2024-07-05 11:03:09
在極端條件下，人類究竟如何為生？無人化植物工廠以各種先進(jìn)場景，為我們落地了一種想象，提供了一種路徑和底氣：我們可以不用靠天吃飯。哪怕沒有土壤和陽光，我們依然可以生存。
在電影《流浪地球》里，地球已經(jīng)不適宜人類生存，大家搬到了地下城，由于沒有了作物生長所必需的土壤和陽光，食物變得極其珍貴，蚯蚓干都成了價值很高的禮物。這一幕當(dāng)然是人類的想象，但它隱喻了一個普世性的問題：在極端條件下，人類究竟如何為生？雖然“末世”只是一個寓言，但在現(xiàn)實生活中，洪澇、干旱，高溫、寒潮……我們每一個人都或多或少感受到了區(qū)域性的氣候災(zāi)害。頻發(fā)的極端天氣，有限的耕地資源，已經(jīng)叩響了這一問題的現(xiàn)實緊迫性。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所（以下簡稱農(nóng)科院都市所）研究員楊其長，帶領(lǐng)團(tuán)隊研發(fā)出了世界首例無人化垂直植物工廠。糧食、瓜果、蔬菜……全都可以在樓房里種植；農(nóng)作物能夠二倍速生長，在程序化的流水線上源源不斷地產(chǎn)出；在戈壁、荒漠等非耕地，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)甚至可以超過優(yōu)質(zhì)大田……這座植物工廠以各種先進(jìn)場景，為我們落地了一種想象，提供了一種路徑和底氣：我們可以不用靠天吃飯。哪怕沒有土壤和陽光，我們依然可以生存。
楊其長（左二）帶領(lǐng)團(tuán)隊在植物工廠小麥育種加速器內(nèi)，觀察記錄小麥生長情況。
這是一種理想答案，還是現(xiàn)實生活的映射？這種模式是否噱頭大于實質(zhì)？是否會因為造價太高而讓許多人望洋興嘆？沒有土壤和光照，作物怎么生長呢？8.8米的高度，作物成熟期怎么收獲呢？面對這些質(zhì)疑，楊其長及其團(tuán)隊來者不拒，“見招拆招”的同時也讓我們走進(jìn)了這個神奇世界，去觸摸一下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的天花板，去站在人類想象力的邊界線上看看前方的路還有多長。
神奇的光+精準(zhǔn)的營養(yǎng)餐
一株水稻，一棵蔬菜，是如何在植物工廠里長大的呢？
就拿生菜為例：科研人員先把種子播在一個帶孔的穴盤上，經(jīng)過兩三天的催芽，種子變成了小芽苗，再送到育苗車間里育苗。12~14天育出小苗后，把它們種植在栽培盤上，送進(jìn)栽培車間。再經(jīng)過20~21天的培育，等生菜長到100~120克重時，就可以進(jìn)行采收、包裝，最后送到市場上。
沒有陽光、雨水和土壤，它們能存活嗎？
答案是肯定的。而且在植物工廠里，作物會生長得更好，因為它們擁有可調(diào)控的LED光和精準(zhǔn)的營養(yǎng)大餐。
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)本質(zhì)是植物通過光合作用來為人類生產(chǎn)碳水化合物的過程，這其中的關(guān)鍵就在于——光。就像鉆木取火給人類帶來了光明一般，LED燈的出現(xiàn)，對于設(shè)施農(nóng)業(yè)來說同樣具有革命性的意義。因為在影響設(shè)施農(nóng)業(yè)的六個主要因素（光、溫、水、氣、肥、植保）中，光是唯一的短板。
“LED燈厲害在哪兒呢？”記者問道。
“LED燈可以控制光譜、亮度和時長，作物需要照多久的光，就可以照多久，從而有了一個隨心所欲的光環(huán)境?！鞭r(nóng)科院都市所研究員王森說，它甚至比陽光還要更加適合作物生長，因為陽光的成分十分多樣，有一些并不是植物生長所需。而LED燈只把作物最需要的光選出來，再重新搭配，從而給作物提供了精準(zhǔn)的營養(yǎng)大餐，幫助其快速生長。
而且在調(diào)配光的時候，科學(xué)家們就像畫家，把調(diào)色盤里的赤橙黃綠青藍(lán)紫盡情搭配?！懊缙诘臅r候會加藍(lán)光，為了讓作物的根莖更加粗壯，分蘗拔節(jié)期加綠光可以加速作物開花，等到結(jié)果的時候則加紅光?！蓖跎f，總之就是滿足同一作物在不同生長期對光照的需求。
