20世紀(jì)40年代以來,以“礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說”為理論基礎(chǔ)的營(yíng)養(yǎng)液栽培技術(shù)的應(yīng)用與推廣,以及1949年美國(guó)植物生理和園藝學(xué)家F.W.Went教授在加州帕薩迪納建立的第一座人工氣候室引發(fā)的“人工模擬生態(tài)環(huán)境”領(lǐng)域的革命性突破,為植物工廠的出現(xiàn)孕育了成熟的條件。1957年丹麥誕生了世界上第一家植物工廠。之后日本等國(guó)相繼跟上。“植物工廠”(Plant Factory)一詞最早由日本提出,狹義上是指人工光型的植物生產(chǎn)系統(tǒng)。
在車間模擬的環(huán)境中,營(yíng)養(yǎng)液替代了土壤,將足夠的養(yǎng)分輸送給植物。在植物生長(zhǎng)過程中,溫度、濕度、二氧化碳濃度也通過計(jì)算機(jī)控制在可控制的范圍內(nèi)。
2016年6月,位于中國(guó)福建省泉州市安溪縣湖頭鎮(zhèn)的中科三安生物植物工廠正式投產(chǎn),占地面積10000平方米。它是目前全球最大的植物工廠。作為后起之秀,中國(guó)在植物工廠的這一動(dòng)作不可謂不大。
當(dāng)時(shí),作為國(guó)內(nèi)光電產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)的三安集團(tuán),找到了中科院,表達(dá)了想要合建植物工廠的想法。希望能結(jié)合三安光電產(chǎn)業(yè)方面的優(yōu)勢(shì),和中科院植物所植物科學(xué)的優(yōu)勢(shì),發(fā)展這一光生物學(xué)產(chǎn)業(yè)。中國(guó)科學(xué)院植物研究所研究員李紹華,彼時(shí)即將面臨退休,認(rèn)為這是一項(xiàng)值得嘗試的挑戰(zhàn),也是為國(guó)家的戰(zhàn)略需求在服務(wù),最后接受了邀請(qǐng),來到了福建,擔(dān)任植物工廠研究院院長(zhǎng)。
說到植物工廠的前景,李紹華會(huì)興奮地講起自己在坐飛機(jī)時(shí)看到的《火星救援》的經(jīng)歷。他認(rèn)為電影中在太空建立糧食儲(chǔ)備的方法,接近植物工廠正在做的工作。他相信,植物工廠憑借其在產(chǎn)能、食品安全上的優(yōu)勢(shì),在勞動(dòng)力成本不斷提高的將來,相比傳統(tǒng)的大田栽培,會(huì)越來越有競(jìng)爭(zhēng)力,更大范圍地惠及百姓。
中國(guó)科學(xué)院植物研究所研究員李紹華
以下是澎湃新聞對(duì)李紹華的采訪。
植物工廠是什么
澎湃新聞:為什么會(huì)覺得植物工廠是一個(gè)大的發(fā)展方向呢?能談一談建設(shè)植物工廠的意義嗎?
李紹華:上個(gè)世紀(jì)的時(shí)候,有一個(gè)美國(guó)人(注:美國(guó)國(guó)際觀察員萊斯特·布朗)就問,全世界人民,誰來養(yǎng)活中國(guó)人?為什么呢,中國(guó)人太多了,土地面積少。從目前世界上的發(fā)展趨勢(shì)來看,人口增加是肯定的?,F(xiàn)在全世界70多億人,可能再過二十年、三十年就變成一百億了。地球承載的能力會(huì)越來越差。這么多人怎么生存?首先要解決一個(gè)糧食問題。
從目前來講,做植物工廠,第一目標(biāo)是解決全世界的糧食安全問題。打個(gè)簡(jiǎn)單的比方,我們現(xiàn)在做植物工廠,所有的糧食或蔬菜都會(huì)在室內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)。它不取決于你的土地面積是多少。它可以在上面取一群高的房子,在每一層做植物生產(chǎn)。這個(gè)條件下,所能夠生產(chǎn)的糧食,在同等面積上可能是現(xiàn)在傳統(tǒng)土壤上生產(chǎn)的100倍、1000倍,甚至更多。
第二,隨著工業(yè)的發(fā)展,土壤環(huán)境質(zhì)量越來越差,農(nóng)藥、化肥很多,食品安全成為全世界關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。 在植物工廠的生產(chǎn),所有的環(huán)境條件都是可控的。尤其是我們會(huì)嚴(yán)格地控制病害和蟲害,不會(huì)有重金屬進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)里面。
還有一些其他的重大的戰(zhàn)略意義。大家可能看過一個(gè)電影叫火星救援。人類移居太空以后,怎么建立一個(gè)糧食自給自足的循環(huán)系統(tǒng)?這也是我們植物工廠可能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)之一。除此之外,我們的邊防、海島啊,在一些條件很嚴(yán)酷的地方,植物工廠可以滿足國(guó)防人員在邊境上對(duì)食物的需求。
澎湃新聞:您在看到《火星救援》里的場(chǎng)景時(shí),心情是怎樣的?
