在軍隊建設(shè)光伏型“蔬菜工廠”的現(xiàn)實需求及應(yīng)把握的關(guān)鍵點

周林斌，陳志雄，楊 軍，張 弘

（第一儲備資產(chǎn)管理局農(nóng)副業(yè)生產(chǎn)處，江蘇 南京 210016）

蔬菜工廠化生產(chǎn)是在人工控制環(huán)境的條件下，根據(jù)蔬菜的生理代謝特點及生長規(guī)律，充分利用自然資源，采用科學(xué)化、標準化的技術(shù)措施，運用機械化、自動化、智能化手段，使得蔬菜快速生長，達到優(yōu)質(zhì)、高效、批量的一種蔬菜生產(chǎn)方式。“蔬菜工廠”是生長環(huán)境條件全智能化控制的植物高效生產(chǎn)系統(tǒng)，是植物生產(chǎn)方式的一場革命，它顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不依賴陽光土壤、不受氣候環(huán)境制約，成為解決人口與資源矛盾、保障國家糧食安全、滿足食品安全及國防戰(zhàn)略需求的全新途徑。在邊防哨所等部隊，因受種植、氣候、運輸?shù)葪l件限制，難以保障新鮮蔬菜的供應(yīng)，為保障官兵鮮菜供應(yīng)而建設(shè)的蔬菜工廠又常因所在位置而缺少電力供應(yīng)，需要解決能源供給問題，光伏發(fā)電便成為首選。光伏型蔬菜工廠是以太陽能為主要能源，通過光伏發(fā)電系統(tǒng)供電的一種新型植物工廠，通過在蔬菜大棚上架設(shè)光伏發(fā)電設(shè)施供應(yīng)發(fā)電；同時，安裝在大棚上的太陽能電池板也可起到隔絕紅外線的作用，解決了傳統(tǒng)蔬菜大棚保溫、升溫問題，對極端環(huán)境具有更廣泛的適應(yīng)性。光伏型蔬菜工廠的誕生，不僅節(jié)約了能源，而且大大拓寬了蔬菜工廠建設(shè)的地理范圍，蔬菜工廠生產(chǎn)得以從都市走向沙漠。

為了探索在軍隊開展光伏型蔬菜工程運作模式及其發(fā)展路徑和前景，在南京建設(shè)了光伏型蔬菜工廠示范教學(xué)工程，本文總結(jié)了該模式的技術(shù)優(yōu)勢、軍隊建設(shè)光伏型蔬菜工廠的現(xiàn)實需求、光伏型蔬菜工廠的技術(shù)內(nèi)核，并分析了存在問題和制約因素，探究了光伏型蔬菜工廠在部隊邊遠駐地的推廣價值和發(fā)展前景。

1 我國光伏型蔬菜工廠發(fā)展情況

我國利用光伏等清潔能源進行設(shè)施農(nóng)業(yè)的研究起步較晚，但近年來發(fā)展較快。從2006年中國農(nóng)科院首次建成人工光利用型植物工廠系統(tǒng)，到2016年中國科學(xué)院植物研究所打造的大規(guī)模單體面積為10 000 m2的植物工廠投產(chǎn)，植物工廠越來越受到人們的關(guān)注[1]。2014年9月，國家能源局下發(fā)《關(guān)于進一步落實分布式光伏發(fā)電有關(guān)政策的通知》，直接把光伏農(nóng)業(yè)的建設(shè)提上日程。經(jīng)濟發(fā)達國家的蔬菜生產(chǎn)從土地耕整到收獲，大部分已實現(xiàn)了機械化，其蔬菜生產(chǎn)機械化發(fā)展特點可以概括為區(qū)域種植專業(yè)化、農(nóng)藝制度標準化、棚室設(shè)施大型化、動力平臺專用化、作業(yè)機具多樣化、生產(chǎn)全程機械化，并且已向自動化、智能化、信息化方向發(fā)展。發(fā)展光伏型蔬菜工廠既播種了綠色蔬菜，又收獲了清潔能源，大大提高了土地利用率，光伏蔬菜工廠的發(fā)展必將掀起中國光伏農(nóng)業(yè)史上的第二次革命[2]。

