設施農業發展最高階——
LED植物工廠:擺脫天與地 生産由自己

2019-07-31 09:24:14來源: 中國食品報網

  LED以其光效高、發熱低、體積小、壽命長等諸多優點,在植物照明領域應用的優勢明顯。LED植物工廠是國際公認設施農業發展的最高級階段,讓農業擺脫了自然循環的束縛,由人工光源代替;擺脫了土壤的限制,由營養液代替,實現了可控環境下的高效生産。我國已經成爲全球少數系統掌握智能化植物工廠技術的國家之一。不僅是北京,近年來,深圳、蘇州、泉州、大連、長春等地都紛紛建起了LED植物工廠,諸多高科技企業以及中國科學院等科研機構參與其中。

  實現可控環境下的高效生産

  北京北三環路聯想橋附近的中國農科院試驗田,不知從什麽時候起,這片試驗田上蓋起了鋼結構的大房子,那就是比普通試驗田級別高得多的LED植物工廠。

  “這裏所有的菜都可以摘了直接吃。”北京中環易達設施園藝科技有限公司副總經理劉從文介紹說。在國內首個智能型LED植物工廠的300多平方米大廳裏,玻璃房內,是由雙列5層育苗架組成的植物育苗工廠,藍色、紫色的人工光源下,排列整齊的種苗正茁壯成長。劉從文表示,其單位面積育苗效率可達常規育苗的40倍以上,育苗周期則縮短40%多。玻璃房外,是采用5層栽培床立體種植的蔬菜工廠,細圓陶粒“土壤”上種著葉用莴苣,幾乎每一棵都長得一模一樣,充分展現了“工廠化生産”的奧妙。劉從文介紹,這是選用深液流(DFT)水耕栽培模式,所栽培的葉用莴苣從定植到采收僅用20天左右,比常規大田栽培周期縮短40%,單位面積産量爲露地栽培的25倍以上,産品清潔無汙染,商品價值高。

  在一套被稱爲Agrilink的“設施農業物聯網控制系統”顯示屏前,劉從文介紹了該LED植物工廠是如何進行智能化管理:環境控制系統由傳感器、控制器和執行機構3部分組成。“這裏有幾十個傳感器”,覆蓋溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度、營養液酸堿度(pH值)、營養液濃度(EC值)、液溫和溶氧(DO值)等作物根上部環境因子及其根際環境因子。通過傳感器及搭載人工智能攝像頭的視覺分析系統,不斷優化調節溫光水氣肥等參數,采集植物生長表型參數變化並進行學習計算,得出作物生長最優化的數據模型,實行“植物對話”。“最終的目的是用最少的資源實現最大化的産量、最優化的質量。”

  “LED植物工廠是國際公認設施農業發展的最高級階段。”我國植物工廠技術奠基人、中國農科院農業環境與可持續發展研究所設施植物環境工程團隊首席研究員楊其長如是說。說它最高級,是因爲它使千百年來“靠天吃飯”、依賴自然循環的農業既擺脫了天(太陽),由人工光源代替;也擺脫了地(土壤),由營養液代替,實現了可控環境下的高效生産,“是一項真正的顛覆性技術”。

  “高效生産”有多高效?楊其長解釋,其單位面積産量可達露地自然栽培的幾十倍甚至上百倍,用水量卻不到5%。由于植物工廠是一種通過設施內高精度的環境控制,實現農作物周年連續生産的高效農業系統,由計算機對植物生長過程的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度以及營養液等進行自動控制,所以不受或很少受自然條件制約,可以實現在荒漠、戈壁、海島、水面等非可耕地,以及城市摩天大樓或普通家居,乃至外太空環境下進行農作物生産,源源不斷地爲人類提供食用之需。

  未來有望成爲中國名片

  數九寒天,如果嫌天氣冷,嫌菜價貴,或擔心蔬菜安全和品質問題,不妨自家備上一台冰箱大小的“家庭植物工廠”,喜歡什麽菜就種什麽菜,“種得省心、吃得放心、玩得開心”。這,不是科學幻想,而是已經實現。可是僅僅10年前,僅有日本、美國、荷蘭等少數發達國家掌握這項技術,“對我們來說,當時這就是科幻”。

  楊其長回憶,國內有關植物工廠的系統研究,始于15年前中國農科院環發所“密閉式人工光植物生産系統”以及“水耕栽培營養液在線檢測和控制系統”的研究;但更早的源頭,可以追溯到上世紀50年代的設施“小氣候”課題組,“這是一項曆經60余年攻關,幾代科學家傳承接力的事業”。

  2005年,楊其長查閱資料發現,LED的紅藍光組合,可爲植物光合作用提供理想的光譜;他馬上設想,將LED用于植物工廠,代替當時的熒光燈,會不會是一個新的發展方向。由于當時民用LED與植物所需光譜成分差距很大,團隊先後與中國科學院半導體研究所等國內多個科研機構聯系,花費了數倍于民用LED的價格,共同開發出4套LED植物光源板系統;此後2年多,他們先後進行了植物育苗、葉用蔬菜栽培、藥用植物栽培以及植物組培等試驗研究,取得了一大批植物光配方參數。之後,在國家“863”計劃項目“智能化植物工廠生産技術研究”和中國農科院創新工程支持下,15家産學研用單位聯合攻關,終于獲得一系列創新突破:率先提出多個植物的光配方,並創制出基于光配方的LED節能光源及其光環境調控技術裝備;首次提出光—溫耦合節能環境調控方法,創制出植物工廠節能環境調控技術裝備;率先提出光—營養調控蔬菜品質方法,創制出采前短期連續光照提升品質工藝及技術裝備;率先提出植物工廠光效、能效以及營養品質提升的智能管控方法,創制出基于物聯網的智能化管控系統。

  2009年8月31日,是中國植物工廠發展曆史中重要一天。楊其長團隊與北京中環易達開發的國內首個智能型植物工廠在長春農博會閃亮登場,標志著我國已經成爲世界上少數系統掌握智能化植物工廠技術的國家之一。與此同時,我國植物工廠技術開始走向國際,基于光配方的植物LED光源産品現已推廣到美國、日本、歐洲等;植物工廠成套産品已推廣到新加坡等國。

  近些年,植物工廠已成爲全球農業投資的熱門對象。而投資增加的原因之一,據古在介紹,是LED燈在植物工廠的大規模使用。以往植物工廠的成本中,電費約占25%,LED燈使用之後帶來電費大幅下降,從而降低投資成本。“未來植物工廠也能成爲中國名片。”楊其長信心滿滿。

  (瞿劍)


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