植物工廠：沒有陽光也燦爛

植物工廠是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級階段，是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中吸收應(yīng)用高新技術(shù)成果最具活力和潛力的領(lǐng)域之一，代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

5月16日，由中國科技部支持的首個中國-羅馬尼亞農(nóng)業(yè)科技園在羅馬尼亞首都布加勒斯特落成，該農(nóng)業(yè)科技園包括智能LED植物工廠和輕簡化節(jié)能日光溫室。此舉標(biāo)志著中國植物工廠技術(shù)成功進(jìn)入羅馬尼亞。

植物工廠是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級階段，世界上第一家植物工廠于1957年在丹麥誕生，1974年以來，人多地少的日本大力發(fā)展植物工廠。我國從2004年開始嘗試建設(shè)植物工廠，2015年以來，這一生產(chǎn)模式在我國獲得快速發(fā)展。

顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式

俗話說，萬物生長靠太陽。如果沒有陽光和土壤，蔬菜還能茁壯成長嗎？福建省中科生物股份有限公司（簡稱“中科三安”）打造的植物工廠給出了肯定的答案。

在福建省安溪縣湖頭光電產(chǎn)業(yè)園內(nèi)，中科三安的植物工廠顛覆了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，用神奇的“光配方”、獨特的營養(yǎng)系統(tǒng)、專業(yè)的栽培技術(shù)，讓各種果蔬作物實現(xiàn)了工業(yè)般的流水線生產(chǎn)。這家以“光生物技術(shù)應(yīng)用與植物工廠產(chǎn)業(yè)化”為目標(biāo)的公司，在植物工廠產(chǎn)業(yè)化設(shè)備與技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新方面取得了豐碩成果，正加速朝著打造全產(chǎn)業(yè)鏈智能植物工廠的方向邁進(jìn)。

走進(jìn)中科三安的一期生產(chǎn)車間，一排排高高立起的六層植物栽培模組躍然眼前，仿佛超市貨架一般。每一層架子頂部都布滿了LED燈，架子上的生菜、小白菜、冰菜等煥發(fā)出勃勃生機(jī)，它們的根部浸泡在營養(yǎng)液里，沒有半點土壤……

“植物工廠是生長環(huán)境——溫度、濕度、光照和營養(yǎng)條件等，全智能控制的植物高效生產(chǎn)系統(tǒng)。在這里，植物生長不受自然環(huán)境制約，它們所需要的光照和營養(yǎng)液，都是根據(jù)不同生長時期的需求進(jìn)行配置的。”中科三安總經(jīng)理占卓說。

早在2014年，福建三安集團(tuán)有限公司開始關(guān)注植物工廠，并做了大量的前期研究。2015年，三安集團(tuán)與中國科學(xué)院植物研究所達(dá)成合作協(xié)議，決定成立福建省中科生物股份有限公司，建設(shè)中科三安總部、植物工廠研究院和中科三安產(chǎn)業(yè)化基地三大核心項目，植物研究所以知識產(chǎn)權(quán)形式出資占比10%。

在占卓看來，中科三安的成立有利于充分發(fā)揮植物研究所多年積累的植物學(xué)技術(shù)以及三安光電LED光譜技術(shù)領(lǐng)域的特長，實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，共同推動中國植物工廠產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

中科三安成立后，植物所派出了專家團(tuán)隊，與三安集團(tuán)的研發(fā)團(tuán)隊共同專注于植物光源、營養(yǎng)液等領(lǐng)域的研究。研發(fā)團(tuán)隊花費(fèi)了將近一年的時間，研發(fā)出了三代植物營養(yǎng)液，這種營養(yǎng)液的效能比國際上同期營養(yǎng)液高出8—15個百分點。

要提高植物工廠的空間利用效率，就必須搭建栽培架。2015年10月份，中科三安研制出了全球第一套模塊化整合栽培系統(tǒng)。“傳統(tǒng)的栽培架采用的是工程化方案，而我們的設(shè)計思路是模塊化方案，不僅制造成本低，使用起來也更加方便。”占卓說。

經(jīng)過兩年多的科技攻關(guān)，科學(xué)家們集成光生物學(xué)、園藝學(xué)、營養(yǎng)學(xué)、植物學(xué)、植物化學(xué)等學(xué)科技術(shù)，在植物光配方及植物照明產(chǎn)品、植物營養(yǎng)液配方及循環(huán)利用技術(shù)、植物品種篩選和栽培方式等領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，研制成功專用蔬菜育苗燈、栽培燈等多種類型的LED燈具，不同植物的通用及專用營養(yǎng)液，并從200多種試驗產(chǎn)品中篩選出可應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化的21種水培葉菜品種。

2016年，中科三安建成了首棟1萬平方米的全智能控制的植物工廠，這也是當(dāng)時世界上單體面積最大的植物工廠。2018年，中科三安與新加坡企業(yè)合作，在新加坡建設(shè)世界最大、占地2萬平方米的植物工廠，預(yù)計今年完成。

