◎ 洪恒飛 科技日?qǐng)?bào)記者 江耘
成排的番茄樹被安置在各自的“工位”，室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)由信息平臺(tái)操控，農(nóng)戶只需做些修剪工作……位于湖州德清縣的水木莫干山都市農(nóng)業(yè)綜合體內(nèi)，一座占地近40畝的蔬菜工廠全年運(yùn)作，年產(chǎn)西紅柿約120萬(wàn)公斤，可滿足近5萬(wàn)人全年需求。
類似這樣的高效、優(yōu)質(zhì)植物工廠，正逐漸為公眾所熟知。
8月下旬，浙江省農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展大會(huì)召開，提出要大力實(shí)施科技強(qiáng)農(nóng)行動(dòng)，在種源關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)、綠色生態(tài)種養(yǎng)、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)和工廠化農(nóng)業(yè)等方面尋求突破，變革農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。
“植物工廠通過(guò)設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)，代表著未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)減排、助力碳中和的重要技術(shù)之一。”浙江省農(nóng)科院數(shù)字農(nóng)業(yè)工廠研究室主任孔德棟表示，作為多項(xiàng)技術(shù)的集成系統(tǒng)，植物工廠的應(yīng)用并不局限于種植瓜果蔬菜，就實(shí)施科技強(qiáng)農(nóng)行動(dòng)，或大有用武之地。
脫離成本尷尬 技術(shù)革新才能轉(zhuǎn)虧為盈
早在上世紀(jì)，“植物工廠”概念便被提出。數(shù)十年來(lái)，得益于水培、LED人工光源及自動(dòng)控制等技術(shù)迭代突破，植物工廠快速發(fā)展，目前在世界多國(guó)研發(fā)應(yīng)用。
同時(shí)，運(yùn)行能耗與裝備成本，則是影響植物工廠良性發(fā)展的關(guān)鍵因素。
不難理解，植物工廠通常在封閉環(huán)境下進(jìn)行作物生產(chǎn)，雖無(wú)需占用大面積土地，且不受環(huán)境條件限制，相應(yīng)地，需要構(gòu)建包括建設(shè)結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、人工光源、多層栽培系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在內(nèi)的配套工程與裝備。
“植物工廠初始化投資，每平米建設(shè)費(fèi)用為數(shù)千到一萬(wàn)元不等。能耗成本約占全部生產(chǎn)成本的30%左右，主要包括人工光源及高密度植物、封閉的環(huán)境所帶來(lái)的降溫降濕能耗。”杭州漢徽光電科技有限公司CEO李許可介紹，原來(lái)的LED燈光設(shè)備產(chǎn)熱嚴(yán)重，驅(qū)動(dòng)能耗高，生物能效低下，光照設(shè)備功率大，額外增加空調(diào)工作量。作為植物工廠的核心裝備，光照技術(shù)的重要性不言而喻。
近幾年，圍繞植物工廠成本壓縮，國(guó)內(nèi)外通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作，取得了相應(yīng)的技術(shù)突破。
孔德棟介紹， 2018年可謂是植物工廠發(fā)展的分水嶺。通過(guò)技術(shù)革新，國(guó)際范圍內(nèi)，植物工廠逐漸擺脫成本尷尬，積極探索商業(yè)模式。
“光合作用是植物生長(zhǎng)最重要的生物化學(xué)反應(yīng)，因此研發(fā)高生物能效和解碼植物數(shù)字環(huán)境始終是垂直農(nóng)業(yè)最關(guān)鍵的核心技術(shù)。”李許可介紹，公司研發(fā)的第四代植物光合LED芯片和光照系統(tǒng)，每平方米的能耗控制在50-150W之間，相對(duì)于目前主流的WRB（白紅藍(lán)混光）或RGB（紅藍(lán)綠混光）光照設(shè)備可節(jié)能30%~50%，用于葉菜、果菜、草莓和小型谷物作物以及部分作物育種上，在浙江省農(nóng)科院、安徽省農(nóng)科院、上海市農(nóng)科院等院所已推廣應(yīng)用。
浙江大學(xué)生儀學(xué)院副院長(zhǎng)、國(guó)際半導(dǎo)體照明聯(lián)盟專家周泓教授表示，國(guó)內(nèi)較為成熟的植物工廠，其單位面積產(chǎn)量，目前可達(dá)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的數(shù)十倍，但要在全國(guó)進(jìn)一步推廣，持續(xù)降低裝備成本和運(yùn)行能耗仍是未來(lái)研究的重點(diǎn)。
嘗試育種產(chǎn)糧 工廠優(yōu)勢(shì)打破時(shí)空限制
不久前，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院與中國(guó)水稻研究所聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，在植物工廠環(huán)境下成功實(shí)現(xiàn)水稻種植60天左右收獲的重要突破，將傳統(tǒng)大田環(huán)境下120天以上的水稻生長(zhǎng)周期縮短了一半。
中國(guó)農(nóng)科院作物科學(xué)研究所所長(zhǎng)錢前接受媒體采訪時(shí)表示，對(duì)于大多數(shù)作物來(lái)說(shuō)，要想培育出新的優(yōu)良種質(zhì)，需要經(jīng)過(guò)若干代繁殖，通常需要幾年甚至數(shù)十年時(shí)間。依靠植物工廠技術(shù)，打破了這個(gè)時(shí)空瓶頸。
