給植物工廠“制造”一縷陽光

　　沒有土壤，沒有陽光，這里的蔬菜卻格外青翠，產量是露天種植的好幾倍。

　　營養液是土壤，紅藍相間的LED燈是陽光，沒有污染及病蟲害。在這里，通過對環境的高精度控制，蔬菜的生長幾乎不受自然條件的制約。近日，記者在位于北京市平谷區馬坊鎮的農眾物聯植物工廠里看到6層高的栽培架上，種滿了生菜、小白菜、冰菜等10余種水培葉菜。

　　如今，這種完全顛覆了傳統農業種植方式的植物工廠，正在或即將改變我們的餐桌。

　　“植物工廠是一種技術高度密集、資源高效利用的農業生產方式，是世界各國保障食物安全的重要發展方向。”作為我國最早研究植物工廠的專家之一、中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所研究員楊其長說。

　　然而，由于植物工廠在環境精準可控條件下進行生產，能耗大、運行成本高等問題突出，已經成為其發展的重要瓶頸。在楊其長的帶領下，項目組歷經12年的潛心研究，在植物工廠光源適配理論與方法、光效與能效提升、營養品質調控以及多因子協同管控技術等方面取得了多項原創性成果。形成了普及型植物工廠、島礁植物工廠、低碳智能家庭植物工廠等多個系列產品，在北京等20多個省市自治區和部隊系統的200多個園區和農業企事業單位推廣應用，經濟、社會效益顯著。在2016年該項目獲北京市科學技術獎二等獎。

　　衡量一個國家農業高技術水平的重要標志

　　“植物工廠是一種通過設施內高精度環境控制實現作物周年連續生產的高效農業生產方式，單位面積產量可達露地生產的40倍以上，因此被世界各國尤其是耕地資源緊缺的國家作為保障食物安全的重要發展方向。”楊其長說。

　　我國是一個人均資源極為緊缺的國家，人均耕地僅為世界平均水平的40%，人均水資源僅為世界平均水平的25%，保障食物安全的任務艱巨，大力推動植物工廠高技術產業的發展符合我國長期的戰略部署。

　　植物工廠的顯著特征是技術的高度集成與應用，因此又被認為是衡量一個國家農業高技術水平的重要標志，就像航天工程、磁懸浮、大飛機等技術一樣，發達國家不會輕易讓其他對手掌握，必須依靠自主研發。

　　據了解，日本、荷蘭等國從20世紀70年代開始研究，并已在植物工廠系統結構、營養液栽培與環境控制等一些關鍵技術方面取得了重要進展，但由于存在系統能耗大、運行成本高等突出瓶頸，大規模應用仍受到一定限制。

　　“如何突破植物工廠系統能耗大、運行成本高等突出技術瓶頸，大幅度降低人工光源與空調系統能耗、提升蔬菜品質并實現植物工廠的智能化管控，構建‘低碳、智能、高效’的植物工廠生產技術體系，是實現植物工廠快速普及與推廣的關鍵。”楊其長說。

　　不靠太陽種蔬菜

　　萬物生長靠太陽。陽光不僅是植物進行光合作用等基本生理活動的能量源，而且也是花芽分化、開花結果等形態的動力源。但在植物工廠里，蔬菜所需要的光是通過LED燈照射的。

　　楊其長告訴記者，當前植物工廠所使用的人工光源主要是熒光燈和發光二極管。LED能夠發出植物生長所需要的單色光(如波峰為450nm的藍光、波峰為660nm的紅光等)，而且紅、藍光LED組合后，還能形成與植物光合作用與形態建成基本吻合的光譜。

　　“與普通熒光燈等相比，LED主要具有節能、環保、壽命長、單色光并可組合、冷光源等優勢，被認為是人工光植物工廠的理想光源。”楊其長說，“人工光源通過不同光質組合和光強、光周期調控，可以代替陽光，滿足植物工廠里蔬菜等作物的全生育期光合作用需要。”

　　除去不依賴陽光外，植物工廠中的蔬菜還有另一個神奇之處，即不需要土壤。這些長勢良好的蔬菜均生長在專業定制的栽培模組內，模組下方并無土壤，而是完全依靠營養液。

　　據介紹，植物的這一特別“飲食”方式，也就是人們常說的無土栽培技術，它是植物工廠的技術核心之一。這些營養液由專業人員精心調制而成，能及時有效的為植物提供各種養分，能最大限度滿足植物不同生長時期的營養要求，也能協調植物生長所需的水、肥、氣(氧氣)、溫等條件，使蔬菜生長快、產量高。

　　針對植物工廠營養液栽培系統自毒物質累積、常規方法不易去除的突出問題，項目組發明了將UV(紫外)-納米TiO2結合處理營養液自毒物質的技術方法；提出并發明了采收前短期連續光照與營養液氮素水平調控相結合的蔬菜品質調控技術。

