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中国植物照明工厂发展概况及应用案例分析

放大字体  缩小字体 照明中国网   发布日期:2016-01-26  来源:农民日报  
  光源从太阳到自动调节光照的LED灯,高效利用“每一束光”;从依靠土壤吸取养料到种植在营养液或者基质材料里,生产环境全密闭,“暗无天日”的地下空间也能种植。
 
  给作物定制舒服的“家”
  离开了阳光、雨露、土壤,在钢筋混凝土搭建起的厂房里,植物可以生长吗?产量有保证吗?
  “植物工厂采用了温湿光的自动补偿系统,以互联网智能控制,经过人工驯化的多种高附加值农产品可以在植物工厂实现量产。”中国农科院蔬菜花卉研究所研究员贺超兴答道。
  循着这个回答,笔者来到北京、西安等地的植物工厂,看一看厂房里的植物,到底是如何生长,又如何走进寻常百姓家的,这一新兴的生产方式在我国应用和推广的情况如何。
 
  厂房里,植物是如何生长的
  植物的生长离不开光照、水分、养料、适宜的温度等。作为植物生长的车间,植物工厂本质上是对这些要素的集成控制。
  去年12月下旬,北京市环境保护监测中心发布的空气质量指数显示,11天里有9天为污染天气,其中中度以上的严重污染和重度污染就占到了8天。受雾霾天气影响,昌平区温室大棚光照普遍不足,草莓生长发育受寡照影响,上市时间比原计划推迟了半个月左右。
  而在植物工厂里种植草莓的莓农,完全不用苦苦“等风来”。通过光传感器的光照监测,植物工厂的物联网系统可以自动调节光照,在雾霾天气里依然“艳阳高照”。
  取代“太阳”的光照系统,是不是需要大量耗电呢?
 
  “光照的确占了植物工厂能耗的相当部分,为了节约这部分能源,我们一直在研究LED植物光效照明技术。”陕西西安旭田光电植物工厂负责人王琦介绍说,通过对光的波长、光质比、光合光子通量等的研究,找到适合不同植物品种、不同生长期的最佳照明光谱,可以实现高效利用“每一束光”。
  北京是世界上最缺水的大城市之一,全市人均水资源量为100立方米左右,仅为全国的1/21,世界的1/77,缺水程度甚至低于“沙漠国家”以色列的365立方米。水资源天花板制约下,北京都市现代农业一直在寻找一条节水高效之路。
  过了腊八,时至大寒。北京市平谷区马坊镇农众物联植物工厂里,鱼腥草、香椿芽、薄荷叶等新鲜蔬菜层层叠高,旺盛地生长着,透着一股子水润劲儿。
  “这些菜生长在营养液中,除了植物生长正常吸收的损耗外,环境蒸发损耗几乎为零。”该植物工厂负责人姚旭介绍说,在密闭环境下进行水肥一体化循环,相对于大田种植,水资源节约率可以达到93%以上。
  农民常说,植物生长离不开土地。事实上,植物生长真正离不开的并非土地,而是土壤中的养料。在植物工厂里,农作物种植在营养液或者砾石、蛭石、椰糠、秸秆等做成的基质材料里。植物生长所需养分由调配好的营养液补给,食品安全变得更可控,同时还避免了重茬,节约了土地。
  据国家发改委农村经济司巡视员胡恒阳介绍,按目前情况,我国完全实现农产品消费自给需要30亿亩土地,全国播种面积常年在23亿亩左右,也就是说,大概有7亿亩的土地要靠国外资源支撑。“而植物工厂可以在同样的土地上产出数倍农业产品,值得探索。”胡恒阳说。
  农众物联占地不足10亩的植物工厂,共有上下三层,一层栽培高端食用菌,二层种植山野菜,三层则主要种植茄果类蔬菜。满负荷运转下,能年产蔬菌茄果700万公斤。去年11月,北京市委书记郭金龙、市长王安顺到农众物联植物工厂调研时,对植物工厂在节水节能、高效利用土地方面给予充分肯定。
  摆脱了对土地的依赖,植物工厂变得“上天入地、无孔不入”。去年12月,旭田光电利用西安市一处地下人防工程,建起了一座640平米的植物工厂,将原本暗无生机的地下空间变成了充满绿色的植物世界。
 
