文|李紹華

目前，全球人口已達80億，聯(lián)合國發(fā)布的《世界人口展望2022》報告預(yù)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(nèi)需要增加58%的糧食產(chǎn)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?cè)丝诘?8%，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(chǎn)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(dǎo)致人均谷物類糧食消費量的持續(xù)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(yǎng)殖的飼料）?？梢灶A(yù)見，即使守住我國18億畝農(nóng)業(yè)耕地的紅線，我國谷物類糧食的生產(chǎn)與消費的缺口仍將會繼續(xù)擴大。此外，我國過度使用化肥與農(nóng)藥，占全球使用量1/3以上，環(huán)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(nèi)農(nóng)業(yè)，也就是在房子里種莊稼，是一個在人工條件下生長環(huán)境全智能控制的室內(nèi)植物高效生產(chǎn)系統(tǒng)。它不依賴陽光，不需要土壤，不受氣候環(huán)境制約，解脫了自然生態(tài)束縛，使包括極地在內(nèi)的地球陸地上任何地方都可能從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也使?jié)M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(tǒng)農(nóng)業(yè)的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)；植物工廠內(nèi)對植物生長的溫度、濕度、光照、CO2濃度（在一定范圍內(nèi)，植物光合效率因環(huán)境CO2濃度提高而增加，實現(xiàn)增產(chǎn)，因此也被稱為CO2肥）以及營養(yǎng)液（植物生長發(fā)育必需的礦物質(zhì)營養(yǎng)）等環(huán)境條件進行自動控制，給予植物生產(chǎn)的最佳條件，大幅度縮短植物生產(chǎn)周期并提高產(chǎn)量，實現(xiàn)全年穩(wěn)定的連續(xù)生產(chǎn)，從而大幅度提高單位面積上的生產(chǎn)效率；由于對生產(chǎn)環(huán)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(chǎn)環(huán)境中不存在病蟲害，生產(chǎn)中不需要使用農(nóng)藥，化肥的使用量僅為我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)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(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的最佳條件，植物工廠可以實現(xiàn)高品質(zhì)（高衛(wèi)生安全品質(zhì)和高食用品質(zhì)）農(nóng)產(chǎn)品的穩(wěn)定生產(chǎn)；植物工廠屬于垂直農(nóng)業(yè)，它可以在一間房子里進行多層農(nóng)作物的生產(chǎn)栽培（采用倉貯式生產(chǎn)方式在同一空間內(nèi)可以輕松實現(xiàn)10層、20層作物栽培），也可以建成數(shù)十層乃至上百層建筑物的植物工廠，實現(xiàn)向高空發(fā)展的垂直立體農(nóng)業(yè)，故可以在一塊地表上獲得相當于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)成千上萬倍的收成。因此，面對人口與資源矛盾、環(huán)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(zhàn)略意義，也是我國發(fā)展“18億畝耕地外的大農(nóng)業(yè)”、成為解決我國大糧食安全和食品安全的重要途徑之一。

現(xiàn)代商業(yè)化植物工廠發(fā)展是隨著藍光LED燈具的面市才發(fā)展起來的，時間很短，僅僅有十多年的歷史。但植物工廠生產(chǎn)屬于真正的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，它采用工業(yè)化方式進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一場革命。由于植物工廠生產(chǎn)采用的是工業(yè)化方式，需生物學(xué)、作物栽培學(xué)、設(shè)施農(nóng)業(yè)學(xué)、建筑工程學(xué)、環(huán)境控制學(xué)、材料科學(xué)和計算機科學(xué)等多學(xué)科交叉融合才能真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而植物工廠對于絕大多數(shù)的學(xué)科來講都是一個全新的領(lǐng)域。因我國植物工廠發(fā)展起步晚，早期生產(chǎn)裝備與技術(shù)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(chǎn)業(yè)的健康發(fā)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(xué)研究機構(gòu)——中國科學(xué)院植物研究所與半導(dǎo)體照明工程龍頭企業(yè)三安集團共同創(chuàng)建。為促進植物工廠領(lǐng)域的科技創(chuàng)新和加快科技成果轉(zhuǎn)化，中科院植物研究所成立了植物工廠研發(fā)中心，并采用全新的產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)的科技創(chuàng)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(chǎn)業(yè)研究院，針對全球存在的產(chǎn)業(yè)問題，進行了大量的研發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新。科技創(chuàng)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(nèi)植物工廠領(lǐng)域數(shù)量的3/4，占國際同領(lǐng)域企業(yè)PCT專利數(shù)的45%。

