四川成都无人化垂直植物工厂——
种菜也有流水线(大数据观察·践行大食物观)
植物工厂示意图。 |
制图:汪哲平 |
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习近平总书记指出:"向设施农业要食物"。
作为在封闭环境下通过高精度控制实现作物周年连续生产的高效农业系统,植物工厂能够根据不同作物对光照、温度、湿度、营养等要素的需求,实时调控环境,精准供给,实现高效生产。
植物工厂如何通过精准调控实现植物生产?产量和安全性如何保证?建设和运维成本如何控制?记者在四川成都进行了探访。
无需土壤,不靠太阳,厂房之中,也能生长植物?在四川成都国家现代农业产业科技创新中心的无人化垂直植物工厂里,或许可以找到答案。
面前是多层钢架,抬头望,架子顶部装着灯珠,红蓝光线照在水灵灵的生菜叶上。隔着玻璃,整个工厂泛着粉光,仿佛置身科幻片片场。"种菜也有流水线。播种、育苗,佐以养分、光照、适宜温度,一棵生菜仅用35天就能长成。这要在外边大田,时间至少翻倍。"手一扬,指着高达20层的垂直植物工厂,杨其长介绍。作为中国农业科学院都市农业研究所首席科学家,他带着团队一道,投身植物工厂研究近20年。
从蔬果栽培到水稻育种,全流程智能调控,在这座无人化工厂里,植物正循光向上、拔节生长。
"加速"是植物工厂的标签
随着电脑发出指令,机械臂灵活地把一盘盘生菜苗定植到栽培板上,再由机器人将其送到指定"楼层"。随后,调试LED光源,输送营养液。待到生菜成熟,再从"楼层"取出,进行切根、包装。依靠智慧管控和辅助机器人技术,从栽种到培育,从收获到包装,植物工厂中,已然能够实现无人化作业。
自然农耕,看天吃饭,须得遵循自然规律。"风调雨顺还好,若是遇上气象灾害、病虫害等,常会减产。"杨其长介绍,种植条件难以保障是一个长期存在的问题,从自然到可控,温室大棚是一种探索,能够种植反季节蔬菜,但也会受到高温、冰雪等不良天气影响。
植物工厂的出现,则打破了自然条件制约。作为在封闭环境下通过高精度控制实现作物周年连续生产的高效农业系统,植物工厂能够根据不同作物对光照、温度、湿度、营养等要素的需求,实时调控环境,精准供给,实现高效生产。在植物工厂中,还可诱导作物开花、促进快速生长,大幅缩短作物生育周期。
"'加速'是植物工厂的标签。"都市农业研究所研究员王森说。一棵生菜,生长周期可以从70天缩短到35天;一株水稻,生育期可由120天缩短至63天。这套不受土地、空间和气候条件约束的技术,依据植物工厂光—营养耦合技术调控作物快速生长,可以实现水稻、小麦、玉米、大豆、棉花、油菜等作物生育期缩短一半以上,为作物育种加速提供有效支撑。
1238种"光配方"构建数据库
一次访学,让杨其长推开了植物工厂研究的"大门"。
2005年,在荷兰瓦赫宁根大学的一间实验室中,揭开黑布,红蓝光照耀之下,生菜长势喜人。自那时起,好奇的种子便在杨其长心中扎了根:LED光源如何影响植物生长?如何利用LED照明解决植物工厂光源的能耗难题?
一回国,就行动。一边紧锣密鼓搭建实验室,一边东奔西走寻找光源。"那会儿LED照明刚起步,国内少有厂家生产。我们甚至尝试用红色激光代替,结果由于能量太强,植物难以承受。"杨其长回忆。
几经周折,团队终于找到了4块LED光源板。不断调试、反复实验,优化配比、降低能耗,历时多年,杨其长带领团队在成都打造出了一个无人化垂直植物工厂,一年能产10茬以上蔬菜。
走进植物工厂,架子顶部的LED灯珠颜色各异,在种植过程中,会将红光、蓝光、绿光、近紫外光和红外光等依照作物品种和生长环节按需进行调配。"建设植物工厂,首先要攻克'光效低、能耗高'难关。"王森坦言,"团队已经构建了五大类植物'光配方'数据库,涵盖72种作物、1238种'光配方',大幅提升系统光效。同时辅助光—温耦合节能调控技术,实现植物工厂综合能耗降低56%以上。"
为了解决平面栽培土地与空间利用率低的问题,团队采用了垂直立体栽培技术,实现向立体空间拓展的技术突破。"这座栽培层达20层的垂直植物工厂,能将土地利用率提升120倍以上。"杨其长算了笔账。
眼下,200平方米左右的植物工厂里,蔬菜年产量可达60吨以上。通过采用自主培育的作物新品种、垂直立体栽培系统、营养液自动供给系统、人工模拟节能光源以及基于AI的智慧管控系统,在垂直空间内,能实现食物的周年稳定生产。
大规模推广仍需降本增效
单位面积产量高、作物生产稳定性强、节省土地资源……在杨其长看来,植物工厂优点很多,"对我们这样的农业大国来说,发展植物工厂非常重要,有助于提高农作物生产效率,彰显农业技术水平的进步。"
虽然采取技术手段,能耗已经有所下降,但要推广普及,高耗能仍是横在团队面前的一道坎。此外,与露地栽培、温室大棚相比,存在初期建设成本高、后期运维投入大等问题。"总体来说,植物工厂单位生产成本相对偏高。"谈及植物工厂面临的瓶颈,杨其长坦言,未来若要大规模推广,还得想办法降本增效,让科技成果为更多人所及所享。
目前,团队正在摸索植物工厂的盈利模式。据介绍,植物工厂高端叶菜生产聚焦京津冀、长三角、珠三角、成渝等人口密集的都市圈及本地蔬菜自给率低于10%的地区,消费市场广阔。此外,植物工厂还可用于集约化育苗,不仅能够降低生产成本,种苗品质也有保障。
从跟跑到领跑,令人振奋的是,我国的植物工厂开始走向国际。植物工厂技术国际培训班上,来自20多个国家的学员接受系统的植物工厂培训;基于"光配方"的植物LED光源产品,已推广到100多个国家和地区;有关无人化垂直植物工厂的落地项目,已与英国、沙特阿拉伯、智利、卡塔尔等国达成合作……
从沙漠到荒地,从岛礁到高原,杨其长盼望植物工厂能在更多非耕地上大显身手。他相信,这一天,并不遥远。
《 人民日报 》( 2024年04月17日 07 版)
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