  降成本,先进设备也需本土化
  作为一种新兴的生产方式,植物工厂在荷兰、日本、美国等发达国家被普遍使用。“国外植物工厂发展相对成熟一些,但是也存在一个问题,就是投入成本太高,不利于推广。”姚旭介绍说,植物具有极强的适应性,光温湿等变量只要控制在合适的区间,就可以保证正常生长。如进口温控制导系统,虽然能调节温度变量在0.01℃,相当于太空舱种植的控制程度,但其对产量的贡献却微乎其微,而投入成本比起国内本土设备却增加了几十倍。
  在农众物联植物工厂,记者看到,各色各样的绿色蔬菜一层一层地摞了六七层。“每层的层高不同,植物生长的不同阶段需要调整层高,国外进口设备可以自动调整层高,我们自主研发的设备则是半自动调整。”从自动到半自动,并非本土设备技术水平的不足,而是更了解市场的选择。
  多数食用菌的生产在秋冬季节,因为食用菌正常生长环境通常温度较低、湿度较大,因此在周年化生产过程中,大部分食用菌生产须降温通风,所需能耗成为运营过程中主体成本之一。
  农众物联植物工厂在设计上采用依托食用菌、绿叶菜、茄果类蔬菜等所需条件的有效循环:使用食用菌吸收氧气释放二氧化碳并使室内温湿度增加的条件,协调互补绿叶菜、茄果类蔬菜的自然生长;再由绿叶菜、茄果类蔬菜吸收二氧化碳并降低室内温湿度,协调食用菌的正常生长。另外,利用食用菌在不同过程中所代谢的无机营养物质对蔬菜生长进行补充,用蔬菜生长过程中淘汰的部分有机物质对食用菌生产进行补充,大幅度降低运营过程中的能耗、物料消耗,使植物工厂进入一种综合态、互补式生产模式中。
 
  种种看,把植物工厂带回家
  近一两年,越来越多的人走进植物工厂,参观、休闲,或者买些新鲜蔬菜。“啥时候这些植物工厂也能走进我们家里啊?”今年1月5日,在北京海淀公园农众物联植物工厂社区科普巡展上,一位市民问道。
  要推进植物工厂的民用化,首先要让民众认识它。从去年12月下旬开始,农众物联植物工厂开始了一轮密集的科普推广活动。12月22日到31日,农众物联走进海淀区政府阳光大厅,参与“植物工厂中国芯”——都市现代农业技术科普展;今年1月5日到11日,又在海淀公园进行了社区科普巡展,老百姓可以亲自动手体验蔬菜种植。在中国农业大学附属实验小学,由农众物联承建,率先打造了植物工厂实验室,把现代都市农业的种植理念和技术带到了小学生身边。
  与农众物联的线下科普活动不同,旭田光电植物工厂负责人王琦则将更多的精力放在了线上。每天,由王琦组建的微信群里,很多植物工厂的拥趸和“王琦菜”的粉丝们频繁互动。
  认识、了解植物工厂毕竟只是第一步,大型的植物工厂,对老百姓而言只可“远观”,无法亲身种植。为此,旭田光电研发了集装箱型植物生长箱和透明生长柜,不仅适合餐饮商超、居民社区阳台和地下室,而且能解决边防哨所、雷达站、远洋舰船、油田甚至沙漠等地的吃菜难问题。如今,在古城西安的不少餐饮场所,食客们已经可以在酒店大堂的微型植物工厂里点菜了。
  即将于今年4月在北京举办的第三届全国都市现代农业现场交流会上,植物工厂也将作为重点观摩对象被推介给广大市民。值得一提的是,本届现场会的参观点选择上,农业部提出要“体现科技创新、体现农业信息化、体现农业品牌发展战略”。显然,植物工厂可以集中地体现这些。
 
  从大棚到植物工厂
  太阳提供光和热,土壤提供水和养分,空气中有氧气和二氧化碳,这就是植物生长所需要的全部自然环境条件。随着科学技术的进步,人为也可以设计出这样的环境条件。从而实现不靠太阳、不靠土,同样可以种蔬菜。从温室大棚实现控温,到植物工厂可以实现控温、光、水、养、气需要过程。
  大棚在我国也仅有几十年的历史。起初,冬天的蔬菜就是白菜、萝卜,为了满足人们冬日菜品的多样性,农民们开始建设大棚,一开始就是用塑料薄膜罩在土坑上,这样就可以起到保温的效果,实现冬天也能长蔬菜。
  随着人们对食物种类多样性要求的增加,科学技术也在突飞猛进地进步,种植设施也在升级换代。从最简易的薄膜覆盖,发展到小拱棚和大拱棚,之后大棚也有了厚厚的墙,被称为暖棚,再发展就出现了形形色色的玻璃温室、球形温室等等。这就像我们人类的居住环境,从洞穴居住、到土房、到砖瓦房再到楼房一直在进步。
  外部设备进步的同时,内部的环境控制条件也在不断地发生变化。薄膜透光还保温,用各式各样的栽培基质就可以实现不用土壤,可以通过特定的发生装置增加二氧化碳浓度给植物补充碳营养,可以用智能化控制设备按植物所需提供营养,采用LED灯等补光设备应对雾霾等低光照天气,物联网设备和大数据的应用可以实现智能化的控制。
  植物工厂就是把这些内外部的先进技术集合起来,为植物提供最适宜的生长环境。然而,现在还不能实现完全脱离自然环境,植物工厂与自然环境最大的不同是,需要通过把电能转化为光能、热能等,而电能是需要由燃煤、水流等提供的热能或动能转化而来的,这些都是大自然的能量。如何在实现人工智能控制环境的基础上,降低能耗,真正实现植物工厂的绿色节能,仍是重要的研究方向。
 