在植物工廠裝備方面，模塊化整合生產(chǎn)系統(tǒng)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(yè)設(shè)計理念，創(chuàng)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(chǎn)系統(tǒng)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(chǎn)，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(guī)模的植物工廠，已成為一個全球性的裝備；2018年構(gòu)建了堆垛式模塊化超高層立庫生產(chǎn)系統(tǒng)，全球首次實現(xiàn)了植物生產(chǎn)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(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)勞動力需求量大導(dǎo)致的高生產(chǎn)成本的難題；已完成基礎(chǔ)研發(fā)的節(jié)能免分栽植物工廠自動生產(chǎn)系統(tǒng)和垂直液流植物生產(chǎn)系統(tǒng)也對未來植物工廠裝備發(fā)展具有重要的引領(lǐng)作用。前者能根據(jù)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(jié)合呈扇形分布的線性栽培槽，實現(xiàn)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(jīng)典的營養(yǎng)液水平流動和作物水平栽培的生產(chǎn)系統(tǒng)理念，創(chuàng)制出雙面栽培板的垂直栽培槽的垂直均勻液流植物生產(chǎn)系統(tǒng)，攻克了水平生產(chǎn)系統(tǒng)裝備建造的植物工廠環(huán)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(nèi)的作物生產(chǎn)力。

“萬物生長靠太陽”，構(gòu)建模擬“陽光”的LED照明燈具的植物生產(chǎn)專用光譜成為植物工廠的核心技術(shù)之一。在專用光配方方面，發(fā)現(xiàn)了430-440 nm較傳統(tǒng)的450nm藍光、680nm較660nm紅光對植物營養(yǎng)生長具有更大的促進作用，完全顛覆了根據(jù)植物葉綠素的陽光最大吸收峰最有利于植物生長的傳統(tǒng)理念；紅光和遠紅光有利于產(chǎn)品的糖積累以及對促進植物的提早開花和增加開花數(shù)量的作用以及505-545 nm綠光和670-685nm紅光對次生代謝產(chǎn)物合成積累的調(diào)控作用的發(fā)現(xiàn)，對于瓜果與藥用植物的高產(chǎn)優(yōu)產(chǎn)具有重要的價值。開發(fā)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(yǎng)與生殖生長、次生代謝產(chǎn)物和品質(zhì)調(diào)控的80余種專用光配方的五大類植物照明燈具，光環(huán)境調(diào)控技術(shù)處于國際領(lǐng)跑地位。

植物栽培

保障必需礦物質(zhì)營養(yǎng)元素的均衡供給是植物工廠的又一個核心技術(shù)。研發(fā)出十余種高效優(yōu)質(zhì)專用營養(yǎng)液配方，開發(fā)出適合不同作物、不同應(yīng)用場景的三大類營養(yǎng)液產(chǎn)品，部分營養(yǎng)液填補植物工廠作物生產(chǎn)的空白。產(chǎn)品穩(wěn)定性好，在植物工廠里應(yīng)用，作物的產(chǎn)量高、品質(zhì)好，尤其是藥用植物的次生代謝產(chǎn)物含量高且穩(wěn)定。在作物栽培技術(shù)與生產(chǎn)模式上有重大突破。除葉菜類蔬菜外，實現(xiàn)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(nèi)生產(chǎn)，很多種類都屬于國際植物工廠產(chǎn)業(yè)化空白。

植物工廠研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化狀態(tài)，是衡量一個國家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標志，植物工廠產(chǎn)業(yè)化任重道遠，仍需要我們的科技人員與企業(yè)持續(xù)進行科技創(chuàng)新，從而實現(xiàn)引領(lǐng)全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目標，為滿足我國國家戰(zhàn)略需求、乃至于為解決全球人口資源矛盾作出貢獻。