中科三安總經(jīng)理助理李鵬介紹，通過計算機(jī)對溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度及營養(yǎng)液進(jìn)行智能控制，植物工廠克服作物對生產(chǎn)季節(jié)、氣候等自然條件的依賴，可以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，每天可生產(chǎn)蔬菜1.8噸至2噸，第一年就實現(xiàn)了盈利。

2018年6月份，中科三安二期項目正式落成，基于AI人工智能的自動化垂直農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)也正式投入使用。二期廠房占地5000平方米，蔬菜日產(chǎn)量可達(dá)8噸至10噸，成品率高達(dá)95%以上；用工由一期的46人減少到4人；水資源利用率由一期的60%提高到90%以上。根據(jù)測算，單位面積生產(chǎn)效率約是普通種植方式的150倍。

京東自建植物工廠

在北京東南六環(huán)外有一座植物工廠，這座總面積1萬多平方米的“工廠”，由知名電商企業(yè)京東集團(tuán)投資建設(shè)，2018年12月正式投入使用，其生產(chǎn)的蔬菜通過線上線下渠道同步銷售。這是繼“跑步雞”、“游水鴨”、“飛翔鴿”之后，京東投建的又一個農(nóng)業(yè)項目。

早晨8點，45歲的秦鵬準(zhǔn)時來到植物工廠上班，他像醫(yī)生一樣套上白大褂，站在入口處的吹風(fēng)機(jī)前吹遍全身，再進(jìn)入工廠。“人身上的塵土里可能含有蟲卵，必須吹干凈，以防止把病蟲害帶進(jìn)去。”他說。

“植物工廠”科技感十足，1萬多平方米的廠房被籠罩在一個巨大的透明罩中，生菜、菠菜等綠葉菜一排排整齊地躺在“種植床”上，空調(diào)設(shè)備隨時調(diào)節(jié)著室內(nèi)溫度……

“這種透明罩由特殊合成材料制成，可以把陽光中對植物有害的強(qiáng)紫外線過濾掉，且其表面非常光滑，稍有雨水沖刷便可以被洗得干干凈凈。”秦鵬介紹說。

為大幅提高種苗的存活率，種子在育苗階段被單獨分離出來，先被放進(jìn)一個密封的育苗箱，進(jìn)行一個星期左右的育苗。“育苗箱能自動調(diào)節(jié)里面的溫度、濕度和二氧化碳濃度，使這些指標(biāo)保持在最適宜種苗生長的狀態(tài)。此外，箱內(nèi)還有專用的LED燈照射種苗，幫助其快速成長。”秦鵬表示。

種苗成熟后，工作人員會將它們從育苗箱里取出，一棵一棵地插進(jìn)“種植床”的小孔里，其根部浸泡在“床墊”下面的營養(yǎng)液中，營養(yǎng)液經(jīng)均衡配比，各類營養(yǎng)物質(zhì)都達(dá)到最適宜蔬菜生長的水平。

“這種標(biāo)準(zhǔn)化的蔬菜種植方式效率非常高，例如，菠菜在植物工廠里的生長周期僅為19天，一年可以收獲19茬，而在普通田地里種植的菠菜一年收獲不會超過四茬。”京東植物工廠負(fù)責(zé)人趙磊說，“由于種每茬菜的營養(yǎng)液是循環(huán)利用的，植物工廠比在田地里灌溉作物節(jié)水90%以上。”

不僅是北京，近年來，深圳、蘇州、泉州、大連、長春等地都紛紛建起了植物工廠，諸多高科技企業(yè)以及中國科學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)參與其中，農(nóng)業(yè)向高端化發(fā)展的趨勢愈發(fā)明顯。

“隨著生活水平的不斷提高，人們對食品安全的要求日益強(qiáng)烈。植物工廠種植的蔬菜無需農(nóng)藥，且可以避免受土壤污染的影響，恰好迎合了大眾需求，因而市場潛力巨大。”趙磊說，“此外一座1萬多平方米的植物工廠，僅需八名工人，可以大大降低勞動力成本，提高利潤率。目前我們的種植品種已增加到小菠菜、紅翠生菜、羅馬生菜等八個品種，每天采摘的蔬菜都會銷售一空。未來將繼續(xù)努力擴(kuò)大規(guī)模，改進(jìn)技術(shù)，推動這套農(nóng)業(yè)模式進(jìn)一步成熟。”

設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級階段

據(jù)介紹，植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級階段，通過對植物生長環(huán)境的高精度控制，植物的生長幾乎不受自然條件的制約，生長周期縮短。工廠內(nèi)種植的生菜、小白菜等，20天左右就能收獲，而露地栽培則需要一個月到40天。除了生長周期短、空間利用率高和一年四季不間斷生產(chǎn)是植物工廠的重要特點。

