淺析中國(guó)“智能LED植物工廠”發(fā)展情況

　　一般認(rèn)為，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開(kāi)土壤。然而，這一狀況未來(lái)或許會(huì)改變。在前不久舉辦的國(guó)家“十二五”科技創(chuàng)新成就展上，一項(xiàng)名為“智能LED植物工廠”的成果受到廣泛關(guān)注。這項(xiàng)被業(yè)界譽(yù)為顛覆“土地利用和農(nóng)作方式”的技術(shù)，到底新在哪里?這種培植技術(shù)在我國(guó)進(jìn)展又如何?

　　科技創(chuàng)新成就展上智能植物工廠的展臺(tái)。中國(guó)農(nóng)科院環(huán)發(fā)所供圖

　　借助植物工廠，人類(lèi)甚至可以在太空、荒漠、戈壁等地域進(jìn)行作物生產(chǎn)

　　中國(guó)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(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)農(nóng)科院環(huán)發(fā)所)是我國(guó)植物工廠的重要陣地，在國(guó)家“十二五”科技創(chuàng)新成就展亮相的正是該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的成果。中國(guó)農(nóng)科院環(huán)發(fā)所研究員楊其長(zhǎng)表示，目前我國(guó)掌握了智能LED植物工廠關(guān)鍵技術(shù)，整體水平處于國(guó)際前沿。

　　所謂植物工廠，就是通過(guò)設(shè)施內(nèi)的高精度控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是由計(jì)算機(jī)對(duì)植物生育過(guò)程的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行全天候控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式。

　　楊其長(zhǎng)解釋?zhuān)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)就是植物通過(guò)光合作用生產(chǎn)碳水化合物的過(guò)程。遵循該科學(xué)原理，智能LED植物工廠根據(jù)不同作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)和陽(yáng)光的需求，對(duì)“工廠”內(nèi)環(huán)境要素和營(yíng)養(yǎng)要素進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)配，精準(zhǔn)供給植物，以確保植物健康生長(zhǎng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了不用土、不用陽(yáng)光，可實(shí)現(xiàn)全天候的植物智能化生產(chǎn)，人類(lèi)甚至可以在太空、荒漠、戈壁等非可耕地里進(jìn)行作物生產(chǎn)。

　　與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式不同，植物工廠有七大技術(shù)優(yōu)勢(shì)：一是作物生產(chǎn)計(jì)劃性強(qiáng)，可在不受外界環(huán)境影響的條件下，實(shí)現(xiàn)周年均衡生產(chǎn);二是單位面積產(chǎn)量高，可大幅提高資源利用效率;三是機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，工作環(huán)境舒適;四是不施用農(nóng)藥，產(chǎn)品安全無(wú)污染;五是多層式、立體栽培，節(jié)省土地和能源;六是不受或很少受地理、氣候等自然條件影響;七是與現(xiàn)代生物技術(shù)緊密結(jié)合，可以生產(chǎn)出稀有、價(jià)高、富含營(yíng)養(yǎng)的植物產(chǎn)品。

　　“我國(guó)人口多，耕地少，人均資源相對(duì)不足。同時(shí)，人們對(duì)潔凈安全農(nóng)產(chǎn)品的需求越來(lái)越迫切。這種形勢(shì)下，當(dāng)下發(fā)展植物工廠非常有必要?！睏钇溟L(zhǎng)說(shuō)。

　　植物工廠是目前全球農(nóng)業(yè)高技術(shù)研究的熱點(diǎn)，因其融合了現(xiàn)代生物技術(shù)、智能裝備與信息技術(shù)等新科技，也是彰顯一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標(biāo)志。

　　楊其長(zhǎng)認(rèn)為，未來(lái)植物工廠有望顛覆傳統(tǒng)的農(nóng)作方式，代表了農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，掌握植物工廠核心關(guān)鍵技術(shù)具有戰(zhàn)略意義。

　　我國(guó)從上世紀(jì)90年代開(kāi)始植物工廠研發(fā)，目前擁有約100座人工光植物工廠

　　近年來(lái)，植物工廠在東亞、歐美，尤其在日本、韓國(guó)、美國(guó)、新加坡等國(guó)家和地區(qū)發(fā)展迅速，飛利浦、松下、通用等國(guó)際知名企業(yè)也紛紛介入植物工廠的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)推廣，全球植物工廠發(fā)展極為活躍。

　　回顧植物工廠發(fā)展歷程，從上世紀(jì)40年代至今，主要?dú)v經(jīng)早期的試驗(yàn)探索、示范應(yīng)用和當(dāng)前的快速發(fā)展三個(gè)階段。

　　20世紀(jì)40年代到70年代初為試驗(yàn)探索階段。該階段是植物工廠的概念成型與試驗(yàn)探索期，其中兩項(xiàng)技術(shù)的突破對(duì)其發(fā)展起到了重要支撐作用，一項(xiàng)是“營(yíng)養(yǎng)液栽培技術(shù)”，另一項(xiàng)為“人工模擬與控制環(huán)境技術(shù)”，以1949年美國(guó)科學(xué)家在加州帕薩迪納建立的第一座人工氣候室為標(biāo)志。其后，日本和蘇聯(lián)相繼建成大型人工氣候室，進(jìn)行植物栽培試驗(yàn)。這一時(shí)期植物工廠規(guī)模較小，僅為幾十平方米到幾百平方米。應(yīng)用范圍也比較窄，主要局限在實(shí)驗(yàn)室和示范農(nóng)場(chǎng)。光源為高壓鈉燈，光源與空調(diào)能耗大，運(yùn)行成本較高。