近年來，我國對大型玻璃溫室、水培蔬菜設(shè)施及人工光型葉菜蔬菜工廠的投資建設(shè)需求旺盛，從南到北已有多個投產(chǎn)和在建的大型設(shè)施項目頻繁被媒體報道。2015年以來逐漸形成了具備產(chǎn)業(yè)雛形的幾種不同商業(yè)模式，2015年12月，作為中國LED芯片大廠的福建三安集團與中國科學(xué)院植物研究所合作，共同發(fā)起成立了“福建省中科生物股份有限公司”，建設(shè)中科三安植物工廠，從光電產(chǎn)業(yè)跨界到“光生物”產(chǎn)業(yè)，成為中國LED生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)業(yè)化投資建設(shè)植物工廠的先例。成立于2015年的華星環(huán)球（深圳）農(nóng)業(yè)有限公司以室內(nèi)垂直農(nóng)場為主營業(yè)務(wù)，在2016年底建成占地面積為3 000 m2，設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模為日產(chǎn)10 000株生菜的喜萃植物工廠。陜西旭田光電農(nóng)業(yè)科技有限公司，2013年3月成立于陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新示范區(qū)，之后在全國開展人工光型葉菜工廠的自建自營和承建代營業(yè)務(wù)。蔬菜工廠產(chǎn)業(yè)跨界融合式發(fā)展也日漸凸顯，國內(nèi)先后有不少化妝品業(yè)界和生物醫(yī)藥提取界涉足人工光型植物工廠，以期達到利用植物工廠的高效生產(chǎn)達到靶向型物資生產(chǎn)的目的。

2 光伏型“蔬菜工廠”的技術(shù)優(yōu)勢

光伏型“蔬菜工廠”利用高效的LED照明技術(shù)、智能計算機和電子傳感系統(tǒng)對植物生長的溫度、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，實現(xiàn)全年穩(wěn)定的連續(xù)生產(chǎn)，下面根據(jù)光伏型“蔬菜工廠”的特點總結(jié)出以下幾點技術(shù)優(yōu)勢。

2.1 對自然環(huán)境依賴小

光伏型“蔬菜工廠”不需要土壤，任何能蓋房子的地方就能進行“蔬菜工廠”生產(chǎn)，且在任何自然環(huán)境下及不適宜植物生長的地方如沙漠化高溫區(qū)域，都能進行生產(chǎn)。

2.2 全年穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)

由于光伏型蔬菜工廠不需要土壤、不依賴自然環(huán)境條件，“蔬菜工廠”內(nèi)蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)不會隨季節(jié)和環(huán)境的變化而改變。在“蔬菜工廠”密閉生產(chǎn)空間內(nèi)，人工光源、溫度、濕度、CO2可人為控制，營造安全潔凈的最佳生長環(huán)境，蔬菜生長周期短，全年365 d連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)量高且穩(wěn)定。以葉菜類蔬菜生產(chǎn)為例，就1棟10層（每層高4 m）建筑的“蔬菜工廠”而言，其產(chǎn)量是相同面積的傳統(tǒng)大田的600倍。由于光與其他環(huán)境均為最適宜條件，和傳統(tǒng)大田生產(chǎn)相比較，“蔬菜工廠”生產(chǎn)的蔬菜風(fēng)味品質(zhì)更好。

2.3 資源利用率高，較傳統(tǒng)滴灌農(nóng)業(yè)節(jié)水上百倍

光伏型“蔬菜工廠”中的植物是通過吸收水中的營養(yǎng)成分來保證植物生長的需求，大部分水可循環(huán)利用，理論上講其水分利用效率超過90%。完全密閉的生產(chǎn)環(huán)境的水不會丟失在自然環(huán)境中，植物蒸騰及蒸發(fā)的水分能夠通過冷凝水的形式再利用；因此，即使相對于節(jié)水的滴灌農(nóng)業(yè)，其水利用效率仍可提高幾十乃至上百倍。

