植物工廠是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級(jí)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(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

5月16日，由中國(guó)科技部支持的首個(gè)中國(guó)-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(jiǎn)化節(jié)能日光溫室。此舉標(biāo)志著中國(guó)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(jí)階段，世界上第一家植物工廠于1957年在丹麥誕生，1974年以來(lái)，人多地少的日本大力發(fā)展植物工廠。我國(guó)從2004年開始嘗試建設(shè)植物工廠，2015年以來(lái)，這一生產(chǎn)模式在我國(guó)獲得快速發(fā)展。

顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式

俗話說(shuō)，萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)。如果沒(méi)有陽(yáng)光和土壤，蔬菜還能茁壯成長(zhǎng)嗎？福建省中科生物股份有限公司（簡(jiǎn)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(dú)特的營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)、專業(yè)的栽培技術(shù)，讓各種果蔬作物實(shí)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(yíng)養(yǎng)液里，沒(méi)有半點(diǎn)土壤……

“植物工廠是生長(zhǎng)環(huán)境——溫度、濕度、光照和營(yíng)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(zhǎng)不受自然環(huán)境制約，它們所需要的光照和營(yíng)養(yǎng)液，都是根據(jù)不同生長(zhǎng)時(shí)期的需求進(jìn)行配置的?！敝锌迫部偨?jīng)理占卓說(shuō)。

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(guó)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(xiàng)目，植物研究所以知識(shí)產(chǎn)權(quán)形式出資占比10%。

在占卓看來(lái)，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(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同推動(dòng)中國(guó)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(duì)，與三安集團(tuán)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)共同專注于植物光源、營(yíng)養(yǎng)液等領(lǐng)域的研究。研發(fā)團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了將近一年的時(shí)間，研發(fā)出了三代植物營(yíng)養(yǎng)液，這種營(yíng)養(yǎng)液的效能比國(guó)際上同期營(yíng)養(yǎng)液高出8—15個(gè)百分點(diǎn)。

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)?！皞鹘y(tǒng)的栽培架采用的是工程化方案，而我們的設(shè)計(jì)思路是模塊化方案，不僅制造成本低，使用起來(lái)也更加方便?！闭甲空f(shuō)。

經(jīng)過(guò)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(yíng)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(yíng)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(yíng)養(yǎng)液，并從200多種試驗(yàn)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(wàn)平方米的全智能控制的植物工廠，這也是當(dāng)時(shí)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(wàn)平方米的植物工廠，預(yù)計(jì)今年完成。

中科三安總經(jīng)理助理李鵬介紹，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度及營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行智能控制，植物工廠克服作物對(duì)生產(chǎn)季節(jié)、氣候等自然條件的依賴，可以實(shí)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(shí)現(xiàn)了盈利。

2018年6月份，中科三安二期項(xiàng)目正式落成，基于AI人工智能的自動(dòng)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(cè)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(wàn)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(guò)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(gè)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目。

早晨8點(diǎn)，45歲的秦鵬準(zhǔn)時(shí)來(lái)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?！叭松砩系膲m土里可能含有蟲卵，必須吹干凈，以防止把病蟲害帶進(jìn)去?！彼f(shuō)。

“植物工廠”科技感十足，1萬(wàn)多平方米的廠房被籠罩在一個(gè)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(shí)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(yáng)光中對(duì)植物有害的強(qiáng)紫外線過(guò)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?！鼻伫i介紹說(shuō)。

為大幅提高種苗的存活率，種子在育苗階段被單獨(dú)分離出來(lái)，先被放進(jìn)一個(gè)密封的育苗箱，進(jìn)行一個(gè)星期左右的育苗?！坝缦淠茏詣?dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)。”秦鵬表示。

種苗成熟后，工作人員會(huì)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(yíng)養(yǎng)液中，營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)均衡配比，各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)都達(dá)到最適宜蔬菜生長(zhǎng)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(zhǎng)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(huì)超過(guò)四茬?！本〇|植物工廠負(fù)責(zé)人趙磊說(shuō)，“由于種每茬菜的營(yíng)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?！?/p>

不僅是北京，近年來(lái)，深圳、蘇州、泉州、大連、長(zhǎng)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(guó)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(shì)愈發(fā)明顯。

“隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)食品安全的要求日益強(qiáng)烈。植物工廠種植的蔬菜無(wú)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(chǎng)潛力巨大?！壁w磊說(shuō)，“此外一座1萬(wàn)多平方米的植物工廠，僅需八名工人，可以大大降低勞動(dòng)力成本，提高利潤(rùn)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(gè)品種，每天采摘的蔬菜都會(huì)銷售一空。未來(lái)將繼續(xù)努力擴(kuò)大規(guī)模，改進(jìn)技術(shù)，推動(dòng)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(jí)階段

據(jù)介紹，植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級(jí)階段，通過(guò)對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的高精度控制，植物的生長(zhǎng)幾乎不受自然條件的制約，生長(zhǎng)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(gè)月到40天。除了生長(zhǎng)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(diǎn)。

植物工廠采用循環(huán)流動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)液來(lái)滿足植物的生長(zhǎng)，不管何種類型的植物工廠，營(yíng)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(yíng)養(yǎng)液，通過(guò)輸送，滿足栽培作物的需求。營(yíng)養(yǎng)液提供了植物生長(zhǎng)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(méi)有必要使用土壤栽培。無(wú)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(zhǎng)比土培快很多，安全性的管控也更加有效。

植物工廠的營(yíng)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(lái)完成，可實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液定量、自動(dòng)供應(yīng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控營(yíng)養(yǎng)液濃度、成分、酸堿度變化，通過(guò)自動(dòng)補(bǔ)液，始終為植物創(chuàng)造最優(yōu)的營(yíng)養(yǎng)液環(huán)境；營(yíng)養(yǎng)液的流動(dòng)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(shì)生長(zhǎng)。

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(diǎn)，正在成為植物生產(chǎn)過(guò)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(gè)方面，即“光配方”。在太陽(yáng)光中，只有5%左右的不同波長(zhǎng)的光對(duì)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(zhǎng)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(guò)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(shí)考慮光照強(qiáng)度和光照時(shí)間，針對(duì)每一種蔬菜或者每一個(gè)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(shí)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(zhǎng)發(fā)育，以及提高產(chǎn)量、品質(zhì)等特殊指標(biāo)，通過(guò)定制的光配方來(lái)實(shí)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(zhǎng)環(huán)境區(qū)別設(shè)計(jì)，選取對(duì)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(shí)，更節(jié)能。更為理想的“光配方”應(yīng)該是在一個(gè)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(zhǎng)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(gè)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(dòng)化設(shè)備降低人工使用數(shù)量都是未來(lái)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(huì)解決人類發(fā)展面臨的諸多瓶頸，甚至可以實(shí)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(yáng)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(yíng)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(wèn)題的重要途徑，也是未來(lái)航天工程、月球和其他星球探索過(guò)程中實(shí)現(xiàn)食物自給的重要手段。