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植物工厂:颠覆农作方式的技术

生物技术 时间:2019-10-23 12:59:12 作者:莫敖坤
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日前,国家“十二五”科技创新成就展在北京展览馆举办,由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所“设施植物环境工程团队”自主研发的“智能LED植物工厂”成果亮相其中,并受到党和国家领导人以及社会各界高度关注、广泛赞誉。

这项被称为“土地利用和农作方式的颠覆性技术”只被少数国家掌握,而我国就是其中之一。

“目前我国已经全面掌握了LED植物工厂关键技术,整体水平处于国际前沿。”我国植物工厂研究的创始人、中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员杨其长在接受《中国科学报》记者采访时表示。

生产植物的“工厂”

植物工厂是一种通过设施内的高精度控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统,是由计算机对植物生育过程的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境要素进行全天候控制,不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式。

换言之,智能LED植物工厂可对“工厂”内环境要素和营养要素进行实时自动监控,不用土、不用阳光,可实现任何时间、任何地点的植物智能化生产,甚至可以在太空、荒漠、戈壁、海岛、水面、摩天大楼等非可耕地里进行作物生产。

杨其长告诉记者,作为一种全新的生产方式,植物工厂的技术优势主要表现为:一是作物生产计划性强,可在不受外界环境影响的条件下,实现周年均衡生产;二是单位面积产量高,可大幅提高资源利用率;三是机械化、自动化程度高,劳动强度低,工作环境舒适;四是不施用农药,产品安全无污染;五是多层式、立体栽培,节省土地和能源;六是不受或很少受地理、气候等自然条件影响;七是与现代生物技术紧密结合,可以生产出稀有、价高、富含营养的植物产品。

对于我国这样一个人口多,耕地少,人均资源相对不足的农业大国来说,发展植物工厂尤有重大意义。“全球人口的快速增长,可用耕地的不断减少,如何利用有限的耕地满足人们日益增长的对食物的需求已经成为全球性难题;随着城市化的快速发展和人们生活水平的不断提高,人们对洁净安全农产品的需求越来越迫切;同时,农业从业人口老龄化,年轻人不愿务农的现象日趋严重,吸引年轻人务农已经成为全球面临的重大课题。”杨其长说,“植物工厂恰恰提供了解决上述问题的可能途径。”

同时,作为一项技术高度密集的产业,植物工厂集中体现了现代技术、现代装备工程与信息技术的最新科技成果,是目前许多发达国家农业高技术研究的热点和焦点,也是显示一个国家农业高技术水平的重要标志。在杨其长看来,植物工厂颠覆了传统的农作方式,代表了未来农业发展的方向,从这一层面说,掌握植物工厂核心关键技术具有战略意义。“在农业的高技术竞争中,我们国家应该掌握关键技术,才能参与激烈的国际竞争。”

突破难点掌握关键技术

记者了解到,植物工厂的“智能”主要体现在两个方面:第一,对植物的环境要素和营养要素实现智能化检测;第二,实现智能化控制,即根据不同植物在其不同生长阶段对环境和营养要素的特定需求进行智能化调控,并通过物联网技术实现在任何地点对植物工厂系统的管控。

然而,植物工厂智能的实现并非易事。

杨其长告诉记者,植物在植物工厂的人工环境下进行生长,核心要素是光环境,首先要解决的难点就是对植物光配方的研究,这是植物LED光源创制的核心。同时,由于植物工厂的能源消耗比较大,因而节能环境控制技术可谓是植物工厂的“生命”,如果能源消耗很大,发展就受限。此外,智能化管控的实现也是难点之一。“既然叫‘工厂’,环境和营养要素的检测和控制,与传统农业就有区别。”杨其长说,“需要高技术的手段,包括信息技术、智能装备技术、物联网技术等技术的集成和应用。”

如何突破植物工厂系统能耗大、运行成本高等关键技术瓶颈,大幅度降低人工光源与空调系统能耗、提升蔬菜品质并实现植物工厂的智能化管控,构建“低碳、智能、高效”的植物工厂生产技术体系,是实现植物工厂快速普及与推广的关键。

“发展中国植物工厂高技术产业,必须依靠自主研发实现在植物光配方及人工光源创制、节能环境控制以及智能化管控等核心关键技术上取得突破,否则必将受制于人。”杨其长说。

十几年前开始,杨其长就把植物工厂作为科研选题重要方向之一,开始了相关的研究。经过长期钻研和探索,杨其长带领研究团队在植物工厂LED节能光环境调控技术、光—温耦合节能环境控制技术、UV—纳米TiO2营养液自毒物质协同消除及蔬菜品质提升技术、基于物联网的植物工厂智能化管控技术等关键技术上取得了重大突破。

让植物工厂成为“中国符号”

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