向植物工厂进军,它们都在这样做!

植物工厂是用高科技打造的现代农业可持续生产系统。在这个生产系统中,采用立体栽培技术进行周年生产,植物产量是传统农业产量的几十倍甚至上百倍,产出的植物品质达到绿色甚至有机品质。目前世界上仅有日本、美国和荷兰等少数发达国家掌握这项技术,其中日本科技企业建设有大量植物工厂。

我国植物工厂发展时间尚短,还处于科研、试验、示范阶段。但植物工厂作为一种新兴农业生产模式,已经开始在花卉、蔬菜等品种的栽培中使用并被越来越多人接受。未来随着中国农业产业环境的变化、城市人口的增加以及植物工厂应用成本进一步降低,植物工厂有望迎来发展的黄金期。

从《火星救援》到植物工厂

电影《火星救援》中有这样一幕:宇航员马克是一名植物学专家,当他被独自遗留火星后,为了克服生存威胁,开始在没有合适的土壤和空气的情况下,一步步手动盖起一座马铃薯生产工厂,用自己的排泄物和人造水浇灌土豆成长。最终孤身留在火星上的宇航员马克在火星荒漠上种出了土豆,并靠种土豆、吃土豆生存500天。

看完《火星救援》后,很多人都开始想象如何在贫瘠的荒漠上依赖科学智慧养活自己。宇航员马克在火星基地的室内铺好火星土壤,生产出了宝贵的土豆。而在实际生活中,亦有人在高楼林立、寸土寸金的中国城市里建起了植物工厂。

台湾人萧俊丞从2013年起开始在北京CBD创建“植物工场”。这片位于东三环高档写字楼地下空间的“菜地”约50平方米,狭长的空间里整齐地摆放着一排四层高的货架,通过直流冷光LED照明和流动的营养液来培养蔬菜,每月可收获新鲜蔬菜一千斤。由于采用无尘车间生产,摆脱了土壤污染、水源污染和空气污染,保证了蔬菜的品质,越来越多的人开始上门寻求合作。由于需求量大,萧俊丞又在北京丰台郭公庄建设了另外一座“植物工场”,以满足越来越多企业、写字楼、餐厅及家庭的要求。

在人们的印象中,中国有广阔的土地,可以栽培大量的果蔬产品,好像植物种植与科技的距离还比较遥远。但是真实的情况却比较复杂。业内专家表示,我国大田露地农业生产系统虽然面积较大,但是其产能和稳定性却一直较低。其中原因包括从农业生产资源的数量和质量上看,土地、水肥、人力资源的数量和质量都在下降。

另外,由于农业环境的污染、自然灾害频发、季节干扰大。大田农业受季节干扰很大,中国北方在冬季根本无法进行大田农业生产,还有就是即使使用温室栽培,但是人为干预能力差。比如去年12 月下旬,受雾霾天气影响,北京市昌平区温室大棚光照普遍不足,草莓生长发育受到极大影响,上市时间比原计划推迟了半个月左右。

基于上述原因,设施农业虽然在我国得到大力发展,但这种低端的设施农业,包括塑料大棚、日光温室等,其产能和稳定性一直比较差,增产和稳产的潜力有限,那么如何才能人为控制光照、水分、养料、温度等条件来提高果蔬产量和质量呢?结合目前人类已有的技术,解决办法只能是发展“植物工厂”。

 “植物工厂”的定义就是通过设施内高精度环境控制,来实现作物周年连续生产的系统,这个系统不受或很少受自然条件的制约,是一种高效农业生产方式。李克强总理2015 年提出,要“通过升级创新农业生产系统,提升农业装备的级别,用工业的理念发展农业”,就是这个意思。只有通过这种方法,我们才能用有限的资源、有限的空间生产更多的粮食和食物。

4月20日,第十七届中国(寿光)国际蔬菜科技博览会在寿光开幕。其中十号展馆的“植物工厂”就是一项样板工程。该植物工厂是利用物联网系统对植物生长的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度及营养液等环境条件进行实时监测和自动控制,使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约的省力型生产。其智能精准采集系统可以实时无线采集温度、湿度、土壤酸碱度、肥力指标、农残等数据,智能节水节肥控制系统可根据土壤肥力指标、酸碱度等数据控制智能管控水阀。

另外,该工厂还将光伏太阳能发电应用到植物工厂中,除可作LED 植物补光系统外,还可应用到营养液循环系统、生物杀虫灯和自动化控制系统等,有效降低植物工厂的成本。

日本科技企业大量建设植物工厂

植物工厂是一种新兴农业生产模式,可广泛用于花卉、蔬菜、药材和食用菌种植栽培,目前这种技术主要被荷兰、日本、美国等发达国家掌握,其特点是在高科技支撑下,作物栽培可以不受或者很少受外界自然条件制约。

