圖片說(shuō)明: ▲在植物工廠，蔬菜一年可以收獲16-18茬。
圖片說(shuō)明: ▲番茄
圖片說(shuō)明: ▲石斛
圖片說(shuō)明: ▲冰菜
圖片說(shuō)明: ▲植物生長(zhǎng)所需的環(huán)境條件：光、溫、水、氣 (二氧化碳)、肥(營(yíng)養(yǎng)元素)，都可以通過人工調(diào)節(jié)來(lái)進(jìn)行控制。
圖片說(shuō)明: ▲植物工廠生產(chǎn)的蔬菜已在廈門、福州和泉州等地100多家超市上架。
圖片說(shuō)明: ▲在環(huán)境條件完全可控的狀態(tài)下生長(zhǎng)的蔬菜，集安全、優(yōu)質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)于一體。
持續(xù)上萬(wàn)年春種秋收、靠天吃飯的農(nóng)耕方式或許已經(jīng)走到了尾聲? 是的。如今，一門名叫“光生物”的學(xué)科正從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)。它將植物生長(zhǎng)所需要的陽(yáng)光、土壤、雨露，用人工的方式提供給植物，使瓜果蔬菜在最理想的環(huán)境下生長(zhǎng)，能量得到盡可能大的轉(zhuǎn)化。
最近，在福建省泉州市安溪縣，一座目前世界上單體面積最大的全人工型植物工廠正式投入生產(chǎn)，日產(chǎn)蔬菜1.5噸左右，并已進(jìn)入超市貨架。在沒有陽(yáng)光和土壤的室內(nèi)，生產(chǎn)無(wú)菌、無(wú)重金屬等有毒物質(zhì)污染的高品質(zhì)蔬菜，中科院植物研究所與福建三安集團(tuán)正聯(lián)手將光生物科學(xué)從實(shí)驗(yàn)室推向國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)，一個(gè)嶄新的光生物產(chǎn)業(yè)元年即將到來(lái)。
●植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)；通過計(jì)算機(jī)對(duì)植物生育的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制，使設(shè)施內(nèi)植物生育不受或很少受自然條件的制約。
●植物工廠的蔬菜生長(zhǎng)流程主要包括：播種-揀苗-育苗-移栽-生長(zhǎng)管理-收獲。
●LED紅藍(lán)光譜的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍很大，且可人工控制，可以針對(duì)不同種類植物調(diào)節(jié)成合適的光譜波長(zhǎng)，這樣，植物就能根據(jù)LED設(shè)定的光源進(jìn)行生長(zhǎng)。定制的“光配方”，意味著植物的生長(zhǎng)速度可以更快，并可獲得更高的產(chǎn)量和更優(yōu)秀的品質(zhì)。
●由于植物工廠內(nèi)使用了人工照明，可以實(shí)現(xiàn)多層立體化栽培。蔬菜可以在堆疊式層架上，利用無(wú)土栽培方式種植，葉片吸收人工光源提供的光來(lái)進(jìn)行光合作用，根系生長(zhǎng)在營(yíng)養(yǎng)液中，通過營(yíng)養(yǎng)液為其提供水分、養(yǎng)分和氧氣等。
●目前，植物工廠除了培育生菜、小白菜、芹菜、番茄、黃瓜等蔬菜瓜果外，還有石斛、金線蓮等多種藥用植物。
為植物尋找“光配方”
如果嚴(yán)重自然災(zāi)害對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)造成毀滅性打擊，光生物產(chǎn)業(yè)的元年就將到來(lái)。
什么是光生物學(xué)？ 它要揭示的，是陽(yáng)光與生命活動(dòng)之間的各種奧秘。
萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，光合作用可以說(shuō)是地球上最重要的能量轉(zhuǎn)化方式。植物、藻類和部分細(xì)菌，通過光的轉(zhuǎn)換，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳水化合物和氧氣，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，植物90%的生物量是光合作用的產(chǎn)物。
看起來(lái)普普通通的陽(yáng)光，其實(shí)包含了各種波長(zhǎng)不同的電磁波，有我們?nèi)庋勰軌蚋兄目梢姽?，還有紅外線、紫外線和遠(yuǎn)紅外光等不可見光。