　　20世紀(jì)70年代至90年代末為示范應(yīng)用階段，其中以水耕栽培和人工光源技術(shù)的突破為重要標(biāo)志。1973年?duì)I養(yǎng)液膜技術(shù)的出現(xiàn)，以及隨后的深液流栽培技術(shù)的發(fā)明為植物工廠栽培技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這一時(shí)期，日本植物工廠發(fā)展較快，截至上世紀(jì)末，日本擁有約20座人工光植物工廠。在這一階段，人工光源不斷改善，高壓鈉燈逐漸被熒光燈替代，紅光LED開(kāi)始應(yīng)用，光源的能耗進(jìn)一步降低;傳感器與自動(dòng)控制技術(shù)逐漸引入;示范應(yīng)用面不斷擴(kuò)大。

　　21世紀(jì)初至今植物工廠快速發(fā)展，主要得益于藍(lán)光LED的出現(xiàn)與紅藍(lán)LED組合光源的研制成功，以及基于網(wǎng)絡(luò)的智能控制技術(shù)的應(yīng)用。隨著LED的應(yīng)用，植物工廠人工光源能耗顯著降低，栽培層間距進(jìn)一步縮短，能效比大幅度提升;同時(shí)，傳感器、智能控制器以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用為植物工廠智能化管控提供了可能。

　　在這一時(shí)期，各國(guó)加快了對(duì)植物工廠的研發(fā)力度與產(chǎn)業(yè)化步伐，日本2009年提出大力發(fā)展植物工廠、振興現(xiàn)代農(nóng)業(yè)計(jì)劃。韓國(guó)自2009年開(kāi)始，政府支持科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)共同進(jìn)行人工光植物工廠的研發(fā)，數(shù)年時(shí)間內(nèi)就推出了10多個(gè)型號(hào)的植物工廠產(chǎn)品。美國(guó)一方面通過(guò)植物工廠的研究希望為空間站和星球探索提供食物保障，另一方面提出了“摩天大樓農(nóng)業(yè)”的構(gòu)想，希望從空間上突破資源瓶頸，先后出現(xiàn)了芝加哥大廈農(nóng)場(chǎng)、新澤西州“垂直農(nóng)場(chǎng)”等設(shè)計(jì)模式。我國(guó)從上世紀(jì)90年代開(kāi)始植物工廠研發(fā)工作，2002年成功研發(fā)自然光植物工廠，2005年研制出LED植物工廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在2010年上海世博會(huì)首次展出家庭LED植物工廠。2013年國(guó)家正式將“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究”項(xiàng)目列入“863”計(jì)劃，由15家科教單位與企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。目前，我國(guó)擁有不同規(guī)模的人工光植物工廠約100座。

　　2009年，我國(guó)建成首例智能型植物工廠，現(xiàn)已推廣到20多個(gè)省份

　　看到農(nóng)民種地的艱辛，兒時(shí)楊其長(zhǎng)就常想：“種地不用土”該多好!上世紀(jì)90年代，楊其長(zhǎng)敏銳地意識(shí)到，植物工廠是未來(lái)的發(fā)展方向。他帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)潛心研究，率先提出多個(gè)植物的“光配方”，并創(chuàng)制出基于光配方的LED節(jié)能光源及其光環(huán)境調(diào)控技術(shù)裝備，在業(yè)界完成了多個(gè)首創(chuàng)性工作——

　　首次提出“光—溫耦合節(jié)能環(huán)境調(diào)控”方法，創(chuàng)制出植物工廠節(jié)能環(huán)境調(diào)控技術(shù)裝備;率先提出“光—營(yíng)養(yǎng)調(diào)控蔬菜品質(zhì)”方法，創(chuàng)制出采前短期連續(xù)光照提升品質(zhì)工藝及技術(shù)裝備;率先提出植物工廠光效、能效以及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)提升的智能管控方法，創(chuàng)制出基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化管控系統(tǒng)。

　　2009年，中國(guó)農(nóng)科院環(huán)發(fā)所植物工廠的研發(fā)團(tuán)隊(duì)與北京中環(huán)易達(dá)設(shè)施園藝科技有限公司研發(fā)出國(guó)內(nèi)第一例智能型植物工廠。目前，該技術(shù)成果已推廣到北京、上海、山東等20多個(gè)省區(qū)市。

　　我國(guó)的植物工廠逐漸走向國(guó)際舞臺(tái)。2012年至2015年我國(guó)連續(xù)舉辦4期植物工廠技術(shù)國(guó)際培訓(xùn)班，20多個(gè)國(guó)家的學(xué)員接受了系統(tǒng)的植物工廠訓(xùn)練?；诠馀浞降闹参風(fēng)ED光源產(chǎn)品推廣到美國(guó)、日本、歐洲等，植物工廠成套產(chǎn)品已推廣到新加坡等。

　　植物工廠雖然擁有眾多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際發(fā)展過(guò)程中也面臨著一些“瓶頸”。楊其長(zhǎng)說(shuō)，植物工廠普及和推廣的核心是工業(yè)產(chǎn)品化，從目前看，植物工廠標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化裝備的研發(fā)方面還有待提高。從研發(fā)力量上來(lái)看，目前參與研究的主要是科研單位、高校和中小企業(yè)。

　　“希望未來(lái)有中國(guó)的大企業(yè)能積極參與其中，只有實(shí)現(xiàn)植物工廠標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化生產(chǎn)，才能在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中有地位?！睏钇溟L(zhǎng)說(shuō)。從經(jīng)濟(jì)效益上來(lái)看，與露地、大棚相比，植物工廠由于初期建設(shè)成本較高、耗能較大等原因，總體上來(lái)看單位生產(chǎn)成本還是相對(duì)偏高，未來(lái)仍需要進(jìn)一步降低成本。