王森平時的工作就是通過做實驗來確定幾種光（紅光、藍(lán)光、遠(yuǎn)紅光……）的最優(yōu)比例，也就是幾種光怎樣組合、各自的比例是多少，才最有利于作物生長，才最節(jié)能高效，然后將實驗數(shù)據(jù)反饋給燈廠。針對不同作物不同屬性精準(zhǔn)的光譜配方，科研團(tuán)隊已經(jīng)研究出來了1000多種。
此外，對于作物生長所需要的條件，比如光照、營養(yǎng)和環(huán)境等，全都可以實現(xiàn)智能化調(diào)控，人可以自由、精準(zhǔn)地為作物提供適宜的生長環(huán)境。說白了就像人一樣，“你喜歡吃什么我就給你什么”。而且在可控環(huán)境下，作物也幾乎不會遇到什么病蟲害。
其實，光廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，是從2015年才開始的。它在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，要得益于我國在國際上處于領(lǐng)先地位的LED制造技術(shù)。我們厲害到什么程度呢？用楊其長的話說就是，“全球用于植物照明的LED燈大部分都是從我國進(jìn)口的?！彼屛覈参锕S的照明發(fā)展，直接越過了高壓鈉燈、熒光燈兩個階段，進(jìn)入了LED時代。哪怕在植物工廠很發(fā)達(dá)的日本，也是從高壓鈉燈開始發(fā)展，最后才進(jìn)入LED領(lǐng)域的。
除了LED光，破解植物工廠“密碼”的另一關(guān)鍵就是作物的營養(yǎng)液。它就像大田里給作物施加的肥料一樣，作用都是給作物提供其生長所必需的礦物質(zhì)元素以及營養(yǎng)。不同之處在于，營養(yǎng)液做了“減法”。“我們把滿足作物生存需求的物質(zhì)全保留了，作物不需要的全去掉了。”團(tuán)隊成員胡江濤告訴記者。
但科學(xué)家們還不滿足，還想更加精確，就是要知道“作物目前吸收了多少營養(yǎng)，還要繼續(xù)補(bǔ)充多少”。比如少多少氮就補(bǔ)多少氮，少多少鉀就補(bǔ)多少鉀。還要知道作物的不同生長期有什么不同的需求。比如在作物“長個兒”的階段，需要的氮就多。在草莓開花結(jié)果的時候，就要給它多添加磷。但能夠精確供給單一元素，其實難度是很大的?！笆芟抻谖覀兡壳暗谋O(jiān)測技術(shù)，很多元素的傳感器都還沒有。”胡江濤說，這就是他們未來的研究方向。
楊其長（中）帶領(lǐng)團(tuán)隊在植物工廠水稻育種加速器內(nèi)，觀察水稻生長情況。
厲害在哪兒？
從全球范圍來看，第一個植物工廠誕生至今，已經(jīng)有67年的歷史了，目前制造出來的植物工廠的層數(shù)最高也就是18層。因為層數(shù)越高，對每一層的環(huán)境，比如二氧化碳濃度、光照均勻度的控制，就會越來越難，對技術(shù)的要求也越來越高，畢竟罕有機(jī)器人能爬到那么高，并將作物成功采摘下來。而農(nóng)科院都市所植物工廠不斷向上爭取空間，如同作物拔節(jié)生長一樣，20層的高度已經(jīng)不成問題，而且從播種到移栽、傳送、收獲、包裝全流程，由16個機(jī)器人來完成。
其實，日本、荷蘭的植物工廠一直領(lǐng)先于世界，我國之所以能夠彎道超車，達(dá)到世界第一，是得益于我國快遞行業(yè)的飛速發(fā)展：幾十米高的機(jī)器人運輸都已經(jīng)司空見慣了?！拔覀儾贿^是把我國世界領(lǐng)先的工業(yè)機(jī)器人用到了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，其制造技術(shù)完全能滿足我們的需求。”楊其長說。