植物生長(zhǎng)究竟靠哪些光？ 科學(xué)家對(duì)植物光合作用的原理進(jìn)行了長(zhǎng)期細(xì)致的研究，發(fā)現(xiàn)植物更青睞可見光的藍(lán)色和紅色部分，比例超過60%，因此將紅光和藍(lán)光按照一定比例配比制成光源，就能滿足植物生長(zhǎng)的需要。植物幾乎不吸收綠光，也不需要紅外、遠(yuǎn)紅外等部分，把它們?nèi)コ?，根本不影響植物生長(zhǎng)，還可以避免大量能耗。
中科院植物所研究員、中科生物研究院院長(zhǎng)李紹華介紹，不同的植物對(duì)光波的吸收也有不同喜好，為此他們形成了一系列專用的“光配方”，讓植物在最適宜的光照下進(jìn)行生長(zhǎng)。他說(shuō)：“而我們就是把這部分奧秘解開，就像為嬰兒提供配方奶粉一樣，為植物提供最適合生長(zhǎng)的光照，盡量減少無(wú)謂的能耗?！比缃?，他們已經(jīng)找到了多種瓜果蔬菜的光配方，并申請(qǐng)了專利。
或許你會(huì)覺得，讓蔬菜在陽(yáng)光下生長(zhǎng)就好，何必要費(fèi)心去尋找這些“光配方”？ 如果我們把眼光轉(zhuǎn)向藥用植物，“光配方”的意義就會(huì)顯得更加重要。李紹華說(shuō)，很多藥材之所以珍貴，就因?yàn)樗鼈兩L(zhǎng)條件特別苛刻，即使實(shí)現(xiàn)人工栽培，植物中的藥用成分卻可能下降。這是因?yàn)橹参镏械乃幱贸煞滞⒎蔷S持生命所必需，只有在受到環(huán)境脅迫時(shí)才會(huì)產(chǎn)生。所以，藥材質(zhì)量往往與產(chǎn)地密切相關(guān)，離開了特定的自然環(huán)境，就難以保證?？扇绻馕龀隽怂璧墓馀浞?，再配合環(huán)境 (氣候)、營(yíng)養(yǎng) (土壤) 配方，就能在人工環(huán)境下大量生產(chǎn)出高質(zhì)量藥用植物。
“我們已經(jīng)研制出了多種藥用植物的光配方，比如具體光譜的配比，或者加入一些特殊波段的光?！崩罱B華說(shuō)，他們培育出的石斛、金線蓮等，其中藥用成分含量甚至可以超過天然生長(zhǎng)的植物———在植物工廠里，可以一年到頭不分季節(jié)地持續(xù)生產(chǎn)出高品質(zhì)藥材。
在全球氣候變暖的當(dāng)下，日益增多的極端天氣給傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)帶來(lái)的損失越來(lái)越大，“如果哪天嚴(yán)重的自然災(zāi)害給傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)帶來(lái)了毀滅性打擊，那么光生物產(chǎn)業(yè)的元年就到來(lái)了?！崩罱B華說(shuō)，光生物產(chǎn)業(yè)其實(shí)是生命科學(xué)與光電產(chǎn)業(yè)的深度交叉融合，將對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生顛覆性影響，讓人類再次擺脫對(duì)自然條件的依賴，“如果光生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展繁榮后，當(dāng)人類飛向宇宙深處，它將為太空中的食物生產(chǎn)，提供一定的解決之道?！?/span>
效率高得驚人
走進(jìn)植物工廠，才會(huì)了解原來(lái)植物“心無(wú)旁騖”地生長(zhǎng)，能量利用可以如此高效。
這些在全人工條件下生長(zhǎng)的蔬菜究竟什么樣？ 要想近距離看上它們一眼，還真不容易。因?yàn)樗鼈內(nèi)躺L(zhǎng)在無(wú)菌、無(wú)塵環(huán)境中，人要想接近它們，先要經(jīng)過嚴(yán)格消毒與隔離。
在安溪的植物工廠，進(jìn)入生產(chǎn)車間前，記者穿上了兩層隔離服，又戴上口罩、眼罩、手套，幾乎全身上下都被罩了起來(lái)，再經(jīng)過風(fēng)淋、酒精消毒，連長(zhǎng)筒套鞋鞋底都要趟過消毒液池。如果要帶進(jìn)手機(jī)、相機(jī)，這些物件也需先經(jīng)過消毒。
中科生物研究院研發(fā)主任裴克全介紹，車間里的溫度、濕度都根據(jù)蔬菜最適宜的條件來(lái)調(diào)節(jié)，并通入更多的二氧化碳，促進(jìn)光合作用。
通常，大氣中的二氧化碳濃度不會(huì)超過400ppm，但車間里則高達(dá)1000ppm，所以，必須有風(fēng)扇不停吹著，保持空氣流通。這樣可使植物的光合效率提高，植物生物量的形成和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累，都是常規(guī)栽培的數(shù)倍。