2.4 產(chǎn)品質(zhì)量安全有保障

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)殺蟲劑和農(nóng)藥的普遍使用導(dǎo)致農(nóng)藥殘留超標現(xiàn)象時常發(fā)生，環(huán)境污染問題越來越突出，重金屬與其他污染物也成為食品衛(wèi)生安全的隱患。由于“蔬菜工廠”屬于潔凈生產(chǎn)環(huán)境，采取嚴格控制病蟲進入“蔬菜工廠”內(nèi)的管理措施，讓植物生長在一個無病蟲的高度潔凈環(huán)境內(nèi)，有利于生產(chǎn)無農(nóng)藥、無重金屬、無致病菌污染的蔬菜，保障產(chǎn)品質(zhì)量安全。

2.5 有利于機械化與自動化管理

“蔬菜工廠”內(nèi)的植物生長整齊一致，且面積較大，易實現(xiàn)機械化和自動化管理，可大幅度減少勞動力的使用；適宜的環(huán)境條件（溫度與濕度）和機械化與自動化也使得整個勞動過程更輕松與舒適，使其成為吸引現(xiàn)代人從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要手段。

3 軍隊建設(shè)“蔬菜工廠”的現(xiàn)實需求

3.1 解決駐海島、戈壁、沙漠等部隊官兵吃菜難的問題

海島、戈壁、沙漠受土地（壤）等資源的制約，很難使用常規(guī)方式進行蔬菜生產(chǎn)?！笆卟斯S”采用無土栽培技術(shù)，用人工配制的營養(yǎng)液供給植物生長所需的各種礦物質(zhì)營養(yǎng)，并可根據(jù)需要調(diào)節(jié)其成分，只要光照、溫度適宜，便可進行蔬菜生產(chǎn)，可解決駐海島、戈壁、沙漠等部隊官兵吃菜難的問題。多年的實踐證明，大豆、菜豆、豌豆、馬鈴薯、甘藍、葉萵苣、番茄、黃瓜等作物都適合無土栽培。

3.2 解決無市電供應(yīng)部隊官兵吃菜難的問題

對于無市電供給的地區(qū)，采用光伏發(fā)電系統(tǒng)給“蔬菜工廠”供電，利用LED植物光譜技術(shù)，在凈化廠房內(nèi)進行蔬菜工廠化種植，一年四季可進行連續(xù)生產(chǎn)，可解決無市電供應(yīng)部隊官兵吃菜難的問題。

3.3 解決高海拔、低溫寒冷地區(qū)部隊官兵吃菜難的問題

由于采用自動化環(huán)境溫度控制及智能化裝備，保持“蔬菜工廠”室內(nèi)溫度常年在18～24 ℃，即使室外在-40 ℃的地區(qū)，也能進行蔬菜生產(chǎn)。可以建成集裝箱式“蔬菜工廠”，部隊換防到環(huán)境惡劣地區(qū)時其可隨部隊搬遷轉(zhuǎn)移，及時解決部隊官兵吃菜難的問題，即部隊換防到哪里，集裝箱式菜園就跟進到哪里，官兵吃菜有保障。

3.4 解決部隊官兵駐防時間長，蔬菜需求量大的問題

在人工控制生長環(huán)境下，蔬菜生長周期短、產(chǎn)量高，全年可持續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)量超過傳統(tǒng)栽培方式的數(shù)十倍甚至百倍以上，可充足供應(yīng)部隊。

4 光伏型“蔬菜工廠”的核心技術(shù)

光伏型“蔬菜工廠”核心技術(shù)包括植物照明技術(shù)、無土栽培技術(shù)、環(huán)境控制技術(shù)和智能化系統(tǒng)集成技術(shù)等。

4.1 人工光源

由于白熾燈、高壓鈉燈、熒光燈作為植物生產(chǎn)的光源表現(xiàn)出高耗能和低光效（光譜不完全有利于植物生長與發(fā)育），其已被淘汰。LED 燈作為新型光源，具有體積小、壽命長、光效高、可控性好、光譜可調(diào)（可根據(jù)植物需求定制專用光譜）和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，現(xiàn)已成為“蔬菜工廠”的理想光源。

