植物工廠的國家戰略需求及其產業的前沿科技創新

文|李紹華

目前，全球人口已達80億，聯合國發布的《世界人口展望2022》報告預測，到2059年全球人口可能突破100億。當今的資源與人口矛盾已十分突出，已有近10億的饑餓人口，這就意味著30年內需要增加58%的糧食產能，才能解決全球的糧食安全問題。

我國是全球人口的第一大國，約占世界總人口的18%，但擁有耕地只占全球的7%，人均耕地不及世界平均耕地面積的50%，人口與資源矛盾更加尖銳。2021年我國谷物進口達1.65億噸, 較2020年增長了18%，約為國產的6.83億噸谷物的1/4。并且隨著我國人民生活水平的進一步提高，肉蛋奶消費量增加必將導致人均谷物類糧食消費量的持續增加（我國人均谷物類糧食消費從20世紀90年代的300 kg增長到了當今的550 kg，增加部分主要用作了畜禽類養殖的飼料）?？梢灶A見，即使守住我國18億畝農業耕地的紅線，我國谷物類糧食的生產與消費的缺口仍將會繼續擴大。此外，我國過度使用化肥與農藥，占全球使用量1/3以上，環境嚴重污染的同時，也帶來了突出的食品安全問題。

植物工廠又稱為室內農業，也就是在房子里種莊稼，是一個在人工條件下生長環境全智能控制的室內植物高效生產系統。它不依賴陽光，不需要土壤，不受氣候環境制約，解脫了自然生態束縛，使包括極地在內的地球陸地上任何地方都可能從事農業生產，也使滿足人類未來移居太空其他星球的太空之旅的糧食需求成為可能，因此它屬于顛覆傳統農業的新興戰略產業；植物工廠內對植物生長的溫度、濕度、光照、CO2濃度（在一定范圍內，植物光合效率因環境CO2濃度提高而增加，實現增產，因此也被稱為CO2肥）以及營養液（植物生長發育必需的礦物質營養）等環境條件進行自動控制，給予植物生產的最佳條件，大幅度縮短植物生產周期并提高產量，實現全年穩定的連續生產，從而大幅度提高單位面積上的生產效率；由于對生產環境，包括有害生物（昆蟲與病原微生物）、水、空氣的嚴格管控，生產環境中不存在病蟲害，生產中不需要使用農藥，化肥的使用量僅為我國傳統農業的1/65，且杜絕了重金屬和任何其他污染物的污染，加上提供了生產優質產品的最佳條件，植物工廠可以實現高品質（高衛生安全品質和高食用品質）農產品的穩定生產；植物工廠屬于垂直農業，它可以在一間房子里進行多層農作物的生產栽培（采用倉貯式生產方式在同一空間內可以輕松實現10層、20層作物栽培），也可以建成數十層乃至上百層建筑物的植物工廠，實現向高空發展的垂直立體農業，故可以在一塊地表上獲得相當于傳統農業成千上萬倍的收成。因此，面對人口與資源矛盾、環境污染與食品安全等重大問題，植物工廠不僅對解決全球的資源與人口矛盾具有重要的戰略意義，也是我國發展“18億畝耕地外的大農業”、成為解決我國大糧食安全和食品安全的重要途徑之一。

現代商業化植物工廠發展是隨著藍光LED燈具的面市才發展起來的，時間很短，僅僅有十多年的歷史。但植物工廠生產屬于真正的現代農業，它采用工業化方式進行農業生產，成為農業生產的一場革命。由于植物工廠生產采用的是工業化方式，需生物學、作物栽培學、設施農業學、建筑工程學、環境控制學、材料科學和計算機科學等多學科交叉融合才能真正實現產業化，而植物工廠對于絕大多數的學科來講都是一個全新的領域。因我國植物工廠發展起步晚，早期生產裝備與技術主要從日、美和歐洲的國家進口，存在諸多的卡脖子難題，嚴重阻礙了我國植物工廠產業的健康發展。

