植物工廠里的蔬菜 （中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所供圖）

日前，國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展在北京展覽館舉辦，由中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所“設施植物環(huán)境工程團隊”自主研發(fā)的“智能LED植物工廠”成果亮相其中，并受到黨和國家領導人以及社會各界高度關注、廣泛贊譽。

這項被稱為“土地利用和農(nóng)作方式的顛覆性技術”只被少數(shù)國家掌握，而我國就是其中之一。

“目前我國已經(jīng)全面掌握了LED植物工廠關鍵技術，整體水平處于國際前沿。”我國植物工廠研究的創(chuàng)始人、中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所研究員楊其長在接受《中國科學報》記者采訪時表示。

生產(chǎn)植物的“工廠”

植物工廠是一種通過設施內(nèi)的高精度控制實現(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)境要素進行全天候控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式。

換言之，智能LED植物工廠可對“工廠”內(nèi)環(huán)境要素和營養(yǎng)要素進行實時自動監(jiān)控，不用土、不用陽光，可實現(xiàn)任何時間、任何地點的植物智能化生產(chǎn)，甚至可以在太空、荒漠、戈壁、海島、水面、摩天大樓等非可耕地里進行作物生產(chǎn)。

楊其長告訴記者，作為一種全新的生產(chǎn)方式，植物工廠的技術優(yōu)勢主要表現(xiàn)為：一是作物生產(chǎn)計劃性強，可在不受外界環(huán)境影響的條件下，實現(xiàn)周年均衡生產(chǎn)；二是單位面積產(chǎn)量高，可大幅提高資源利用率；三是機械化、自動化程度高，勞動強度低，工作環(huán)境舒適；四是不施用農(nóng)藥，產(chǎn)品安全無污染；五是多層式、立體栽培，節(jié)省土地和能源；六是不受或很少受地理、氣候等自然條件影響；七是與現(xiàn)代生物技術緊密結(jié)合，可以生產(chǎn)出稀有、價高、富含營養(yǎng)的植物產(chǎn)品。

對于我國這樣一個人口多，耕地少，人均資源相對不足的農(nóng)業(yè)大國來說，發(fā)展植物工廠尤有重大意義。“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；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；同時，農(nóng)業(yè)從業(yè)人口老齡化，年輕人不愿務農(nóng)的現(xiàn)象日趨嚴重，吸引年輕人務農(nóng)已經(jīng)成為全球面臨的重大課題。”楊其長說，“植物工廠恰恰提供了解決上述問題的可能途徑。”

同時，作為一項技術高度密集的產(chǎn)業(yè)，植物工廠集中體現(xiàn)了現(xiàn)代技術、現(xiàn)代裝備工程與信息技術的最新科技成果，是目前許多發(fā)達國家農(nóng)業(yè)高技術研究的熱點和焦點，也是顯示一個國家農(nóng)業(yè)高技術水平的重要標志。在楊其長看來，植物工廠顛覆了傳統(tǒng)的農(nóng)作方式，代表了未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，從這一層面說，掌握植物工廠核心關鍵技術具有戰(zhàn)略意義。“在農(nóng)業(yè)的高技術競爭中，我們國家應該掌握關鍵技術，才能參與激烈的國際競爭。”

突破難點掌握關鍵技術

記者了解到，植物工廠的“智能”主要體現(xiàn)在兩個方面：第一，對植物的環(huán)境要素和營養(yǎng)要素實現(xiàn)智能化檢測；第二，實現(xiàn)智能化控制，即根據(jù)不同植物在其不同生長階段對環(huán)境和營養(yǎng)要素的特定需求進行智能化調(diào)控，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)在任何地點對植物工廠系統(tǒng)的管控。

然而，植物工廠智能的實現(xiàn)并非易事。

楊其長告訴記者，植物在植物工廠的人工環(huán)境下進行生長，核心要素是光環(huán)境，首先要解決的難點就是對植物光配方的研究，這是植物LED光源創(chuàng)制的核心。同時，由于植物工廠的能源消耗比較大，因而節(jié)能環(huán)境控制技術可謂是植物工廠的“生命”，如果能源消耗很大，發(fā)展就受限。此外，智能化管控的實現(xiàn)也是難點之一。“既然叫‘工廠’，環(huán)境和營養(yǎng)要素的檢測和控制，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)就有區(qū)別。”楊其長說，“需要高技術的手段，包括信息技術、智能裝備技術、物聯(lián)網(wǎng)技術等技術的集成和應用。”

如何突破植物工廠系統(tǒng)能耗大、運行成本高等關鍵技術瓶頸，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，構建“低碳、智能、高效”的植物工廠生產(chǎn)技術體系，是實現(xiàn)植物工廠快速普及與推廣的關鍵。

“發(fā)展中國植物工廠高技術產(chǎn)業(yè)，必須依靠自主研發(fā)實現(xiàn)在植物光配方及人工光源創(chuàng)制、節(jié)能環(huán)境控制以及智能化管控等核心關鍵技術上取得突破，否則必將受制于人。”楊其長說。

十幾年前開始，楊其長就把植物工廠作為科研選題重要方向之一，開始了相關的研究。經(jīng)過長期鉆研和探索，楊其長帶領研究團隊在植物工廠LED節(jié)能光環(huán)境調(diào)控技術、光—溫耦合節(jié)能環(huán)境控制技術、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、基于物聯(lián)網(wǎng)的植物工廠智能化管控技術等關鍵技術上取得了重大突破。

讓植物工廠成為“中國符號”

自2003年以來，課題組歷經(jīng)十多年的創(chuàng)新研發(fā)，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。

“目前我國有100座左右的植物工廠，發(fā)展速度很快。”楊其長說，“未來我們國家一定會成為植物工廠的大國。”

植物工廠雖然擁有眾多優(yōu)勢以及廣泛的社會需求，但在實際發(fā)展過程中也面臨著一些“瓶頸”。

楊其長告訴記者，植物工廠普及和推廣的核心是工業(yè)產(chǎn)品化，從目前看，植物工廠的標準化、模塊化裝備的研發(fā)方面仍待提高。從研發(fā)力量上來看，目前參與研究的主要是科研單位、高校和中小企業(yè)，“希望未來有中國的大企業(yè)積極參與其中，只有實現(xiàn)植物工廠標準化、規(guī)?；a(chǎn)，才能在國際競爭中有地位。”楊其長說。從經(jīng)濟效益上來看，與露地、大棚相比，植物工廠由于初期建設成本較高、耗能較大等原因，總體上來看單位生產(chǎn)成本還是相對偏高，仍需要進一步降低成本。

    對此，他建議，植物工廠的發(fā)展應該上升到國家戰(zhàn)略，出臺相應的產(chǎn)業(yè)扶持政策，并予以資金上的支持；同時，植物工廠產(chǎn)品還需要食品等有關部門的認證、評價和檢測，讓更多的消費者了解和認識植物工廠生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品的益處。

他還指出，隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的推進，未來植物工廠有望像中國高鐵等高技術一樣，實現(xiàn)技術裝備的出口。“國家應該及時出臺政策，使植物工廠形成產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)能。”楊其長對植物工廠未來的應用前景充滿信心，他表示，“未來植物工廠有可能也是代表中國的符號。”

（記者 胡璇子）