4.2 無土栽培技術(shù)

隨著科技發(fā)展，無土栽培新技術(shù)被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施建設(shè)中，其技術(shù)已經(jīng)非常成熟，實施效果顯著[3]?！笆卟斯S”主要采用無土栽培方式（或稱為植物水培技術(shù)）進行生產(chǎn)，即將作物生長所需的礦物質(zhì)營養(yǎng)元素配制成一定濃度的水溶液，循環(huán)供給植物吸收利用。植物無土栽培核心技術(shù)包括適宜某種植物生長發(fā)育的專用營養(yǎng)液和保障植物根部有充足氧氣供應(yīng)的營養(yǎng)液溶氧控制技術(shù)，保障植物根系的旺盛活力和對礦物質(zhì)養(yǎng)分的吸收。在水培技術(shù)中，植物吸收的礦物質(zhì)養(yǎng)分都是離子態(tài)的，吸收更加均衡，也更有利于對環(huán)境潔凈度的管控，且大部分水可循環(huán)利用。

4.3 智能化環(huán)控技術(shù)

人工智能化農(nóng)業(yè)是利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)，實現(xiàn)精準、高效、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理方式[4]。人機智能協(xié)作技術(shù)，集中實現(xiàn)了蔬菜規(guī)模化全生長周期的人機智能協(xié)作管理，對促進蔬菜種植的綠色高效可持續(xù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)升級具有重大戰(zhàn)略意義。利用“蔬菜工廠”,人們可以創(chuàng)造最適宜植物生長發(fā)育的環(huán)境條件，實現(xiàn)作物的高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)；因此，環(huán)境控制技術(shù)成為“蔬菜工廠”的核心技術(shù)之一?！笆卟斯S”環(huán)境控制技術(shù)是利用計算機和多種傳感器裝置對植物生長發(fā)育所需的溫度、濕度、光照時間和CO2濃度等進行自動化控制，通過制冷與加熱雙向調(diào)溫控濕系統(tǒng)、均勻送風(fēng)系統(tǒng)、光環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)、CO2增施系統(tǒng)、環(huán)境數(shù)據(jù)采集與自動監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，來實現(xiàn)“蔬菜工廠”的全程監(jiān)控及周年連續(xù)生產(chǎn)。

5 建設(shè)“蔬菜工廠”應(yīng)把握的關(guān)鍵點

5.1 按需建設(shè)

經(jīng)過實地調(diào)研，有的部隊駐地在高原或高寒地區(qū)，全年無霜期不超過80 d、年平均氣溫在0 ℃以下；有的部隊駐地在偏僻的海島、戈壁、沙漠，無土壤和淡水，不通市電。這些地方采取自然種植方式難以長出蔬菜，基層官兵吃菜難，吃到新鮮蔬菜更是難上加難。建設(shè)光伏型“蔬菜工廠”生產(chǎn)蔬菜，可以實現(xiàn)一年四季不間斷生產(chǎn)，滿足部隊需求。

5.2 規(guī)模適度

采用光伏型“蔬菜工廠”生產(chǎn)蔬菜，建設(shè)和運行成本要高于自然種植成本，生產(chǎn)多了容易造成浪費，生產(chǎn)少了滿足不了官兵需求。為了解決這一矛盾，目前部隊配置了班用、排用和連用“蔬菜工廠”，規(guī)定了不同的建設(shè)尺寸，從源頭上杜絕了超大規(guī)模建設(shè)帶來的資金浪費。

5.3 節(jié)約資源

光伏型“蔬菜工廠”主要采用太陽能供電，在安裝太陽能光伏板時要綜合考慮，網(wǎng)架離地面應(yīng)在2.5 m以上，這樣光伏板下可以種植耐陰植物如生姜、黃連、葡萄等，也可開挖成池塘養(yǎng)魚，提高土地利用率，防止造成土地浪費。