据了解,植物工厂可以大幅提高单位土地利用率、产出率和经济效益。由于自动化程度高,所以其还具有生产计划性,使农产品安全无污染,生产操作省力。植物工厂可以在极端恶劣的环境条件进行生产,有利于农业摆脱资源与环境的限制,实现农业的可持续发展。因此,植物工厂被认为是21 世纪解决世界资源人口和环境问题的重要途径,也是未来高科技工程( 如航天工程、海洋探索过程) 中实现食物自给的重要途径。

在日本,由于人口老龄化日趋严重,植物工厂在日本获得了广泛应用。近年来,日本科技界建设了大量的植物工厂,东芝、富士通、松下、夏普等电子行业巨头纷纷将闲置的工厂改装为高科技温室大棚,种植无菌蔬菜,很多电子工程师也随之摇身一变,成为新时代“农夫”。

日本国民自古有吃生菜的习惯,而生菜等叶菜又特别适合在植物工厂内种植,一些有实力的公司便纷纷介入开发( 比如三菱、松下等),每年都有新技术推出。

以横须贺东芝无尘室农场(Toshiba Clean Room Farm Yokosuka)为例,该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2000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。该植物工厂从播种到栽培,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。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。

另外,富士电机、松下、富士通等电子厂还努力将先进的传感技术、制造技术运用在植物工厂,大幅降低农业生产成本。运用节能技术也成了中小企业进军植物工厂的推动力,并计划推展至新兴国家,帮助其先进农业发展。比如富士通同Aeon子公司AeonAgriCreate 和日本国际合作机构(JICA),自2016年1月起在越南推动实验植物农场,由富士通建构测量系统,设置数十个传感器,实时测量天气、土壤和成长状况。AeonAgriCreate从中分析数据,透过网络从日本远程指导越南农民。

松下则在新加坡启动了该国政府批准的首座室内蔬菜工厂。生产品种为红叶生菜等10种蔬菜,年产量为3.6吨。该公司将与日本餐饮连锁店“大户屋”合作,向新加坡的店铺供应该工厂生产的蔬菜。

夏普在迪拜建设了栽培草莓的植物工厂实验楼,并已开始进行实验。如今在发达国家,植物工厂已进入产业化阶段,相关市场形成了制造和供应的产业链,企业可以方便地从零售渠道获得种子、营养液、栽培用具和各种耗材进行种植。

全世界对“安全放心食品”的关注度越来越高,日本等很多高科技公司还打算将植物工厂培育成新的出口产业,并在海外新建大型植物工厂,同时销售植物工厂使用的设备及系统。植物工厂对于日本制造业来也成为近年来新的经济增长点。

中国:植物工厂正在大力推广

不需土壤,无需阳光,蔬菜照样生长,而且质量和产量都更好,因此植物工厂被称为设施农业的最高级阶段。在我国,植物工厂的兴起和发展时间还比较短,大多数植物工厂还处于科研、试验、示范阶段。

据悉,植物工厂一般分为5级,它们按照发展流程如下:芽菜植物工厂→菌菇、药用菌植物工厂→叶菜植物工厂→浆果、花卉植物工厂→中药植物工厂。而我国的植物工厂一般处于第三级和第四级。

目前,在我国的北京、山东、江苏、福建等地都有“植物工厂”在进行生产研发,种植品种包括生菜、西红柿、油菜、葡萄、黄秋葵、辣椒等品种,以及一些高档花卉种苗。

由北京市农业机械研究所和北京京鹏环球科技股份有限公司建立的京鹏植物工厂是我国第一座规模化的植物工厂。该植物工厂占地近1300平方米,内部分为四大区域:组培播种区、育(炼)苗区、生产收获区和包装贮藏区,配有人工光利用型、太阳光利用型、太阳光和人工光并用型等三种不同模式的植物工厂生产车间。京鹏植物工厂的档次与水平目前已经处于国际先进水平,其技术的原创性和集成性特别高,如精准育苗生产线、移栽机器人、组培技术、采摘收获机器人等。

2015年,我国首个自主研发的,立体式标准化植物工厂——农众物联植物工厂在北京市平谷区建成并投入运营。在北京市平谷马坊工业园区,单体总面积2.6万平方米的农众物联植物工厂共分三层,一层栽培高端食用菌,二层种植山野菜,三层主要种植茄果类蔬菜,同时兼有物联网现代化农业应用成果展示,预计年产蔬菜瓜果约700万公斤。

