本刊記者|王旭芳

智能植物工廠讓都市田園夢不再遙遠

本刊記者|王旭芳

項目成果：智能植物工廠能效提升與營養(yǎng)品質調控關鍵技術

課題單位：中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所

智能植物工廠是一種通過設施內高精度的環(huán)境控制實現(xiàn)農作物周年連續(xù)生產的高效農業(yè)系統(tǒng)，是由計算機對植物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境條件進行自動控制，不受或很少受自然條件制約的全新生產方式。

都市白領都有一個田園夢，最好這片田園在觸手可及的地方，比如陽臺上種植各種果蔬，可以隨意采摘，隨時享用，安全又省心。如果去超市買菜，就像去休閑農莊采摘一樣，現(xiàn)摘現(xiàn)買，親手體驗一下現(xiàn)代農業(yè)。智能植物工廠的誕生，使這些美好的田園夢想不再遙遠。

什么是智能植物工廠？

“十二五”期間，我國第一例以智能控制為核心的數(shù)字植物工廠研制成功, 為我國農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展邁出重要的一步。據(jù)智能型數(shù)字植物工廠課題組組長、我國數(shù)字植物工廠研究的創(chuàng)始人、中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所楊其長研究員介紹，智能植物工廠是一種通過設施內高精度的環(huán)境控制實現(xiàn)農作物周年連續(xù)生產的高效農業(yè)系統(tǒng)，是由計算機對植物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境條件進行自動控制，不受或很少受自然條件制約的全新生產方式。

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(yè)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(fā)達國家不會輕易讓其他對手掌握，必須依靠自主研發(fā)。據(jù)楊其長研究員介紹，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(tǒng)結構、營養(yǎng)液栽培與環(huán)境控制等一些關鍵技術方面取得了重要進展。

楊其長研究員認為，植物工廠之所以受到世界各國的高度關注，原因是多方面的，概括起來主要有以下幾個方面：一是全球人口的快速增長，可用耕地的不斷減少，如何利用有限的耕地滿足人們日益增長的對食物的需求已經(jīng)成為全球性難題；二是隨著城市化的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對潔凈安全農產品的需求越來越迫切；三是農業(yè)從業(yè)人口老齡化，年輕人不愿務農的現(xiàn)象日趨嚴重，吸引年輕人務農已經(jīng)成為全球面臨的重大課題。植物工廠恰恰提供了解決上述問題的可能途徑，其主要優(yōu)勢包括：（1）作物生產過程不受外界環(huán)境的影響，可實現(xiàn)周年按計劃均衡生產、穩(wěn)定供給。（2）單位面積產量和資源利用率高。葉菜一年可收獲15～18茬，而且可多層立體栽培，LED植物工廠栽培層數(shù)可達18層以上，產量為露地栽培的40倍以上。（3）機械化、自動化程度高，工作環(huán)境相對舒適。（4）不施用農藥，產品潔凈安全無污染。（5）可在非可耕地上生產，不受或很少受土地的限制。（6）可建在城市周邊或市區(qū)，就近生產、就近銷售，大大縮短產地到市場的運輸距離，減少物流成本和碳排放。植物工廠的這些顯著特征為世界各國解決人口增長、資源緊缺、安全食品需求旺盛以及新時代勞動力不足等難題提供了有效的技術途徑，因而受到廣泛重視。

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，“植物工廠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(fā)展方向”，楊其長研究員說，“大力推動植物工廠高技術產業(yè)的發(fā)展符合我國長期的戰(zhàn)略部署?！?/p>

智能植物工廠關鍵技術取得重大突破

由于存在系統(tǒng)能耗大、運行成本高等突出瓶頸，智能植物工廠的大規(guī)模應用仍受到一定限制。如何突破植物工廠系統(tǒng)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(tǒng)能耗、提升蔬菜品質并實現(xiàn)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(xiàn)植物工廠快速普及與推廣的關鍵。針對植物工廠在節(jié)能降耗、提質增效等方面的迫切技術需求，中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所聯(lián)合國內優(yōu)勢科研單位歷經(jīng)12年的潛心研究，取得了多項原創(chuàng)性成果，實現(xiàn)了植物工廠核心技術的重大突破。

1．發(fā)明了植物工廠LED節(jié)能光環(huán)境調控技術。創(chuàng)制出以植物光配方優(yōu)化參數(shù)為基礎、以AIGaInP紅光660納米芯片與InGaN藍光450納米芯片為核心的多光質組合(R/G/B/FR) LED節(jié)能光源，并開發(fā)出基于植株發(fā)育特征的水平與垂直方向可移動式LED動態(tài)光環(huán)境調控技術，解決了植物工廠光源能耗大的難題。與熒光燈相比，節(jié)能率達62%以上。