植物工廠采用循環(huán)流動的營養(yǎng)液來滿足植物的生長，不管何種類型的植物工廠，營養(yǎng)液栽培的基本原理都是將植物所需養(yǎng)分配置成科學(xué)合理的離子態(tài)營養(yǎng)液，通過輸送，滿足栽培作物的需求。營養(yǎng)液提供了植物生長所需的各種元素，包括氮磷鉀等大量元素及鐵錳鋅等微量元素，因此沒有必要使用土壤栽培。無土栽培的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，所栽培植物的生長比土培快很多，安全性的管控也更加有效。

植物工廠的營養(yǎng)液配置、滅菌、輸送、回收都有專門的設(shè)施裝置、電子儀器來完成，可實現(xiàn)營養(yǎng)液定量、自動供應(yīng)，可實時監(jiān)控營養(yǎng)液濃度、成分、酸堿度變化，通過自動補(bǔ)液，始終為植物創(chuàng)造最優(yōu)的營養(yǎng)液環(huán)境；營養(yǎng)液的流動速度和溫度都保持在植物需要的適宜水平，以保證植物的最優(yōu)勢生長。

光照管理是植物工廠高效生產(chǎn)和成本降低的關(guān)鍵因素之一。在高精度環(huán)境控制的植物工廠中，LED照明作為新一代植物光源，具有光量、光質(zhì)可調(diào)整，冷卻負(fù)荷低等特點，正在成為植物生產(chǎn)過程中光環(huán)境調(diào)控的主要工具。

光環(huán)境的精準(zhǔn)調(diào)控主要包含光譜、光照強(qiáng)度和光周期三個方面，即“光配方”。在太陽光中，只有5%左右的不同波長的光對光合作用產(chǎn)生影響，大量的光不能被植物利用。紅光、藍(lán)光是植物正常生長發(fā)育的必須光質(zhì)，在紅藍(lán)光基礎(chǔ)上添加一些特殊光質(zhì)成分，可有效地促進(jìn)農(nóng)作物的增產(chǎn)或刺激藥用植物有效次生代謝物質(zhì)的大量積累。在一定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，植物的光合速率隨光照強(qiáng)度的增加而加速。但也不是可以一味地提高光照強(qiáng)度，過高的光照一方面導(dǎo)致光抑制現(xiàn)象，影響產(chǎn)量和品質(zhì)；另一方面也浪費(fèi)了大量的電能，增加投資成本。在平衡產(chǎn)量、品質(zhì)與能耗的關(guān)系上，往往要同時考慮光照強(qiáng)度和光照時間，針對每一種蔬菜或者每一個發(fā)育階段，滿足其每日的光需量。適宜的光照強(qiáng)度和光照時間在保證產(chǎn)量和節(jié)省成本方面能起到事半功倍的作用。

為了更好地促進(jìn)植物的生長發(fā)育，以及提高產(chǎn)量、品質(zhì)等特殊指標(biāo)，通過定制的光配方來實現(xiàn)植物工廠內(nèi)的光環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控。根據(jù)植物的生長環(huán)境區(qū)別設(shè)計，選取對光合作用貢獻(xiàn)最大的光往往在提高光能利用效率和增產(chǎn)的同時，更節(jié)能。更為理想的“光配方”應(yīng)該是在一個完全封閉的環(huán)境中，像工業(yè)生產(chǎn)一樣去種植作物。定制的“光配方”意味著更快的生長速度、更高的產(chǎn)量和更優(yōu)秀的品質(zhì)。

安溪縣中科三安植物工廠栽培車間

植物工廠內(nèi)種植的生菜、小白菜等，20天左右就能收獲，而露地栽培則需要30到40天。

據(jù)了解，商業(yè)化植物工廠的成本分為一次性投資、設(shè)備折舊、生產(chǎn)管理三個方面。植物工廠的建設(shè)成本與建設(shè)規(guī)模有關(guān)，規(guī)模越大單位建設(shè)成本越低。在植物工廠的應(yīng)用推廣方面，降低建設(shè)成本、開發(fā)新材料、利用新能源、提高產(chǎn)量、用高自動化設(shè)備降低人工使用數(shù)量都是未來植物工廠提質(zhì)增效的重要途徑。

業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，植物工廠技術(shù)的突破將會解決人類發(fā)展面臨的諸多瓶頸，甚至可以實現(xiàn)在荒漠、戈壁、海島、水面等非可耕地，以及在城市的摩天大樓里進(jìn)行正常生產(chǎn)。利用取之不盡的太陽能和其他各種清潔能源，加上一定的種子、水源和礦物質(zhì)營養(yǎng)，就可源源不斷地為人類生產(chǎn)所需要的農(nóng)產(chǎn)品。因此，植物工廠被認(rèn)為是21世紀(jì)解決糧食安全、人口、資源、環(huán)境問題的重要途徑，也是未來航天工程、月球和其他星球探索過程中實現(xiàn)食物自給的重要手段。