2015年成立的福建省中科生物股份有限公司（以下簡稱“中科生物”），是由有近百年歷史的我國首個生物學研究機構——中國科學院植物研究所與半導體照明工程龍頭企業三安集團共同創建。為促進植物工廠領域的科技創新和加快科技成果轉化，中科院植物研究所成立了植物工廠研發中心，并采用全新的產業合作機制，派駐專門的科技人員入住中科生物，全時進行植物工廠產業的科技創新。中科生物以植物研究所派駐的科技人員為骨干成立了光生物產業研究院，針對全球存在的產業問題，進行了大量的研發與技術創新。科技創新取得突出成績，過去5年里，申請專利超過500項，PCT專利占國內植物工廠領域數量的3/4，占國際同領域企業PCT專利數的45%。

在植物工廠裝備方面，模塊化整合生產系統是全球首套運用于建造植物工廠的臺套化裝備。該裝備采用全新的模組化工業設計理念，創制出占地面積僅為1.1 m2的“樂高玩具”式可進行任意組合的模組化植物生產系統成套裝備。該裝備適用于從低矮的生菜到水稻以及高大的西紅柿等多種作物生產，既可單套獨立運行，也可以多套并列運行，方便組建任意形狀和規模的植物工廠，已成為一個全球性的裝備；2018年構建了堆垛式模塊化超高層立庫生產系統，全球首次實現了植物生產全過程的機械化和自動化，2022年建成的第三代自動化植物工廠，成為全球首個無人植物工廠，解決了密集型農業產業勞動力需求量大導致的高生產成本的難題；已完成基礎研發的節能免分栽植物工廠自動生產系統和垂直液流植物生產系統也對未來植物工廠裝備發展具有重要的引領作用。前者能根據植物生長過程中的實際大小，通過非等距步進式自動位移并結合呈扇形分布的線性栽培槽，實現了免分栽條件下植物任何生長階段在栽培板表面的高覆蓋率，大幅度提高了作物接受光能的比率；后者顛覆了經典的營養液水平流動和作物水平栽培的生產系統理念，創制出雙面栽培板的垂直栽培槽的垂直均勻液流植物生產系統，攻克了水平生產系統裝備建造的植物工廠環境控制困難的瓶頸，并能大幅度提高植物栽種的容積率與植物工廠單位容積內的作物生產力。

“萬物生長靠太陽”，構建模擬“陽光”的LED照明燈具的植物生產專用光譜成為植物工廠的核心技術之一。在專用光配方方面，發現了430-440 nm較傳統的450nm藍光、680nm較660nm紅光對植物營養生長具有更大的促進作用，完全顛覆了根據植物葉綠素的陽光最大吸收峰最有利于植物生長的傳統理念；紅光和遠紅光有利于產品的糖積累以及對促進植物的提早開花和增加開花數量的作用以及505-545 nm綠光和670-685nm紅光對次生代謝產物合成積累的調控作用的發現，對于瓜果與藥用植物的高產優產具有重要的價值。開發出基于滿足果、菜、花、糧食作物和藥用植物等多種作物育苗、營養與生殖生長、次生代謝產物和品質調控的80余種專用光配方的五大類植物照明燈具，光環境調控技術處于國際領跑地位。

植物栽培

保障必需礦物質營養元素的均衡供給是植物工廠的又一個核心技術。研發出十余種高效優質專用營養液配方，開發出適合不同作物、不同應用場景的三大類營養液產品，部分營養液填補植物工廠作物生產的空白。產品穩定性好，在植物工廠里應用，作物的產量高、品質好，尤其是藥用植物的次生代謝產物含量高且穩定。在作物栽培技術與生產模式上有重大突破。除葉菜類蔬菜外，實現了瓜果類蔬菜、花卉、西甜瓜、果樹、藥用植物等十幾種作物在植物工廠內生產，很多種類都屬于國際植物工廠產業化空白。

植物工廠研發與產業化狀態，是衡量一個國家農業高技術水平的重要標志，植物工廠產業化任重道遠，仍需要我們的科技人員與企業持續進行科技創新，從而實現引領全球產業發展的目標，為滿足我國國家戰略需求、乃至于為解決全球人口資源矛盾作出貢獻。