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從《火星救援》到植物工廠

日期:2016-7-25 12:08:58 人氣:

植物工廠是用高科技打造的現代農業可持續生產系統。在這個生產系統中,采用立體栽培技術進行周年生產,植物產量是傳統農業產量的幾十倍甚至上百倍,產出的植物品質達到綠色甚至有機品質。目前世界上僅有日本、美國和荷蘭等少數發達國家掌握這項技術,其中日本科技企業建設有大量植物工廠。

我國植物工廠發展時間尚短,還處于科研、試驗、示范階段。但植物工廠作為一種新興農業生產模式,已經開始在花卉、蔬菜等品種的栽培中使用并被越來越多人接受。未來隨著中國農業產業環境的變化、城市人口的增加以及植物工廠應用成本進一步降低,植物工廠有望迎來發展的黃金期。

從《火星救援》到植物工廠

電影《火星救援》中有這樣一幕:宇航員馬克是一名植物學專家,當他被獨自遺留火星后,為了克服生存威脅,開始在沒有合適的土壤和空氣的情況下,一步步手動蓋起一座馬鈴薯生產工廠,用自己的排泄物和人造水澆灌土豆成長。最終孤身留在火星上的宇航員馬克在火星荒漠上種出了土豆,并靠種土豆、吃土豆生存500天。

看完《火星救援》后,很多人都開始想象如何在貧瘠的荒漠上依賴科學智慧養活自己。宇航員馬克在火星基地的室內鋪好火星土壤,生產出了寶貴的土豆。而在實際生活中,亦有人在高樓林立、寸土寸金的中國城市里建起了植物工廠。

臺灣人蕭俊丞從2013年起開始在北京CBD創建“植物工場”。這片位于東三環高檔寫字樓地下空間的“菜地”約50平方米,狹長的空間里整齊地擺放著一排四層高的貨架,通過直流冷光LED照明和流動的營養液來培養蔬菜,每月可收獲新鮮蔬菜一千斤。由于采用無塵車間生產,擺脫了土壤污染、水源污染和空氣污染,保證了蔬菜的品質,越來越多的人開始上門尋求合作。由于需求量大,蕭俊丞又在北京豐臺郭公莊建設了另外一座“植物工場”,以滿足越來越多企業、寫字樓、餐廳及家庭的要求。

在人們的印象中,中國有廣闊的土地,可以栽培大量的果蔬產品,好像植物種植與科技的距離還比較遙遠。但是真實的情況卻比較復雜。業內專家表示,我國大田露地農業生產系統雖然面積較大,但是其產能和穩定性卻一直較低。其中原因包括從農業生產資源的數量和質量上看,土地、水肥、人力資源的數量和質量都在下降。

另外,由于農業環境的污染、自然災害頻發、季節干擾大。大田農業受季節干擾很大,中國北方在冬季根本無法進行大田農業生產,還有就是即使使用溫室栽培,但是人為干預能力差。比如去年12 月下旬,受霧霾天氣影響,北京市昌平區溫室大棚光照普遍不足,草莓生長發育受到極大影響,上市時間比原計劃推遲了半個月左右。

基于上述原因,設施農業雖然在我國得到大力發展,但這種低端的設施農業,包括塑料大棚、日光溫室等,其產能和穩定性一直比較差,增產和穩產的潛力有限,那么如何才能人為控制光照、水分、養料、溫度等條件來提高果蔬產量和質量呢?結合目前人類已有的技術,解決辦法只能是發展“植物工廠”。

“植物工廠”的定義就是通過設施內高精度環境控制,來實現作物周年連續生產的系統,這個系統不受或很少受自然條件的制約,是一種高效農業生產方式。李克強總理2015 年提出,要“通過升級創新農業生產系統,提升農業裝備的級別,用工業的理念發展農業”,就是這個意思。只有通過這種方法,我們才能用有限的資源、有限的空間生產更多的糧食和食物。

4月20日,第十七屆中國(壽光)國際蔬菜科技博覽會在壽光開幕。其中十號展館的“植物工廠”就是一項樣板工程。該植物工廠是利用物聯網系統對植物生長的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度及營養液等環境條件進行實時監測和自動控制,使設施內植物生育不受或很少受自然條件制約的省力型生產。其智能精準采集系統可以實時無線采集溫度、濕度、土壤酸堿度、肥力指標、農殘等數據,智能節水節肥控制系統可根據土壤肥力指標、酸堿度等數據控制智能管控水閥。

另外,該工廠還將光伏太陽能發電應用到植物工廠中,除可作LED 植物補光系統外,還可應用到營養液循環系統、生物殺蟲燈和自動化控制系統等,有效降低植物工廠的成本。

日本科技企業大量建設植物工廠

植物工廠是一種新興農業生產模式,可廣泛用于花卉、蔬菜、藥材和食用菌種植栽培,目前這種技術主要被荷蘭、日本、美國等發達國家掌握,其特點是在高科技支撐下,作物栽培可以不受或者很少受外界自然條件制約。

