智能植物工廠讓都市田園夢不再遙遠

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(zhì)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)

課題單位：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)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(shè)施內(nèi)高精度的環(huán)境控制實現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)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(chǎn)方式。

都市白領(lǐng)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(nóng)莊采摘一樣，現(xiàn)摘現(xiàn)買，親手體驗一下現(xiàn)代農(nóng)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(nóng)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(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)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(shè)施內(nèi)高精度的環(huán)境控制實現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)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(chǎn)方式。

植物工廠的顯著特征是技術(shù)的高度集成與應(yīng)用，因此又被認為是衡量一個國家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標志，就像航天工程、磁懸浮、大飛機等技術(shù)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(jié)構(gòu)、營養(yǎng)液栽培與環(huán)境控制等一些關(guān)鍵技術(shù)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(guān)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?nèi)找嬖鲩L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(nóng)產(chǎn)品的需求越來越迫切；三是農(nóng)業(yè)從業(yè)人口老齡化，年輕人不愿務(wù)農(nóng)的現(xiàn)象日趨嚴重，吸引年輕人務(wù)農(nóng)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(chǎn)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(chǎn)、穩(wěn)定供給。（2）單位面積產(chǎn)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(chǎn)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(nóng)藥，產(chǎn)品潔凈安全無污染。（5）可在非可耕地上生產(chǎn)，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(chǎn)、就近銷售，大大縮短產(chǎn)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(shù)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(wù)艱巨，“植物工廠單位面積產(chǎn)量可達露地生產(chǎn)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(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展符合我國長期的戰(zhàn)略部署。”

智能植物工廠關(guān)鍵技術(shù)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(yīng)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(guān)鍵技術(shù)瓶頸，大幅度降低人工光源與空調(diào)系統(tǒng)能耗、提升蔬菜品質(zhì)并實現(xiàn)植物工廠的智能化管控，構(gòu)建“低碳、智能、高效”的植物工廠生產(chǎn)技術(shù)體系，是實現(xiàn)植物工廠快速普及與推廣的關(guān)鍵。針對植物工廠在節(jié)能降耗、提質(zhì)增效等方面的迫切技術(shù)需求，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所聯(lián)合國內(nèi)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(shù)的重大突破。

1．發(fā)明了植物工廠LED節(jié)能光環(huán)境調(diào)控技術(shù)。創(chuàng)制出以植物光配方優(yōu)化參數(shù)為基礎(chǔ)、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(zhì)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(diào)控技術(shù)，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(shù)。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(diào)控”思想，并創(chuàng)制出基于室外冷源與空調(diào)協(xié)同調(diào)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(diào)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(zhì)協(xié)同消除及蔬菜品質(zhì)提升技術(shù)。針對植物工廠營養(yǎng)液栽培系統(tǒng)自毒物質(zhì)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(jié)合處理營養(yǎng)液自毒物質(zhì)的技術(shù)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(diào)控相結(jié)合的蔬菜品質(zhì)調(diào)控技術(shù)，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(shù)。在探明人工光葉菜生長發(fā)育規(guī)律基礎(chǔ)上，構(gòu)建了植物工廠作物高效栽培生長調(diào)控模型。通過將物聯(lián)網(wǎng)平臺與智能化管控技術(shù)相結(jié)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(luò)的遠程智能化管控。

植物工廠與城市生活相結(jié)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(lǐng)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(chǎn)品，并在全國20多個省區(qū)及部隊的200多家單位應(yīng)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(yīng)用項目包括：（1）國內(nèi)第一個生產(chǎn)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(nèi)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(yīng)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(shù)，全年為守島官兵提供新鮮蔬菜，該技術(shù)2011年獲全軍農(nóng)副業(yè)推廣特等獎。

城市居民既有對潔凈安全蔬菜的物質(zhì)需求，也有對構(gòu)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(xué)校、醫(yī)院、賓館、餐廳、購物廣場和超市等相結(jié)合，形成不同規(guī)格、不同型式的植物工廠產(chǎn)品，讓植物工廠在城市中無所不在，形成分布式、網(wǎng)絡(luò)化都市植物工廠應(yīng)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(jié)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(guān)鏈接

智能植物工廠能效提升與營養(yǎng)品質(zhì)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)項目成果先后獲授權(quán)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。