德州市首个植物工厂在齐河县美东农业科技公司建成运营。该植物工厂采用水肥一体化设施,蔬菜生长在立体式栽培架上或塑料泡沫板里,完全浸泡在营养液中,植物生长期可缩短为30%-40%。

在宁波市杭州湾跨海大桥南翼,由宁波供销集团投资千万元打造的“植物梦工厂”正式建成投产,该植物工厂引进日本先进的太阳光利用型植物工厂系统,一年可以收割15-18次蔬菜,亩产量1.6万公斤,按照目前40元/公斤的价格,每亩产值可达64万元。

昆明立深新园生物科技有限公司建设了“云上蔬”植物工厂。目前,云上蔬植物工厂已经完成了66个品种筛选,每个月在以十几个品种的速度在增长,从种源上保证蔬菜的口感。目前,植物工厂引进的品种包括生菜、芥菜、小松菜、京水菜、芝麻菜、菠菜、冰菜等,当地的品种包括豌豆尖、茼蒿、本地芹菜、荠菜、苋菜、红油香椿等,此外还将开发益母草、板蓝根、叶用三七、蒲公英、莱菔(叶用萝卜)等药用蔬菜。

2016年初,中国科学院植物研究所与国内LED龙头企业——福建三安集团有限公司合作的LED植物工厂项目在安溪奠基开工。该项目计划总投资70亿元,总部年纳税超过2亿元;2016年投资10亿元,2017年投资20亿元,达产后预计可实现产值80亿元(蔬菜类20亿元、自动化装备30亿元、深加工30亿元),并将力争用5年左右时间上市。

三安集团旗下核心企业三安光电掌握了成熟的植物生长照明技术,可全面应用于蔬菜、水果、花卉等农作物、中草药及生物医药原料的生产。随着中国农业产业环境的变化,城市化进程带来的城市人口增加,蔬菜供应增大,而土地资源却不断减少;传统的农业生产引发的环境负担不断增加。

据不完全统计,中国植物工厂每年增长规模30-40家。截至目前,我国已建植物工厂达120多家。据日本株式会社专家预计,中国植物工厂未来有望达到日本植物工厂10倍以上的规模。

投入比较高,成本问题亟待解决

植物工厂是现代农业的重要组成部分,代表着未来农业的发展方向。植物工厂技术的突破将会解决人类发展面临的诸多瓶颈,甚至可以实现在荒漠、戈壁、海岛、水面等非可耕地,以及在城市的摩天大楼里进行正常生产,被认为是21世纪解决粮食安全、人口、资源、环境问题的重要途径,也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段。

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。国外植物工厂发展相对成熟一些,但由于国外消费水平较高,所以其高投入也可以通过高消费来快速收回成本。但就国内的植物工厂来说,很多企业都反映植物工厂目前的投入成本太高,不利于推广。

笔者了解发现,植物工厂成本比较大的原因主要包括两个方面:

一是投入成本比较高。植物工厂是设施农业,需要通过人工光源、营养液设备和智能监控系统等外在硬件,以及对温度、湿度和光照等环境的智能调控管理,而这些设施成本比较高。

第二是维护成本也同样较高。一个一般规模的植物工厂建成需要几十万元甚至上百万元的投入,维护成本每个月需要几万元,这在一定程度上的确影响了它的推广。比如取代“太阳”的光照系统的LED补光系统,不仅前期投入较大,后期的能源消费也不可小觑。

另外由于我国地理环境复杂,气候条件多样,不同作物的生长所需要的光照、温度、湿度和营养液等都不相同,同种作物在不同时期不同环境下的生长需求也不相同。所以在成果转化与示范验证层面,我国还需要建立典型气候区植物工厂示范工程。

虽然北京、德州、无锡、宁波、昆明等地已经有了不同规模的植物工厂示范工程,但这些还远远不够。我国亟需建立规模尺度差异性植物工厂示范工程,以及建立多种植物种类的植物工厂示范工程。示范工程的建立以及通过一年或者是几年的运行,可以得到运行参数以便为我国植物工厂的标准化、推广应用提供技术支撑。

此外,要进一步实现植物工厂的产业化,无论是从技术突破、标准检测、降低成本,还是市场推广等层面考虑,都迫切需要搭建协同创新的公共性服务平台。

笔者了解到,广东省半导体照明产业联合创新中心联合开展核心技术攻关,筹建了广东现代农业(植物工厂)应用示范基地,致力于推动LED植物照明产品和设备的研发和示范推广。此外中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所也建立了植物工厂技术推广平台。随着各种技术应用成本的进一步降低,可以预见在不久的未来,植物工厂必将迎来发展黄金期。(作者:阮晓东)



来源:新经济导刊2016年06期

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