就像很多“無人農(nóng)場”還做不到完全無人一樣，當(dāng)記者問及“無人化植物工廠是否已經(jīng)做到了無人時”，楊其長很坦誠，“我們的無人化主要還是個概念，雖然大部分的工作都可以讓機(jī)器人來做了，但有些事情還是需要人工來完成，比如把種子放到苗盆上，種下去之后再放到栽培架上。此外，當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)差錯，也需要技術(shù)人員來調(diào)整?！奔幢隳壳斑€做不到完全無人，但占地200多平方米的工廠中只需要5個工人。楊其長算了筆賬，“其實按照高度和占地面積算下來，我們僅用3分地的占地面積，實現(xiàn)了6畝地的生產(chǎn)效果。種植的生菜35天就可收獲一次，年產(chǎn)量可以達(dá)到50噸以上，相當(dāng)于60畝良田的產(chǎn)量，比露地生產(chǎn)的產(chǎn)量高了不止200倍?！?/p>
除了高效，快速也是植物工廠的一大關(guān)鍵詞。為了縮短作物生長周期，楊其長帶領(lǐng)團(tuán)隊連續(xù)攻關(guān)，先后解析了“光—溫—養(yǎng)分”耦合作用對水稻快速生長、提早開花與結(jié)實的影響機(jī)制，探明了大幅縮短水稻生育期的“環(huán)境—營養(yǎng)”調(diào)控規(guī)律與量化參數(shù)，攻克了植物工廠水稻快速繁育關(guān)鍵技術(shù)。團(tuán)隊成員李宗耕舉了幾個例子：在植物工廠的環(huán)境下，三大主糧作物的生長周期都能夠縮短50%以上，而且不受季節(jié)影響，可以全年種植，一年可以收5~6茬。除了三大主糧之外的十幾種作物，從種到收，也都可以實現(xiàn)二倍速。
中國農(nóng)科院都市農(nóng)業(yè)研究所科研人員在植物工廠水稻育種加速器內(nèi)，觀察水稻生長情況。
除了作物生長周期加速了，育種也加了二倍速的“外掛”。傳統(tǒng)的水稻育種周期長，一年頂多能繁育2~3代，育成一個新品種往往要幾年甚至幾十年的時間?！拔覀兛梢宰層N速度縮短到4年或5年，水稻可以實現(xiàn)每年6茬左右的‘快速育種’，周期大大縮短不說，科學(xué)家們也不用頂著大太陽蹲在大田里面育種，勞動強(qiáng)度要低很多?！崩钭诟f，而且經(jīng)過快速繁育的種子，放一段時間就可以下地種了，活力非常高，發(fā)芽率超過90%。
由于作物育種周期較長，以往為了縮短研發(fā)時間，科學(xué)家們會利用南北環(huán)境差異和時間賽跑，在冬季去海南育種?！耙院笪覀兛梢詭椭N家們在實驗樓或單位附近建植物工廠，這樣一年四季都可進(jìn)行加代育種，省去了兩地奔波的舟車勞頓之苦?！崩钭诟f。
安不安全？貴不貴？
說了植物工廠那么多的優(yōu)點，還是有人不太看好：“植物工廠生產(chǎn)出來的東西根本不能吃，都是藥水泡大的?！薄安贿^是科學(xué)家們自娛自樂罷了，造價那么高，一般地區(qū)怎么可能蓋得起？”
中國農(nóng)科院都市農(nóng)業(yè)研究所研發(fā)的移動式植物工廠。
面對大眾的疑問，團(tuán)隊的人都聽?wèi)T了，植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè)的高級階段，是新鮮事物，公眾不夠了解情有可原。“就像大棚蔬菜似的，一開始人們也是覺得反季節(jié)蔬菜不能吃，對人體有害。”王森覺得，還是自己做的科普太少，“現(xiàn)在大家比較推崇天然的、綠色的，在土壤里面栽種的，要給大家一個接受和理解的過程?！?/p>
“其實我們研究植物營養(yǎng)學(xué)的這些人，知道植物從土壤吸收的東西就是它基本所需的營養(yǎng)?！焙瓭忉尩?，地球上有100多種元素，并不都是植物生長所需要的。早在19世紀(jì)，德國有機(jī)化學(xué)家李比希和農(nóng)學(xué)家沃爾尼等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，植物生長發(fā)育所需的元素只有氮、磷、鉀、鈣、氧等17種元素。這17種元素只要缺少了其中1種，植物就不能正常生長，所以被稱為必需元素?！耙虼宋覀儾还苁亲鏊啵€是考慮施用肥料，人工環(huán)境下提供的都是能夠保證植物基本生存的必需元素，并沒有多余的有害物質(zhì)。”
對于大家的口中的“藥水”，胡江濤表示無需擔(dān)心，農(nóng)藥的作用對象是蟲害或者病菌，“我們不用農(nóng)藥，因為我們室內(nèi)沒有病蟲生存的空間。也沒有雜草，不會用除草劑。植物工廠內(nèi)的環(huán)境是為每種植物打造的專屬環(huán)境，還去掉了土壤里面的有害微生物、重金屬等有害物質(zhì)，比外界環(huán)境要安全得多?！?/p>
