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研制数字植物工厂 推进现代农业发展——中国农科院杨其长博士成果介绍

2011-09-16

上海世博园“天下一家”展馆内“智能家庭厨房”里的一角展示了一个面积5平方米的低碳家庭数字植物工厂,每年可以收获250 公斤的蔬菜。这个颇具创意的数字植物工厂是由中国农业科学院设施农业研究中心主任杨其长博士率领的科研团队设计完成,在由计算机控制的人工环境中,蔬菜的生长周期可以缩短一半。

随着植物工厂的不断推广, 越来越多的人们对数字植物工厂这一农业高技术成果产生了浓厚兴趣。国内首例以智能控制为核心的植物工厂研发成功,使我国成为世界上少数几个掌握植物工厂核心技术的国家之一,也标志着我国在设施农业高端技术领域取得重大突破。

 

植物工厂新概念

植物工厂(Plant Factory)是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统,它利用计算机对设施内温度、湿度、光照、CO2 浓度以及营养液等环境要素进行自动控制,使得设施内植物的生长发育不受或很少受自然条件的制约。

植物工厂不占用农用耕地,产品安全无污染,操作省力,机械化程度高,单位面积产量可达露地的几十倍甚至上百倍,因此又被认为是21世纪解决人口、资源、环境问题的重要途径,也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段。植物工厂对于农业具有重要意义。据杨其长研究员介绍,数字植物工厂技术的突破将会彻底解决人类发展面临的诸多困惑,甚至可以实现在荒漠、戈壁、海岛、水面等非可耕地,以及在城市的摩天大楼里进行作物生产。利用取之不尽的太阳能,加上一定的种子和矿质营养,就可源源不断地为人类生产所需要的食品。近年来,一些耕地资源紧缺的发达国家正在加大资金与技术的投入,加紧数字植物工厂的研发和推广工作,在日本,政府投入1500亿日元,采取补贴50%的手段,推进数字植物工厂的发展,预计3年后将新增150座数字植物工厂。

多年来,数字植物工厂一直被国际上公认为设施农业发展的最高级阶段,成为衡量一个国家农业高技术水平的重要标志之一,目前仅有日本、美国、荷兰等少数发达国家掌握这项技术。

多项植物工厂关键技术取得突破

植物工厂集中运用了现代农业高新技术成果,要掌握它,就必须在营养液栽培技术、环境控制技术以及人工光源技术等关键技术方面有所突破。

植物生长需要包括氮、磷、钾在内的16 种必需的营养元素,植物工厂内采用的是营养液无土栽培方式,因此需为不同植物配制出相应的营养液。通过多年的试验研究,杨其长带领的研究小组已完全掌握了植物工厂栽培蔬菜对营养成分的需求参数,并研制出了精确控制营养液的测控系统。

环境控制与计算机科学密切相关。要让植物在整个生命周期里生长更为迅速,就必须实现对环境温度、湿度、光照强度、CO2 浓度、营养液等众多植物生长要素的实时自动调节,而这些都需要依靠计算机控制系统来完成。可以让未来的数字植物工厂变得“傻瓜化”,对于需要种植的作物,只要放入种子,然后在菜单中选择相对应的模式——比如叶用莴苣、西芹等,就可以静待果实了。

人工光源技术是数字植物工厂颇具挑战性的技术难点。俗话说,万物生长靠太阳,光照对植物生长起着决定性的作用,离开了阳光的植物如何实现良好的生长,是一个具有挑战的难题。植物生长需要吸收的光谱与平时所使用的照明灯的光谱相差很大,要让植物更好的生长,必须为它们匹配出符合它们生长需求的光谱组合。

2005 年,杨其长研究员到荷兰瓦赫宁根大学作访问学者,期间发现欧洲正在悄悄地进行LED 光源在密闭式植物栽培系统的试验研究。他立刻查阅资料,发现LED 不仅是一种非常好的节能光源,而且红蓝LED 组合可以为植物光合作用提供理想的光谱。这一发现让杨其长兴奋不已,他立刻与国内的项目小组联系,开始了相关试验。不到半年时间,实验室便建成了一座20 平方米的小型LED 植物工厂。20064月杨其长如期回国后,立即着手开展植物LED光源的试制,由于当时民用LED与植物所需要的光谱成分差距很大,杨其长先后与国内的多个相关研究所联系,花费了数倍于民用LED的价格,终于开制出4LED植物光源板系统,保证了试验的顺利进行。在短短的几年时间里,他们先后进行了LED植物育苗、叶菜种植、药用植物栽培以及植物组培的试验研究,取得了一大批原始数据,为LED植物工厂的应用奠定了基础。

 

国内第一例智能型植物工厂诞生

20098 月,杨其长团队研制成功的中国首个数字植物工厂在长春诞生。这个国内第一例智能型数字植物工厂,建筑面积为200平方米,共由植物苗工厂和蔬菜工厂两部分组成,以节能植物生长灯和LED为人工光源,采用制冷-加热双向调温控湿、光照-CO2耦联光合调控、空气均匀循环与流通、营养液(ECpHDO和液温等)在线检测与控制、图像信息传输、环境数据采集与自动控制等13个相互关联的控制子系统,可实时对植物工厂的温度、湿度、光照、气流、CO2浓度以及营养液等环境要素进行自动监控,实现智能化管理。植物苗工厂由双列五层育苗架组成,种苗均匀健壮,品质好,单位面积育苗效率可达常规育苗的40倍以上,育苗周期可缩短40%以上。蔬菜工厂采用五层栽培床立体种植,栽培方式选用DFT(深液流)水耕栽培模式,所栽培的叶用莴苣从定植到采收仅用16-18天时间,比常规栽培周期缩短40%,单位面积产量为露地栽培的25倍以上,产品清洁无污染,商品价值高。

国内第一例智能型植物工厂在长春农博会一经亮相,吸引了170多万参观人群的关注,还受到国务院副总理回良玉、时任农业部部长孙政才等有关领导的好评。同时,首例植物工厂的推出也向世人宣告,我国在数字植物工厂领域已经取得重大技术突破,成为世界上少数掌握数字植物工厂高技术的国家。

 

推广应用——努力节约能源,降低成本

目前,如何进一步节约能源是杨其长带领的研究小组长期关注的课题。太阳能光伏发电已经被应用到中国农科院100 平方米植物工厂实验室的供电系统中。其他可以引入城市清洁能源发电技术也将会对植物工厂的发展推广起到积极的作用。中国农科院里另一座面积1,600平方米的植物工厂正在紧张的建设当中,其能源也主要采用浅层地能和太阳能光伏发电系统,所用的光源也将全部采用LED

相比于传统农业,目前数字植物工厂的成本仍然颇高,单位面积造价约为0.5-1.0 万元/ 平方米,此外运营过程中还有能源、营养、人工等费用。但这只是一个起步阶段的测算,当这项技术被大规模推广应用时,其造价一定会得到极大的降低。

近年来,一些农业园区、蔬菜高技术企业以及超市、餐厅等纷纷引入植物工厂进行蔬菜生产或展示;此外,在家居市场,让数字植物工厂走向家庭,变成一种家庭园艺产品,也正在成为可能,杨其长研究员研制成功的家庭数字植物工厂已被科技部作为“十二五”重大科技成果向社会推出。相信不久的将来,植物工厂将会遍及社会的每一个角落,为高端蔬菜的生产和食物安全做出更大贡献。