在植物工廠里，從播種開始到收獲，生菜、青菜等蔬菜基本只需35天的生長(zhǎng)周期，除去育苗期，真正占用車間的時(shí)間只有20天。也就是說(shuō)，同樣一畝的面積，在植物工廠，一年可以收獲16-18茬蔬菜，這是在大田中無(wú)法想象的。更可觀的是，在一層三四米高的車間里，可以疊起6-8層栽培蔬菜的架子，每層都是有效種植面積。如果在一畝地上建造十幾層高樓，相當(dāng)于將可種植的土地面積擴(kuò)展了成百倍。
植物工廠的高效，還不止于此。在10萬(wàn)級(jí)潔凈空間中生長(zhǎng)起來(lái)的蔬菜，無(wú)需噴灑任何農(nóng)藥、殺蟲劑，連灰塵都難以沾染，完全可以免洗入口。裴克全說(shuō)，盡管目前種植1公斤蔬菜需要耗電10度，加上管理成本，價(jià)格比普通蔬菜高出不少，但從綜合效益看，其發(fā)展空間巨大。
在植物工廠中，水和營(yíng)養(yǎng)的利用效率可以高達(dá)90%以上。別小看那一層層架子，所有電線、營(yíng)養(yǎng)液運(yùn)輸管道，全部都集成在里面，為蔬菜精確輸送養(yǎng)分。而在大田里，90%以上的水分都蒸騰到了空氣中，超過60%的化肥沒有被植物吸收，造成了土壤板結(jié)、微生物滅絕，還滲入地下水造成污染?！败囬g幾乎不排放污水，反而可以產(chǎn)生更多氧氣?！迸峥巳f(shuō)，目前這些蔬菜可以成為人們餐桌蔬菜的有效補(bǔ)充，在沙漠、海島、遠(yuǎn)洋作業(yè)等特殊地方，植物工廠可以解決部分惡劣氣候條件下，特殊人群的綠色蔬菜需求。
就在工廠院落的一角，記者看到了集裝箱大小的可移動(dòng)植物工廠。只需配上太陽(yáng)能發(fā)電裝置，帶夠種子和濃縮營(yíng)養(yǎng)液，它就可以持續(xù)不斷地生產(chǎn)出新鮮蔬菜。
面臨的特殊難題
植物工廠大規(guī)模推廣，還要跨越許多坎，比如找出引導(dǎo)蜜蜂歸巢的“光奧秘”。
安溪的植物工廠正在摸索全自動(dòng)的生產(chǎn)技術(shù)。目前車間已在用機(jī)器人運(yùn)輸，今后從育苗到栽種的植物分揀，也將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。自動(dòng)化程度越高，引入的污染可能性越小。畢竟對(duì)于植物工廠的生產(chǎn)車間而言，一旦有病毒入侵，整個(gè)車間都必須徹底清理。
李紹華說(shuō)，車間里從照明、溫度、濕度，到營(yíng)養(yǎng)液、二氧化碳濃度，都是針對(duì)某種蔬菜“量身定制”，所以品種的單一性使得這里的植物對(duì)病毒的抗性不如自然生長(zhǎng)的個(gè)體。一旦有植物得病，勢(shì)必會(huì)迅速蔓延。這也是一個(gè)悖論，就像大田里的作物雖然產(chǎn)量高于野生種，但很多應(yīng)對(duì)疾病、災(zāi)害的能力都比不上野生種一樣。
目前，植物工廠能夠生產(chǎn)的主要是一些葉菜，比如生菜、冰菜、小青菜等等，如果要拓展到水果，就需要考慮授粉問題。裴克全說(shuō)，比如種植草莓，如果要大面積推廣，就不能靠人工授粉，必須要靠蜜蜂?？墒牵谌斯す庠聪?，蜜蜂是找不到回巢之路的。究竟陽(yáng)光中的哪種光給它導(dǎo)航了呢？ 那就得在車間的光源里，把這種光源給加上，給蜜蜂規(guī)劃好授粉、回巢的路線。
這只是大規(guī)模推廣植物工廠所需要解決的諸多問題中的一個(gè)。此外還有能耗是否可以進(jìn)一步下降的問題。過去幾十年，歐美、日本都曾發(fā)展過植物工廠，但往往因?yàn)槟芎倪^高，成本難以下降，最終虧損，難以為繼。不過，隨著技術(shù)發(fā)展，能耗還可能進(jìn)一步下降。據(jù)中科生物有限公司總經(jīng)理占卓介紹，下一代植物工廠即將于數(shù)月后開建，其能耗將較第一代工廠降低25%。
另外，還有品種矮化的問題?，F(xiàn)在葉菜的高度不過20厘米，可水稻植株就有四五十厘米高，蘋果、桃子、梨等原本結(jié)在喬木上的果子，想要在工廠車間里長(zhǎng)出來(lái)，可就太占地方了。能否得到適合車間種植的新品種？ 這還真得讓育種專家們費(fèi)點(diǎn)心思。
目前，安溪植物工廠第一棟廠房的面積在1萬(wàn)平方米左右，還有7棟廠房也將陸續(xù)投入使用。未來(lái)3年，他們還將在北上廣深等一線城市建成上萬(wàn)平方米的植物工廠?；蛟S，植物工廠會(huì)讓保鮮運(yùn)輸技術(shù)進(jìn)入博物館，因?yàn)槿魏沃参锒寄茈S處生長(zhǎng)、新鮮采摘。
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