“安全和健康大家絕對可以放心，但也不是說我們就十全十美了，比如在風(fēng)味上還差一些，但這就是我們接下來要重點攻克的課題。”眼下，胡江濤在想方設(shè)法提高酚類物質(zhì)的含量來改善作物的口感和風(fēng)味。酚類物質(zhì)是作物自身產(chǎn)生的次級代謝物質(zhì)，比如酚酸、花青素、類黃酮等等。其中花青素決定果實的顏色，它的含量越高，果實的顏色就越鮮艷。盡管科學(xué)家們一直在努力，但想要全面超越大田作物的口感，“還是需要一步步來”。
而第二個質(zhì)疑，確實戳到楊其長心里去了，成本問題一直是困擾研究團(tuán)隊的關(guān)鍵性問題。在植物工廠里，成本主要來源于4個方面：電力、人力、日常折舊及種子種苗等其他資產(chǎn)的成本。在這四個部分中，每一部分都有降低成本的可能性。但由于工廠本身對建材的要求較高，日常使用產(chǎn)生的折舊，相對很難實現(xiàn)降本目標(biāo)。
但是電力和人力的降本是“大有可為”的，“所以我們現(xiàn)在大部分的研究工作，就在于如何降低電力損耗、減少人力成本。”楊其長說。在電力損耗方面，60%~65%來自于光源能耗，未來還要對LED燈進(jìn)行進(jìn)一步“挑選”?！皥F(tuán)隊傾向于少用一些發(fā)熱的光譜，用的是紅光、藍(lán)光，或者加一些綠光、紅外線、近紫外線等一些發(fā)熱量低的光譜，這樣能大幅度地減少光源能耗?！?/p>
這些措施產(chǎn)生的效果是實打?qū)嵉模喝~菜生長周期在20天左右，原來在高壓鈉燈的時候，一公斤的葉菜生長耗電量大概是60度，熒光燈用電量下降至35度，現(xiàn)在使用的LED燈僅用7度電左右。從理論上推算，未來應(yīng)用LED光配方后，1公斤的葉菜用電能減少到4度左右。
此外，以機(jī)械裝備輔助機(jī)器人代替人力，是未來實現(xiàn)植物工廠無人化的重要方式。因此，當(dāng)工廠機(jī)械化程度不斷提高，人力成本的問題也自然迎刃而解。楊其長很欣慰，“工廠中的很多步驟都是可以程序化操作的，如果能夠在這方面減少50%或者更多人力的話，那植物工廠出品的農(nóng)產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢就又上了一個臺階，這些都是能夠預(yù)見的?！?/p>
打開土地利用新世界
楊其長說，植物工廠的秘訣就在于不依賴外界環(huán)境氣候而掌控植物生長。對于“靠天吃飯”的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)來說，這簡直是科幻般的存在。但科幻距離現(xiàn)實還有多遠(yuǎn)？無人植物工廠如何走出成都，在我國廣袤的土地上遍地開花？這不僅是科學(xué)家，也是我們每一個人的愿景。
在楊其長看來，智能植物工廠最大的優(yōu)勢就是能夠解決耕地資源不足的問題，可在城市的高樓里，以及荒漠、戈壁、海島、水面等非可耕地進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為解決大城市以及一些環(huán)境惡劣、土地資源稀缺地區(qū)的食物安全問題提供一種思路。
人多地少，已經(jīng)成為我國耕地資源現(xiàn)狀不爭的客觀事實，對于城市農(nóng)業(yè)而言，這一矛盾更加凸顯。比如一些超大型城市，人口數(shù)量很多，但蔬菜自給率卻在逐年下降，很多農(nóng)產(chǎn)品都是從外地調(diào)運而來。
“未來在城市的周邊或者內(nèi)部建設(shè)植物工廠大樓，能夠用最少的土地、肥力、人力資源，為城市居民生產(chǎn)出更多的食物產(chǎn)品，這有望賦予城市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更多主動權(quán)?！钡珬钇溟L也坦言，這很大程度依賴于植物工廠現(xiàn)有電力、人力成本的降低，才能把蔬菜價格降到一個合理區(qū)間內(nèi)，讓居民的日常消費成為可能。楊其長愛用火車的例子來形容未來植物工廠與大田農(nóng)產(chǎn)品的區(qū)別，“現(xiàn)在火車有綠皮車也有高鐵，時間長短，價格高低不同，全憑乘客意愿乘坐。”植物工廠生產(chǎn)的菜潔凈安全，營養(yǎng)豐富，在未來很長的一段時間內(nèi)，這種獨特品質(zhì)和空間優(yōu)勢，將是這些“白領(lǐng)”蔬菜在城市農(nóng)產(chǎn)品市場中的差異化標(biāo)簽。