據了解,植物工廠可以大幅提高單位土地利用率、產出率和經濟效益。由于自動化程度高,所以其還具有生產計劃性,使農產品安全無污染,生產操作省力。植物工廠可以在極端惡劣的環境條件進行生產,有利于農業擺脫資源與環境的限制,實現農業的可持續發展。因此,植物工廠被認為是21 世紀解決世界資源人口和環境問題的重要途徑,也是未來高科技工程( 如航天工程、海洋探索過程) 中實現食物自給的重要途徑。

在日本,由于人口老齡化日趨嚴重,植物工廠在日本獲得了廣泛應用。近年來,日本科技界建設了大量的植物工廠,東芝、富士通、松下、夏普等電子行業巨頭紛紛將閑置的工廠改裝為高科技溫室大棚,種植無菌蔬菜,很多電子工程師也隨之搖身一變,成為新時代“農夫”。

日本國民自古有吃生菜的習慣,而生菜等葉菜又特別適合在植物工廠內種植,一些有實力的公司便紛紛介入開發( 比如三菱、松下等),每年都有新技術推出。

以橫須賀東芝無塵室農場(Toshiba Clean Room Farm Yokosuka)為例,該農場位于神奈川縣橫須賀市,由原來的軟盤工廠內的四層建筑改建而成,占地面積近2000平方米。培育的綠葉蔬菜有散葉生菜、玻璃生菜、直立生菜、瑞士甜菜、雪菜、菠菜、芝麻菜等。該植物工廠從播種到栽培,工人會根據菜苗的成長階段,細心地為每株菜苗更換栽培棚。在播種階段,工人會將種子種在小盒子的海綿上,然后放在托盤的孔中。而在栽培階段,隨著植物的生長,小盒子會被換到孔間隔更大的托盤上。根據植物大小而改變栽培密度并更換到高度不同的栽培棚的方式可以更有效地利用空間。

另外,富士電機、松下、富士通等電子廠還努力將先進的傳感技術、制造技術運用在植物工廠,大幅降低農業生產成本。運用節能技術也成了中小企業進軍植物工廠的推動力,并計劃推展至新興國家,幫助其先進農業發展。比如富士通同Aeon子公司AeonAgriCreate 和日本國際合作機構(JICA),自2016年1月起在越南推動實驗植物農場,由富士通建構測量系統,設置數十個傳感器,實時測量天氣、土壤和成長狀況。AeonAgriCreate從中分析數據,透過網絡從日本遠程指導越南農民。

松下則在新加坡啟動了該國政府批準的首座室內蔬菜工廠。生產品種為紅葉生菜等10種蔬菜,年產量為3.6噸。該公司將與日本餐飲連鎖店“大戶屋”合作,向新加坡的店鋪供應該工廠生產的蔬菜。

夏普在迪拜建設了栽培草莓的植物工廠實驗樓,并已開始進行實驗。如今在發達國家,植物工廠已進入產業化階段,相關市場形成了制造和供應的產業鏈,企業可以方便地從零售渠道獲得種子、營養液、栽培用具和各種耗材進行種植。

全世界對“安全放心食品”的關注度越來越高,日本等很多高科技公司還打算將植物工廠培育成新的出口產業,并在海外新建大型植物工廠,同時銷售植物工廠使用的設備及系統。植物工廠對于日本制造業來也成為近年來新的經濟增長點。

中國:植物工廠正在大力推廣

不需土壤,無需陽光,蔬菜照樣生長,而且質量和產量都更好,因此植物工廠被稱為設施農業的最高級階段。在我國,植物工廠的興起和發展時間還比較短,大多數植物工廠還處于科研、試驗、示范階段。

據悉,植物工廠一般分為5級,它們按照發展流程如下:芽菜植物工廠→菌菇、藥用菌植物工廠→葉菜植物工廠→漿果、花卉植物工廠→中藥植物工廠。而我國的植物工廠一般處于第三級和第四級。

目前,在我國的北京、山東、江蘇、福建等地都有“植物工廠”在進行生產研發,種植品種包括生菜、西紅柿、油菜、葡萄、黃秋葵、辣椒等品種,以及一些高檔花卉種苗。

由北京市農業機械研究所和北京京鵬環球科技股份有限公司建立的京鵬植物工廠是我國第一座規模化的植物工廠。該植物工廠占地近1300平方米,內部分為四大區域:組培播種區、育(煉)苗區、生產收獲區和包裝貯藏區,配有人工光利用型、太陽光利用型、太陽光和人工光并用型等三種不同模式的植物工廠生產車間。京鵬植物工廠的檔次與水平目前已經處于國際先進水平,其技術的原創性和集成性特別高,如精準育苗生產線、移栽機器人、組培技術、采摘收獲機器人等。

2015年,我國首個自主研發的,立體式標準化植物工廠——農眾物聯植物工廠在北京市平谷區建成并投入運營。在北京市平谷馬坊工業園區,單體總面積2.6萬平方米的農眾物聯植物工廠共分三層,一層栽培高端食用菌,二層種植山野菜,三層主要種植茄果類蔬菜,同時兼有物聯網現代化農業應用成果展示,預計年產蔬菜瓜果約700萬公斤。