李紹華:看那個(gè)電影的時(shí)候,我正好在飛機(jī)上??戳艘欢?,印象很深刻。感覺到我們現(xiàn)在做的這些試驗(yàn)、研究,在將來的某一個(gè)時(shí)間,可能會(huì)把現(xiàn)在的科幻變成真正的現(xiàn)實(shí)。
如果人類有一天要離開地球,去外星生存,肯定是面臨這么個(gè)狀況??赡懿粫?huì)像他們演的那樣,畢竟它跟現(xiàn)在的技術(shù)結(jié)合得少。但是理念基本是這樣的:在一個(gè)地方,能夠真正實(shí)現(xiàn)所有東西的循環(huán),無論水還是肥料,實(shí)現(xiàn)植物的生長(zhǎng)。
此“光”非彼“光”
澎湃新聞:除了水之外,對(duì)于植物的生產(chǎn),還有大自然中非常重要的光。植物工廠的光能完全取代自然光,或者說模擬自然光嗎?
李紹華:不是這樣。從植物生長(zhǎng)的角度看,太陽(yáng)光是全光譜,從紅外到紫外,甚至更長(zhǎng)的波段都有,能量是這么分布的。對(duì)植物來講,某些波段長(zhǎng)度的光,對(duì)生長(zhǎng)是必須的。并不是說我們需要把整個(gè)太陽(yáng)光全部都放置在里面。
我們的光,從強(qiáng)度、從植物的利用角度,完全可以達(dá)到這個(gè)要求,甚至比自然光更好。比如說我們做生菜,不需要纖維素含量那么高,但口感反而比外面賣的菜更好。我們通過研究,獲得一個(gè)特殊的光譜。根據(jù)它的強(qiáng)度和所需要的光的波長(zhǎng),不同的植物用不同的光譜去做它。
澎湃新聞:也就是說,在植物工廠里,對(duì)環(huán)境條件的控制可以對(duì)植物的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)進(jìn)行控制。這對(duì)于我們?cè)耘嘁恍?duì)環(huán)境要求苛刻的植物會(huì)有幫助嗎?
李紹華:在人工大田栽培條件下,一些比較困難的作物種植,可能通過植物工廠的栽培來實(shí)現(xiàn)。
植物或者動(dòng)物為什么會(huì)瀕危?因?yàn)樵耘喹h(huán)境不太適合它生長(zhǎng)。比如說金線蓮,傳統(tǒng)金線蓮是野生的。大概二十多年前開始人工栽培,現(xiàn)在很多都進(jìn)行人工栽培。
但是,你會(huì)發(fā)現(xiàn)在野生的條件下,很少能找到金線蓮。而在人工栽培條件下,最大的問題是病害和蟲害相當(dāng)嚴(yán)重。我們?cè)谥参锕S條件下,不僅要生產(chǎn)一些新的食物,還有一個(gè)重要的目標(biāo):我們生產(chǎn)的產(chǎn)品,尤其是藥用植物的生產(chǎn),它的品質(zhì)會(huì)保證非常一致,因?yàn)槭窃谌斯た刂茥l件下進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。
過去經(jīng)常提到中藥現(xiàn)代化的一個(gè)最大的問題,是提供藥材的穩(wěn)定性比較差。藥材的道地性,就是某一個(gè)地方生產(chǎn)的某一個(gè)產(chǎn)品,比其他地方生產(chǎn)的藥材品質(zhì)更好。除了地域差別外,同一個(gè)地區(qū),不同的年份、同一年不同的月份,它所生產(chǎn)出來的產(chǎn)品,都存在很大的差別。
植物工廠所有植物生產(chǎn)、生長(zhǎng)的環(huán)境條件是完全一致的。在不同的時(shí)間、不同車間生產(chǎn)的產(chǎn)品比較相同,保證提供的原料的一致性。
另外我們會(huì)通過一些人工措施,包括燈或者其他設(shè)備,來提高所需要的功能性化合物的含量。每一種藥材為什么會(huì)起作用?是功能性化合物在起作用。通過人工的措施,促進(jìn)有效化合物的合成和積累。提供的藥材產(chǎn)品質(zhì)量可能更高,比傳統(tǒng)人工栽培條件下栽培得更好。
工作人員在中科三安植物工廠內(nèi)分栽蔬菜。
技術(shù)突破:模塊式的整合栽培系統(tǒng)
澎湃新聞:現(xiàn)在您所在的植物工廠,對(duì)環(huán)境的控制主要通過什么設(shè)備來實(shí)現(xiàn)呢?它跟過去的植物工廠有什么區(qū)別嗎?