　　“這項技術可降低葉菜硝酸鹽含量30%以上，顯著提升Vc和可溶性糖含量。”楊其長說。

　　然而，并不是所有的蔬菜都可以在植物工廠種植。“就技術條件而言，所有蔬菜均可在植物工廠里種植。”楊其長說，“但由于植物工廠采用立體多層栽培模式，為了充分利用栽培空間，一般都會選擇低矮的葉菜(生菜、小油菜、芹菜、菠菜等)、中草藥、食用菌、草莓等種植。對于番茄、辣椒茄子、黃瓜等高大的茄果類和瓜果類蔬菜不適合種植，即便栽培也要選用其低矮的品種進行種植。”

　　掌握了植物工廠的核心技術

　　然而，植物工廠的實現并非易事。在課題研究過程中，楊其長他們遇到的最大挑戰是專用LED光源的研發問題。在2005年以前，市場上常見的LED光源的光質與植物光合需求不夠吻合，光照強度也弱。

　　項目團隊通過多方面努力探索，與其他半導體光源科研單位合作，在2005年研發出了植物工廠專用LED光源板，并建設了一個小規模的LED人工光植物工廠實驗室，這才加速了人工光植物工廠的研發進度。

　　楊其長告訴記者，植物在植物工廠的人工環境下進行生長，核心要素是光環境，首先要解決的難點就是對植物光配方的研究，這是植物LED光源創制的核心。同時，由于植物工廠的能源消耗比較大，因而節能環境控制技術可謂是植物工廠的“生命”，“如果能源消耗很大，發展就受限”。

　　此外，智能化管控的實現也是難點之一。“環境和營養要素的檢測和控制，與傳統農業有很大區別。”楊其長說，“需要高技術的手段，包括信息技術、智能裝備技術、互聯網技術等技術的集成和應用。”

　　如何突破植物工廠系統能耗大、運行成本高等關鍵技術瓶頸，大幅度降低人工光源與空調系統能耗、提升蔬菜品質并實現植物工廠的智能化管控，構建“低碳、智能、高效”的植物工廠生產技術體系，是實現植物工廠快速普及與推廣的關鍵。

　　“發展中國植物工廠高技術產業，必須依靠自主研發實現在植物光配方及人工光源創制、節能環境控制以及智能化管控等核心關鍵技術上取得突破，否則必將受制于人。”楊其長說。

　　經過長期鉆研和探索，楊其長帶領研究團隊率先進行了植物光配方的系統探索，探明了基于LED的植物光配方優化參數，發明了以AIGaInP紅光660nm芯片與InGaN藍光450nm芯片為核心的多光質組合植物LED節能光源；開發出基于植株發育特征的水平與垂直方向可移動式LED動態光環境調控技術，顯著降低了光源能耗。

　　項目組還研發出植物工廠光效、能效與營養品質提升的環境—營養多因子協同技術，集成創制出3個系列的智能LED植物工廠成套產品。探明了基于光配方、光—溫耦合與營養品質提升等多因子協同調控的邏輯控制策略及算法，研制出基于物聯網的植物工廠智能化管控技術，實現對植物工廠溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養液EC、pH、DO等要素的在線檢測、遠端訪問、程序更新及網絡化智能管控。集成創制出3個系列的智能LED植物工廠成套技術產品：規模量產型、可移動型、家庭微型植物工廠。

　　已具備大規模推廣的條件

　　據了解，我國已經是植物工廠產業化發展最快的國家，幾年時間即走過了發達國家幾十年的發展道路。目前，我國人工光植物工廠總數已達100多座，成為數量僅次于日本的植物工廠發展大國。越來越多的人開始品嘗到產自植物工廠的蔬菜。

　　在這其中，楊其長團隊作出重要貢獻。自2003年以來，課題組歷經12年的創新研發，先后開發出普及型植物工廠、大廈型植物工廠、島礁植物工廠、低碳智能家庭植物工廠等多個系列產品，并率先在北京進行示范推廣，目前已推廣到全國20多個省區及部隊的200多家應用單位，實現節約能耗2.8億度。

　　北京作為項目最早的研發與產業化示范基地，項目成果得到了廣泛的應用。培育了國內最大的兩家植物工廠生產企業——北京中環易達設施園藝科技有限公司、北京京鵬環球科技股份有限公司，這兩個公司已經成為植物工廠推廣的領軍企業。

　　“當前人們對優質蔬菜的需求日益上升，對植物工廠水培蔬菜的價格也逐漸接受，加入植物工廠建設和生產運營的企業越來越多，而植物工廠技術和裝備也越來越成熟，已具備大規模推廣的條件。”楊其長說。