2．發(fā)明了植物工廠光-溫耦合節(jié)能環(huán)境控制技術。針對植物工廠人工光既發(fā)光又發(fā)熱，以及秋、冬、春季節(jié)夜晚室外空氣具有冷源的特征，提出了在這些季節(jié)將光期置于夜晚、暗期置于白天，利用光期光源散發(fā)的熱量為植物工廠增溫的“光-溫耦合節(jié)能環(huán)境調控”思想，并創(chuàng)制出基于室外冷源與空調協(xié)同調溫的“光-溫耦合”節(jié)能環(huán)境控制系統(tǒng)及裝備。與傳統(tǒng)空調降溫相比，實現(xiàn)節(jié)能24.6%～63.0%。

3．發(fā)明了植物工廠UV-納米TiO2營養(yǎng)液自毒物質協(xié)同消除及蔬菜品質提升技術。針對植物工廠營養(yǎng)液栽培系統(tǒng)自毒物質累積、常規(guī)方法不易去除的突出問題，發(fā)明了將UV（紫外）-納米TiO2結合處理營養(yǎng)液自毒物質的技術方法。在國際上首次提出并發(fā)明了采收前短期連續(xù)光照與營養(yǎng)液氮素水平調控相結合的蔬菜品質調控技術，可降低葉菜硝酸鹽含量30%以上，顯著提升維生素C和可溶性糖含量。

低碳智能家庭植物工廠

LED植物工廠

4．發(fā)明了基于物聯(lián)網(wǎng)的植物工廠智能化管控技術。在探明人工光葉菜生長發(fā)育規(guī)律基礎上，構建了植物工廠作物高效栽培生長調控模型。通過將物聯(lián)網(wǎng)平臺與智能化管控技術相結合，實現(xiàn)對植物工廠營養(yǎng)與環(huán)境要素的在線檢測、遠端訪問、程序更新及其基于網(wǎng)絡的遠程智能化管控。

植物工廠與城市生活相結合

自2003年以來，歷經(jīng)12年的創(chuàng)新研發(fā)，楊其長研究員帶領科研團隊先后開發(fā)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，并在全國20多個省區(qū)及部隊的200多家單位應用，累計推廣面積620多萬平方米，市場占有率達85%以上，實現(xiàn)節(jié)約能耗2.8億度，經(jīng)濟效益達30.26億元。其中，具有顯著社會影響的應用項目包括：（1）國內第一個生產型植物工廠——“長春智能數(shù)字植物工廠”，由植物苗工廠和蔬菜工廠兩部分組成，以節(jié)能植物生長燈和LED為人工光源，智能化管控。該植物工廠建成后已累計接待國內外參觀人士600多萬人次，為中國植物工廠的普及起到了重要作用。（2）最早的展示型植物工廠——山東壽光LED植物工廠，每年與菜博會同期展出，累計接待觀眾800多萬人次。（3）商用植物工廠模式。先后推廣了數(shù)十個普及型商用植物工廠模式，包括：南京湯山翠谷智能數(shù)字植物工廠、遼寧沈陽小韓村蔬菜工廠等。（4）國際最早的家庭植物工廠——上海世博會“低碳智能家庭植物工廠”。世博會展出后，先后有150多萬人次參觀展覽，有力地推動了家庭植物工廠的普及推廣。（5）島礁植物工廠。應中國人民解放軍海軍的要求，項目單位先后為南沙群島的4個島礁研制成功島礁植物工廠，采用LED與光伏發(fā)電、多層立體水耕栽培、智能化管控等技術，全年為守島官兵提供新鮮蔬菜，該技術2011年獲全軍農副業(yè)推廣特等獎。

城市居民既有對潔凈安全蔬菜的物質需求，也有對構建“綠色空間”的精神需求。植物工廠可以與城市家庭、社區(qū)、學校、醫(yī)院、賓館、餐廳、購物廣場和超市等相結合，形成不同規(guī)格、不同型式的植物工廠產品，讓植物工廠在城市中無所不在，形成分布式、網(wǎng)絡化都市植物工廠應用體系，在為城市居民就近提供新鮮蔬菜的同時，還能營造舒緩心情的綠色生態(tài)空間。植物工廠與現(xiàn)代城市的結合，必將會顯著提升植物工廠的經(jīng)濟效益和社會效益。

相關鏈接

智能植物工廠能效提升與營養(yǎng)品質調控關鍵技術項目成果先后獲授權發(fā)明專利26件，其中國際發(fā)明專利4件，實用新型專利52件。發(fā)表論文81篇（SCI、EI23篇），出版專著3部。