　——農(nóng)業(yè)照明技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長劉文科

　　案例分析

　　案例一 LED蔬菜工廠：惡劣氣候也能產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)菜

　　天氣寒冷會(huì)影響蔬菜生產(chǎn)，讓市民可挑選的蔬菜越來越少，怎樣解決氣候原因?qū)е率卟藴p少的問題呢?近日筆者走訪了江西省科學(xué)院生物資源研究所，該所工作人員告訴筆者，LED光源蔬菜可以解決這一難題。

　　LED光源蔬菜是以新型節(jié)能環(huán)保的LED燈為人工光源，探索LED蔬菜的人工環(huán)境控制和配套栽培技術(shù)，實(shí)現(xiàn)LED蔬菜的自動(dòng)化生產(chǎn)，最終建立智能數(shù)字的LED蔬菜工廠。

　　江西省科學(xué)院生物資源研究所采用水培和基質(zhì)培兩種方式，開展LED光源對(duì)蔬菜工廠生產(chǎn)栽培影響的研究，結(jié)果表明：紅光促進(jìn)植物高生長，藍(lán)光促進(jìn)植物莖的增粗生長，紅：藍(lán)為8：1條件下，生菜和白菜生長快速，少量紫外光(UV-B)的加入可促進(jìn)蔬菜維生素C的積累。

　　江西省科學(xué)院院長王曉鴻告訴記者：“研究表明，水培條件下蔬菜生長快速，而水培的一大問題是亞硝酸鹽含量容易超標(biāo)。我們將LED光源水培蔬菜經(jīng)江西省分析測(cè)試中心測(cè)定，表明蔬菜的亞硝酸鹽含量在正常偏低水平，纖維含量低，維生素含量高，保證了蔬菜的品質(zhì)和口感?！?/p>

　　目前，LED光源蔬菜工廠已經(jīng)基本建立，可以對(duì)光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度進(jìn)行控制，同時(shí)生產(chǎn)出的蔬菜經(jīng)品質(zhì)和口感檢測(cè)安全、潔凈、口感好，不受惡劣氣候影響。

　　案例二 無塵室農(nóng)場：無菌蔬菜做成1周沙拉

　　日本神奈川縣的許多便利店最近多了一些新產(chǎn)品，那就是冷藏柜里的1周沙拉。與往常的方形盒裝沙拉不一樣，1周沙拉被裝在圓形塑料杯包裝中，杯子的頂部是一個(gè)圓形穹頂，下方是一個(gè)支撐著這片“天空”的大大的立體數(shù)字，醒目標(biāo)注了不同生產(chǎn)日期沙拉的食用期限。在包裝之下是沒打過農(nóng)藥也不用洗、采下來就能吃的無菌蔬菜，名符其實(shí)，它可以冷藏保鮮一周。

　　這些蔬菜可不是在菜農(nóng)的田地里采摘的，而是來自電子巨頭東芝在一家經(jīng)改造的工廠——橫須賀東芝無塵室農(nóng)場里生產(chǎn)的最新產(chǎn)品。近年來，日本電子界吹起了一股新風(fēng)，不僅東芝，富士通、松下、夏普等巨頭也紛紛將閑置的工廠改裝為高科技溫室大棚，種植無菌蔬菜，電子工程師也隨之搖身一變，成為新時(shí)代“農(nóng)夫”。

　　橫須賀東芝無塵室農(nóng)場位于神奈川縣橫須賀市，由原來的軟盤工廠內(nèi)的四層建筑改建而成，占地面積近1969平方米。培育的綠葉蔬菜有散葉生菜、玻璃生菜、直立生菜、瑞士甜菜、雪菜、菠菜、芝麻菜等。

　　從播種到栽培，植物工廠的工人會(huì)根據(jù)菜苗的成長階段，細(xì)心地為每株菜苗更換栽培棚。在播種階段，工人會(huì)將種子種在小盒子的海綿上，然后放在托盤的孔中。而在栽培階段，隨著植物的生長，小盒子會(huì)被換到孔間隔更大的托盤上。與其他植物工廠采用的連托盤一起更換栽培棚的方法相比，這種方式更麻煩，但根據(jù)植物大小而改變?cè)耘嗝芏炔⒏鼡Q到高度不同的栽培棚的方式可以更有效地利用空間。