在入花期要選配父母本進(jìn)行雜交授粉、無(wú)性系后代需要全程跟蹤、逐一記錄不同生育期的長(zhǎng)勢(shì)或產(chǎn)量、以及觀察植物大田表現(xiàn)等……育種周期長(zhǎng)是雜交水稻育種過(guò)程中的突出問(wèn)題，其原因在于育種材料的純合穩(wěn)定需要通過(guò)連續(xù)自交多代。
“除了滿足大規(guī)模工廠式的作物生產(chǎn)應(yīng)用外，在育種方面，植物工廠可以充分發(fā)揮其工廠化環(huán)境參數(shù)靈活可控優(yōu)勢(shì)，盡可能降低因時(shí)空、氣候局限造成的育種成本。”李許可說(shuō)，通過(guò)調(diào)節(jié)植物所需的光、溫、水、氣、肥等關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)加速作物光合作用，突破育種受地理、季節(jié)、光熱條件限制，縮短育種年限，加快新材料、新品種的選育，解決品種選育投入大、周期長(zhǎng)、效率低、工作量大等育種研發(fā)中的痛點(diǎn)。
李許可介紹，公司團(tuán)隊(duì)去年嘗試在智能光合LED系統(tǒng)下室內(nèi)種植水稻，1m2種植面積所需光照系統(tǒng)的功率僅僅144W，兩次采收周期分別為90天和80天。去年12月又在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室開展小麥種植研究，小麥抽穗也比北方大田種植環(huán)境下提前了兩個(gè)月。
所謂“橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳”，植物品種在推廣過(guò)程中面臨著復(fù)雜多變的生態(tài)環(huán)境，各地區(qū)的光、溫、水、氣、病蟲害等條件都有差別。如對(duì)光溫敏感大豆是典型的短日照和喜溫植物，對(duì)光周期和溫度的反應(yīng)相當(dāng)敏感，品種的推廣范圍受到限制，育種的效益降低。
“以往在戶外選育油菜，通常是一年兩季，采用智能LED光譜系統(tǒng)后，雖然設(shè)施成本略有增加，但因?yàn)槭褂昧丝删珳?zhǔn)調(diào)控光譜模擬作物原生地或者種植地光環(huán)境和氣候，作物培育周期顯著縮短，可實(shí)現(xiàn)一年連續(xù)3到4代繁育，使每年的快速繁殖計(jì)劃增加大約兩倍；同時(shí)也省下異地加代繁育的費(fèi)用，大幅提升科研工作者的研究水平和效率，有力緩解育種的“卡脖子”難題。”安徽省農(nóng)科院作物研究所費(fèi)維新研究員認(rèn)為 。
協(xié)同綠色能源 人工牧草緩解生態(tài)壓力
根據(jù)《中國(guó)科學(xué)院院刊》報(bào)道，近年來(lái)我國(guó)居民膳食結(jié)構(gòu)持續(xù)升級(jí)，優(yōu)質(zhì)動(dòng)物蛋白需求增大，牧草需求剛性增加，今后國(guó)內(nèi)牧草飼料需求量將達(dá)到?1000?萬(wàn)噸/年。然而，國(guó)內(nèi)牧草產(chǎn)品質(zhì)量較差，而且?75%?以上地區(qū)的牲畜冬季缺草，導(dǎo)致牧草干草大量依賴進(jìn)口。
目前，國(guó)內(nèi)牧草種質(zhì)資源保護(hù)基本采用異地保護(hù)方式，導(dǎo)致牧草的遺傳多樣性損失，牧草種質(zhì)資源亟待加強(qiáng)保護(hù)與利用。與此同時(shí)，因干旱少雨等自然災(zāi)害和超載過(guò)牧等人為因素導(dǎo)致牧區(qū)草原普遍存在“退化”“沙化”“鹽堿化”現(xiàn)象，亟需休養(yǎng)生息。
“所幸，集裝箱式的移動(dòng)牧草工廠應(yīng)需而生。”孔德棟說(shuō)，以團(tuán)隊(duì)與企業(yè)聯(lián)合研制的成果為例，一個(gè)40尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，占地約30平方米，種植大麥草周期為7天，9個(gè)月可生產(chǎn)牧草270噸。
周泓教授也表示，牧草植物工廠的投放應(yīng)用，還需考慮能源供給問(wèn)題。2019年南疆地區(qū)的棄光率曾高達(dá)14%，光伏消納弱，棄光率高和限電問(wèn)題嚴(yán)重制約著西北光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，可綜合考慮依托風(fēng)電、光伏發(fā)電設(shè)備就近供電，或直接為牧草工廠配備光伏板，便可解決牧草植物工廠的供能問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)正積極對(duì)接內(nèi)蒙古等地牧區(qū)，將棄風(fēng)、棄光協(xié)同推進(jìn)能源發(fā)展與草牧業(yè)的提升。
無(wú)獨(dú)有偶，國(guó)家電投集團(tuán)已在內(nèi)蒙古、延安等地，與植物工廠企業(yè)合作建設(shè)光伏+植物工廠，在缺乏耕地資源的地方種植蔬菜水果以及牧區(qū)所缺牧草，提高清潔能源消納的同時(shí)節(jié)約耕地資源。
周泓表示，無(wú)論是工廠式牧草還是室內(nèi)培育植物，植物工廠化的發(fā)展和解決需要不斷的突破現(xiàn)有種+養(yǎng)的構(gòu)架，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這類“新能源+植物工廠+畜牧業(yè)”的生態(tài)循環(huán)模式可以大大減輕土地、用水壓力，緩解土地荒漠化現(xiàn)狀，推動(dòng)畜牧業(yè)的碳中和和碳排放，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，提升農(nóng)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
編輯：黃磊
審核：岳靚