李紹華:過去的植物工廠做的就是幾個(gè)栽培廠。栽培最常用的,就是我們現(xiàn)在說的鋁合金之類,做一個(gè)栽培層,在里面放點(diǎn)水,進(jìn)行蔬菜或其他東西的生產(chǎn)。這里有個(gè)很大的問題,一是建造的成本很高,二是靈活性很小。
現(xiàn)在針對(duì)這樣的問題, 中科生物做了一個(gè)設(shè)備,我們稱之為模塊式的整合栽培系統(tǒng)。它把電力系統(tǒng)、水營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)以及栽培支撐系統(tǒng),整合在一起。你們可能在我們的工廠里看到了,它采取一種工業(yè)模組化設(shè)備,你可以把任何一塊設(shè)備拆下來,再重新裝上去,很容易。建造的成本也比較低,實(shí)用性非常廣。
這個(gè)設(shè)備目前應(yīng)該說是國(guó)際領(lǐng)先的。我們也申請(qǐng)了國(guó)際專利,正在向國(guó)外出口。去年向美國(guó)出口,今年正在與日本、新加坡等幾個(gè)國(guó)家商談。
澎湃新聞:關(guān)于植物工廠的科研和生產(chǎn),中國(guó)在國(guó)際上處于什么樣的水平?
李紹華:最近十幾年,植物工廠的發(fā)展非???。比如日本、中國(guó)的臺(tái)北、美國(guó),以及荷蘭等歐洲國(guó)家,他們做植物工廠,研究和生產(chǎn)的實(shí)踐都比較久,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過中國(guó)。中國(guó)算是后起之秀。
但是其他國(guó)家有一個(gè)最大的特點(diǎn)是,真正從事與植物工廠相關(guān)的技術(shù)研究的很少。我們作為中科生物的一個(gè)公司,是真正從產(chǎn)業(yè)角度來做相關(guān)的研究。盡管我們沒有發(fā)表很多文章,但通過最近三四年的研究,在實(shí)際應(yīng)用上取得了一些成績(jī)。
比如藥用植物的栽培,目前在國(guó)際上有人做,但是進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的公司還沒有。我們的金線蓮在7月底馬上要投入大規(guī)模的生產(chǎn)。這在國(guó)際上應(yīng)該是處于領(lǐng)先的水平。
除此之外,我們現(xiàn)在有關(guān)植物的生產(chǎn)技術(shù),比如生菜、大白菜、冰菜的生產(chǎn),處于世界領(lǐng)先水平。日本現(xiàn)在植物工廠做生菜生產(chǎn),從播種、萌芽開始,到采收,三十五天,大概都在七八十克,我們現(xiàn)在是120克到150克。
澎湃新聞:現(xiàn)在植物工廠在縮短植物生長(zhǎng)周期、提高植物產(chǎn)量的作用方面已經(jīng)是很明顯了,接下來還會(huì)有怎樣的技術(shù)突破呢?