5.4 健康環(huán)保

蔬菜栽培設(shè)備主要由栽培層架、栽培槽、定植板、植物照明燈具、營養(yǎng)液供排系統(tǒng)等組成，所用材料要達到衛(wèi)生指標，要確保在高濕環(huán)境下長期使用不生銹、不腐蝕、不容易與營養(yǎng)液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。綠色環(huán)保蔬菜的生產(chǎn)對生產(chǎn)環(huán)境、種植土壤、灌溉用水、生產(chǎn)管理過程、農(nóng)藥殘留標準都有嚴格的要求[5]。應(yīng)嚴格按照建設(shè)規(guī)范建設(shè)“蔬菜工廠”，控制各項指標，防止設(shè)備與材料對種植造成二次污染，確?！笆卟斯S”生產(chǎn)的蔬菜食用安全。

5.5 人才培養(yǎng)

“蔬菜工廠”作為一種通過高精設(shè)備控制的細微環(huán)境，使作物能夠周年生產(chǎn)并產(chǎn)生較高效益的高效農(nóng)業(yè)技術(shù)，整個系統(tǒng)由計算機控制，溫度、濕度、光照、營養(yǎng)液及二氧化碳的濃度等環(huán)境因素都由計算機自動控制，大大減少了人力成本，并且不受外界自然因素影響?！笆卟斯S”是一個國家農(nóng)業(yè)科技發(fā)展水平的一個標志，集合了現(xiàn)代工業(yè)、生物科技、營養(yǎng)液開發(fā)以及信息技術(shù)；因此，要有超前意識，著力培養(yǎng)一支熟悉設(shè)施、生態(tài)農(nóng)業(yè)和生物科技專業(yè)知識的復(fù)合型人才隊伍。

6 光伏型蔬菜工廠發(fā)展前景

首先，建設(shè)光伏型蔬菜工廠是蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。光伏型蔬菜的生產(chǎn)是蔬菜生產(chǎn)方式的改革以及創(chuàng)新，直接或間接地影響顧客的購買率。經(jīng)濟愈加繁榮，人們的生活方式以及追求也會提升，對于蔬菜也會更加追求質(zhì)量安全、品質(zhì)優(yōu)良、新鮮健康、購買快捷等。人工光伏型蔬菜工廠技術(shù)可以針對特定人群進行指向性品種生產(chǎn)與質(zhì)量調(diào)控，必將成為未來社會為高品質(zhì)生產(chǎn)和高收入人群提供個性化蔬菜的新型生產(chǎn)方式，有著美好的發(fā)展前景。第二，發(fā)展光伏型蔬菜工廠有利于規(guī)范蔬菜市場的管理。將國外的優(yōu)質(zhì)資源及先進的蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)與我國的國情及經(jīng)驗相結(jié)合，改進蔬菜生產(chǎn)技術(shù)，提高采后處理的水平，有利于加強對蔬菜市場依法治理和規(guī)范管理，較快地提高我國蔬菜產(chǎn)品質(zhì)量。第三，發(fā)展光伏型蔬菜工廠將成為我國進行農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的一個重要手段。工廠化蔬菜產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整并非僅僅是蔬菜種植種類和面積比例的改變，而應(yīng)立足于蔬菜產(chǎn)業(yè)鏈整體結(jié)構(gòu)調(diào)整，進一步立足在種業(yè)、栽培、生產(chǎn)、加工、貯運、流通等領(lǐng)域，逐步完善蔬菜產(chǎn)業(yè)體系。第四，保障“菜籃子”，促進部隊?wèi)?zhàn)斗力提升?！坝帽苿?，以糧為先”，部隊伙食保障是保障打贏的基礎(chǔ)性工作，關(guān)系官兵身體健康，連著部隊?wèi)?zhàn)斗力的生成。把農(nóng)業(yè)科技最新成果應(yīng)用于邊防軍營，對于加強軍營“菜籃子”建設(shè)具有重要的戰(zhàn)略意義。