17 中國農村科技 2023 年 2 月 植物工廠的國家戰(zhàn)略需求及其產業(yè)的 前沿科技創(chuàng)新 文 李紹華 目前 全球人口已達 80 億 聯合國發(fā)布的 世 界人口展望 2022 報告預測 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 需要增加 58 的糧食產能 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 約占世界總人口 的 18 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 可以預見 即使守住我 國 18 億畝農業(yè)耕地的紅線 我國谷物類糧食的生 產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農業(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 室內植物高效生產系統(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 包括極地在內的地球陸地上任何地方都可能從事農 業(yè)生產 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) 農業(yè)的新興戰(zhàn)略產業(yè) 植物工廠內對植物生長的溫 度 濕度 光照 CO 2 濃度 在一定范圍內 植物 光合效率因環(huán)境 CO 2 濃度提高而增加 實現增產 因此也被稱為 CO 2 肥 以及營養(yǎng)液 植物生長發(fā)育 必需的礦物質營養(yǎng) 等環(huán)境條件進行自動控制 給 予植物生產的最佳條件 大幅度縮短植物生產周期 并提高產量 實現全年穩(wěn)定的連續(xù)生產 從而大幅 度提高單位面積上的生產效率 由于對生產環(huán)境 包括有害生物 昆蟲與病原微生物 水 空氣的 嚴格管控 生產環(huán)境中不存在病蟲害 生產中不需 要使用農藥 化肥的使用量僅為我國傳統(tǒng)農業(yè)的 1 65 且杜絕了重金屬和任何其他污染物的污染 加上提供了生產優(yōu)質產品的最佳條件 植物工廠可 以實現高品質 高衛(wèi)生安全品質和高食用品質 農 產品的穩(wěn)定生產 植物工廠屬于垂直農業(yè) 它可以 在一間房子里進行多層農作物的生產栽培 采用倉 貯式生產方式在同一空間內可以輕松實現 10 層 20 層作物栽培 也可以建成數十層乃至上百層 建筑物的植物工廠 實現向高空發(fā)展的垂直立體農 業(yè) 故可以在一塊地表上獲得相當于傳統(tǒng)農業(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 但植物工廠生產屬于真正的現代農業(yè) 它 采用工業(yè)化方式進行農業(yè)生產 成為農業(yè)生產的一 場革命 由于植物工廠生產采用的是工業(yè)化方式 需生物學 作物栽培學 設施農業(yè)學 建筑工程學 環(huán)境控制學 材料科學和計算機科學等多學科交叉 融合才能真正實現產業(yè)化 而植物工廠對于絕大多 數的學科來講都是一個全新的領域 因我國植物工 廠發(fā)展起步晚 早期生產裝備與技術主要從日 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 我國首個生物學研究機構 中國科學院植物研究 所與半導體照明工程龍頭企業(yè)三安集團共同創(chuàng)建 18 特別策劃 Specially Curated 為促進植物工廠領域的科技創(chuàng)新和加快科技成果轉 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 了光生物產業(yè)研究院 針對全球存在的產業(yè)問題 進行了大量的研發(fā)與技術創(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 利占國內植物工廠領域數量的 3 4 占國際同領域 企業(yè) PCT 專利數的 45 在植物工廠裝備方面 模塊化整合生產系統(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)設計理念 創(chuàng)制出占地面 積僅為 1 1 m 2 的 樂高玩具 式可進行任意組合 的模組化植物生產系統(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 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 年構建了堆垛式模塊化超高層 立庫生產系統(tǒng) 全球首次實現了植物生產全過程的 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 型農業(yè)產業(yè)勞動力需求量大導致的高生產成本的難 題 已完成基礎研發(fā)的節(jié)能免分栽植物工廠自動生 產系統(tǒng)和垂直液流植物生產系統(tǒng)也對未來植物工廠 裝備發(fā)展具有重要的引領作用 前者能根據植物生 長過程中的實際大小 通過非等距步進式自動位移 并結合呈扇形分布的線性栽培槽 實現了免分栽條 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 典的營養(yǎng)液水平流動和作物水平栽培的生產系統(tǒng)理 念 創(chuàng)制出雙面栽培板的垂直栽培槽的垂直均勻液 流植物生產系統(tǒng) 攻克了水平生產系統(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的作物生產 力 萬物生長靠太陽 構建模擬 陽光 的 LED 照明燈具的植物生產專用光譜成為植物工廠的 核心技術之一 在專用光配方方面 發(fā)現了 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品的糖積 累以及對促進植物的提早開花和增加開花數量的作 用以及 505 545 nm 綠光和 670 685nm 紅光對次生 代謝產物合成積累的調控作用的發(fā)現 對于瓜果與 藥用植物的高產優(yōu)產具有重要的價值 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 次生代謝產物和品質調控 的 80 余種專用光配方的五大類植物照明燈具 光 環(huán)境調控技術處于國際領跑地位 保障必需礦物質營養(yǎng)元素的均衡供給是植物工 廠的又一個核心技術 研發(fā)出十余種高效優(yōu)質專用 營養(yǎng)液配方 開發(fā)出適合不同作物 不同應用場景 的三大類營養(yǎng)液產品 部分營養(yǎng)液填補植物工廠作 物生產的空白 產品穩(wěn)定性好 在植物工廠里應用 作物的產量高 品質好 尤其是藥用植物的次生代 謝產物含量高且穩(wěn)定 在作物栽培技術與生產模式 上有重大突破 除葉菜類蔬菜外 實現了瓜果類蔬 菜 花卉 西甜瓜 果樹 藥用植物等十幾種作物 在植物工廠內生產 很多種類都屬于國際植物工廠 產業(yè)化空白 植物工廠研發(fā)與產業(yè)化狀態(tài) 是衡量一個國家 農業(yè)高技術水平的重要標志 植物工廠產業(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 從而實現引領全球產業(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 作者單位 中國科學院植物研究所 植物栽培