除了滿足城市食物自給，帶有體驗性、娛樂性的陽臺農(nóng)業(yè)，也將是未來植物工廠切入居民生活的另一重要場景。中國人經(jīng)常被調(diào)侃為“把喜歡種菜刻入了DNA”。無疑，在居住區(qū)聚集的城市，社區(qū)種菜平臺確實具備落地生根的可能，“但也是存在很多問題的。一是很多人不會種，二是缺乏服務(wù)，所以未來植物工廠的技術(shù)要想在一些城市社區(qū)、家庭進(jìn)行推廣，需要構(gòu)建完備的服務(wù)體系，同時種植技術(shù)還要可復(fù)制、易學(xué)。”楊其長說，此外，植物工廠以及一些企業(yè)也在努力研制更智能的種菜產(chǎn)品，例如家用智能種菜機(jī)、“魚菜共生”機(jī)器……通過濕簾、水泵、排風(fēng)扇、增光燈等設(shè)備，來控制溫度、濕度、光照，配合溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)模擬最適合蔬菜生長的原始自然環(huán)境，滿足城市居民參與、體驗與休閑的精神需求，超越農(nóng)產(chǎn)品消費的本有價值，以體驗經(jīng)濟(jì)帶動更廣泛大眾了解農(nóng)業(yè)、參與農(nóng)業(yè)。
據(jù)第三次全國國土調(diào)查顯示，2019年我國實有耕地19.18億畝，比2009年第二次全國國土調(diào)查時減少了1.13億畝?？紤]到我國后備耕地資源有限、不穩(wěn)定耕地退耕、發(fā)展建設(shè)占用等因素，依靠擴(kuò)大播種面積，來增加糧食和農(nóng)產(chǎn)品供給的潛力十分有限。如果我們再把鏡頭對準(zhǔn)我國西部，這里國土面積遼闊，戈壁、荒漠連綿不絕，可利用的優(yōu)質(zhì)耕地更是少之又少。用設(shè)施農(nóng)業(yè)手段為國家騰出更多的耕地空間，一直是楊其長心中的一大愿景。近年來，他花費大量時間在南疆的戈壁沙漠，研制完成了適合沙漠地區(qū)的高效節(jié)能沙漠連棟溫室，并在和田建起了1萬多畝的示范基地。今年4月26日，在新疆和田沙漠溫室里，快速繁育水稻首次試種成功。花了15天育種后，僅用了60天時間，就迎來了一季水稻的收獲季。相比于田間栽種的生長周期平均在120~150天左右的水稻，在沙漠溫室里長大的快速繁育水稻，生長周期縮短了將近一半的時間。
“在沙漠上建溫室，建設(shè)用地成本比內(nèi)地便宜很多，1平方米的總體建設(shè)費用僅為350元左右，是荷蘭玻璃溫室的三分之一。同時，因為和田地區(qū)光熱資源好，保障水稻品質(zhì)的同時，日光溫室可以大大降低能耗成本，發(fā)展前景非常樂觀?！睏钇溟L興奮不已，在讓水稻生育期減半之后，科研團(tuán)隊又在沙漠溫室里相繼探索了大豆、玉米、小麥等主糧作物，以及油菜、苜蓿等作物的快速繁育關(guān)鍵技術(shù)。
“不光在沙漠，在我國其他地區(qū)，植物工廠落地的最主要形式就是溫室。而且100萬畝地能當(dāng)500萬畝用，效益的增加并不是以破壞性、不可持續(xù)為代價的。”王森補(bǔ)充道，相比于一些通過不合理的耕地開發(fā)方式、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，致使耕地部分生態(tài)功能和生產(chǎn)能力降低，不得不進(jìn)行輪作休耕來維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，植物工廠具有天然的優(yōu)勢，不僅環(huán)境可控、綠色高效，還能周年化運行，立體種植，單位土地利用效率可成百上千倍疊加。“如果說有朝一日能作為耕地的補(bǔ)充，將為我國農(nóng)產(chǎn)品供給提供更多保障?！?/p>
希望這一天早日到來。
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