李紹華:我們現(xiàn)在正在做一個(gè)模組,叫高光效力栽培模組。植物光的利用效率會(huì)比我們現(xiàn)在在傳統(tǒng)的模組或者傳統(tǒng)的栽培方式條件下,提高一倍光能利用效率。
無論現(xiàn)在還是未來,我們的研究都是緊密結(jié)合著植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。另外,我們即將出的第一個(gè)全智能化的栽培模組,馬上就要進(jìn)行驗(yàn)證了。
三五年后,商業(yè)化植物工廠大量出現(xiàn)
澎湃新聞:目前來看,植物工廠相對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè),生產(chǎn)成本以及銷售價(jià)格還是比較高的,怎么看待它將來的應(yīng)用市場(chǎng),如何更大地惠及老百姓,以及緩解人類土地的壓力?
李紹華:現(xiàn)在植物工廠的成本相對(duì)來講比較貴,但是我們也會(huì)看到這幾個(gè)問題。
首先,在自然條件下,生產(chǎn)蔬菜或者其他作物的時(shí)間是有限制的。打個(gè)比方說,現(xiàn)在要生產(chǎn)生菜,如果你到廈門去,可能就是冬天一季,其他時(shí)間不能生產(chǎn),生產(chǎn)出來的生菜也不好吃,產(chǎn)量會(huì)很低。如果在植物工廠里生產(chǎn),除了前面講到的,同等面積條件下,產(chǎn)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于現(xiàn)在的大田生產(chǎn)之外,一年四季的生產(chǎn)都比較穩(wěn)定。一年可能生產(chǎn)20場(chǎng),甚至更多。這樣的話我們?cè)诋a(chǎn)能上面會(huì)有很多的優(yōu)勢(shì)。
第二,關(guān)于勞動(dòng)力的成本。我在上世紀(jì)八十年代到法國(guó),那時(shí)候中國(guó)人出去第一件事情是吃雞腿。為什么?雞腿很便宜啊??墒鞘卟嗽趪?guó)外就非常貴。夏天的黃瓜都是三四法郎。在這些國(guó)家,勞動(dòng)力成本提高以后,蔬菜這一類勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)的成本會(huì)越來越貴。
隨著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展,中國(guó)的勞動(dòng)力成本也會(huì)越來越高。即使這樣,也沒有幾個(gè)老百姓愿意讓自己的孩子去從事農(nóng)業(yè),你想找人都找不著。
我們研究的設(shè)備方向之一,是全自動(dòng)化栽培模組。在這種條件下,它所需要的勞動(dòng)力是極少的。
我相信,隨著科技的進(jìn)步,植物工廠的成本會(huì)越來越低,產(chǎn)品價(jià)格會(huì)越來越便宜。相反在大田條件下,勞動(dòng)生產(chǎn)力成本會(huì)越來越高。
隨著時(shí)間的推移,我們的產(chǎn)品相對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè),會(huì)越來越具有競(jìng)爭(zhēng)力。大家吃的是很安全的食品,但是價(jià)格還不貴。這樣它惠及的老百姓的面會(huì)越來越廣。
澎湃新聞:在您看來,未來的植物工廠發(fā)展可能會(huì)有哪些趨勢(shì)呢?
李紹華:目前來講,三五年之后,國(guó)家的植物工廠會(huì)像雨后春筍一樣出現(xiàn)。
過去,很多植物工廠都是二十平米、一百平米,大型的兩百平米,不能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,搞一點(diǎn)東西送人可以。搞五十平米的,一年能生產(chǎn)多少公斤?但是未來幾年里面,一定會(huì)有大量的幾百平米、上千平米以上的植物工廠出現(xiàn)。真正商業(yè)化的植物工廠會(huì)越來越多。
第二,種類會(huì)大幅地增加。現(xiàn)在用于植物工廠生產(chǎn)的種類很少,因?yàn)樗枰挟a(chǎn)量、成本,要找一個(gè)合適的平衡點(diǎn)才能生產(chǎn)。你看到的我們植物工廠生產(chǎn)的這些蔬菜,比如生菜、小白菜、大白菜,都是比較容易獲得經(jīng)濟(jì)效益的。但是 在未來三五年以后,種類會(huì)越來越多。西紅柿、麻椒、茄子,都可能在植物工廠里生產(chǎn)。甚至是果蔬。
第三,價(jià)格肯定會(huì)越來越便宜,與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的價(jià)差會(huì)越來越小。