德州市首個植物工廠在齊河縣美東農業科技公司建成運營。該植物工廠采用水肥一體化設施,蔬菜生長在立體式栽培架上或塑料泡沫板里,完全浸泡在營養液中,植物生長期可縮短為30%-40%。

在寧波市杭州灣跨海大橋南翼,由寧波供銷集團投資千萬元打造的“植物夢工廠”正式建成投產,該植物工廠引進日本先進的太陽光利用型植物工廠系統,一年可以收割15-18次蔬菜,畝產量1.6萬公斤,按照目前40元/公斤的價格,每畝產值可達64萬元。

昆明立深新園生物科技有限公司建設了“云上蔬”植物工廠。目前,云上蔬植物工廠已經完成了66個品種篩選,每個月在以十幾個品種的速度在增長,從種源上保證蔬菜的口感。目前,植物工廠引進的品種包括生菜、芥菜、小松菜、京水菜、芝麻菜、菠菜、冰菜等,當地的品種包括豌豆尖、茼蒿、本地芹菜、薺菜、莧菜、紅油香椿等,此外還將開發益母草、板藍根、葉用三七、蒲公英、萊菔(葉用蘿卜)等藥用蔬菜。

2016年初,中國科學院植物研究所與國內LED龍頭企業——福建三安集團有限公司合作的LED植物工廠項目在安溪奠基開工。該項目計劃總投資70億元,總部年納稅超過2億元;2016年投資10億元,2017年投資20億元,達產后預計可實現產值80億元(蔬菜類20億元、自動化裝備30億元、深加工30億元),并將力爭用5年左右時間上市。

三安集團旗下核心企業三安光電掌握了成熟的植物生長照明技術,可全面應用于蔬菜、水果、花卉等農作物、中草藥及生物醫藥原料的生產。隨著中國農業產業環境的變化,城市化進程帶來的城市人口增加,蔬菜供應增大,而土地資源卻不斷減少;傳統的農業生產引發的環境負擔不斷增加。

據不完全統計,中國植物工廠每年增長規模30-40家。截至目前,我國已建植物工廠達120多家。據日本株式會社專家預計,中國植物工廠未來有望達到日本植物工廠10倍以上的規模。

投入比較高,成本問題亟待解決

植物工廠是現代農業的重要組成部分,代表著未來農業的發展方向。植物工廠技術的突破將會解決人類發展面臨的諸多瓶頸,甚至可以實現在荒漠、戈壁、海島、水面等非可耕地,以及在城市的摩天大樓里進行正常生產,被認為是21世紀解決糧食安全、人口、資源、環境問題的重要途徑,也是未來航天工程、月球和其他星球探索過程中實現食物自給的重要手段。

植物的生長離不開光照、水分、養料、適宜的溫度等。作為植物生長的車間,植物工廠本質上是對這些要素的集成控制。國外植物工廠發展相對成熟一些,但由于國外消費水平較高,所以其高投入也可以通過高消費來快速收回成本。但就國內的植物工廠來說,很多企業都反映植物工廠目前的投入成本太高,不利于推廣。

筆者了解發現,植物工廠成本比較大的原因主要包括兩個方面:

一是投入成本比較高。植物工廠是設施農業,需要通過人工光源、營養液設備和智能監控系統等外在硬件,以及對溫度、濕度和光照等環境的智能調控管理,而這些設施成本比較高。

第二是維護成本也同樣較高。一個一般規模的植物工廠建成需要幾十萬元甚至上百萬元的投入,維護成本每個月需要幾萬元,這在一定程度上的確影響了它的推廣。比如取代“太陽”的光照系統的LED補光系統,不僅前期投入較大,后期的能源消費也不可小覷。

另外由于我國地理環境復雜,氣候條件多樣,不同作物的生長所需要的光照、溫度、濕度和營養液等都不相同,同種作物在不同時期不同環境下的生長需求也不相同。所以在成果轉化與示范驗證層面,我國還需要建立典型氣候區植物工廠示范工程。

雖然北京、德州、無錫、寧波、昆明等地已經有了不同規模的植物工廠示范工程,但這些還遠遠不夠。我國亟需建立規模尺度差異性植物工廠示范工程,以及建立多種植物種類的植物工廠示范工程。示范工程的建立以及通過一年或者是幾年的運行,可以得到運行參數以便為我國植物工廠的標準化、推廣應用提供技術支撐。

此外,要進一步實現植物工廠的產業化,無論是從技術突破、標準檢測、降低成本,還是市場推廣等層面考慮,都迫切需要搭建協同創新的公共性服務平臺。

筆者了解到,廣東省半導體照明產業聯合創新中心聯合開展核心技術攻關,籌建了廣東現代農業(植物工廠)應用示范基地,致力于推動LED植物照明產品和設備的研發和示范推廣。此外中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所也建立了植物工廠技術推廣平臺。隨著各種技術應用成本的進一步降低,可以預見在不久的未來,植物工廠必將迎來發展黃金期。(作者:阮曉東)

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