  专家声音
  植物工厂是农业科技发展的集中体现之一,相较于传统农业生产方式有很多优点,一是少受外界气候影响,生产能力比较稳定;二是土地和空间资源的利用效率较高;三是生产自动化程度高,产量也比较高;四是可以有效避免重金属等污染。
  ——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
  植物工厂采用了温湿光的自动化补偿,互联网的智能化控制,有效降低成本,提高了效率,特别是中国本土化的山野菜和食用菌实现了生产,效益也是比较好的,在设施农业方面找出了一条新路。
  ——中国农业科学院蔬菜花卉研究所研究员贺超兴
  植物工厂是完全可控的生产方式,自动化程度高,意味着生产效率也高。因为狭义的植物工厂主要靠人工光,我们最大的能耗来自光源,如何有效利用光源,是我们面临的最大挑战。——华南农业大学园艺学院教授刘厚诚
  我国植物工厂的发展起步相对较晚,与国际上相比还有差距。我国植物工厂规模小,单品规模小,处于示范型、展示型阶段的比较多。
  ——农业照明技术创新与应用战略联盟秘书长刘文科
 
  案例一 LED蔬菜工厂:恶劣气候也能产出优质菜
  天气寒冷会影响蔬菜生产,让市民可挑选的蔬菜越来越少,怎样解决气候原因导致蔬菜减少的问题呢?近日笔者走访了江西省科学院生物资源研究所,该所工作人员告诉笔者,LED光源蔬菜可以解决这一难题。
  LED光源蔬菜是以新型节能环保的LED灯为人工光源,探索LED蔬菜的人工环境控制和配套栽培技术,实现LED蔬菜的自动化生产,最终建立智能数字的LED蔬菜工厂。
  江西省科学院生物资源研究所采用水培和基质培两种方式,开展LED光源对蔬菜工厂生产栽培影响的研究,结果表明:红光促进植物高生长,蓝光促进植物茎的增粗生长,红:蓝为8:1条件下,生菜和白菜生长快速,少量紫外光(UV-B)的加入可促进蔬菜维生素C的积累。
  江西省科学院院长王晓鸿告诉记者:“研究表明,水培条件下蔬菜生长快速,而水培的一大问题是亚硝酸盐含量容易超标。我们将LED光源水培蔬菜经江西省分析测试中心测定,表明蔬菜的亚硝酸盐含量在正常偏低水平,纤维含量低,维生素含量高,保证了蔬菜的品质和口感。”
  目前,LED光源蔬菜工厂已经基本建立,可以对光照、温度、湿度、二氧化碳浓度进行控制,同时生产出的蔬菜经品质和口感检测安全、洁净、口感好,不受恶劣气候影响。
 
  案例二 无尘室农场:无菌蔬菜做成1周沙拉
  日本神奈川县的许多便利店最近多了一些新产品,那就是冷藏柜里的1周沙拉。与往常的方形盒装沙拉不一样,1周沙拉被装在圆形塑料杯包装中,杯子的顶部是一个圆形穹顶,下方是一个支撑着这片“天空”的大大的立体数字,醒目标注了不同生产日期沙拉的食用期限。在包装之下是没打过农药也不用洗、采下来就能吃的无菌蔬菜,名符其实,它可以冷藏保鲜一周。
  这些蔬菜可不是在菜农的田地里采摘的,而是来自电子巨头东芝在一家经改造的工厂——横须贺东芝无尘室农场里生产的最新产品。近年来,日本电子界吹起了一股新风,不仅东芝,富士通、松下、夏普等巨头也纷纷将闲置的工厂改装为高科技温室大棚,种植无菌蔬菜,电子工程师也随之摇身一变,成为新时代“农夫”。
  横须贺东芝无尘室农场位于神奈川县横须贺市,由原来的软盘工厂内的四层建筑改建而成,占地面积近1969平方米。培育的绿叶蔬菜有散叶生菜、玻璃生菜、直立生菜、瑞士甜菜、雪菜、菠菜、芝麻菜等。
  从播种到栽培,植物工厂的工人会根据菜苗的成长阶段,细心地为每株菜苗更换栽培棚。在播种阶段,工人会将种子种在小盒子的海绵上,然后放在托盘的孔中。而在栽培阶段,随着植物的生长,小盒子会被换到孔间隔更大的托盘上。与其他植物工厂采用的连托盘一起更换栽培棚的方法相比,这种方式更麻烦,但根据植物大小而改变栽培密度并更换到高度不同的栽培棚的方式可以更有效地利用空间。
 
关键词: 植物照明
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