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探訪LED植物工廠:中國有了自己的最高級農(nóng)業(yè)
上世紀(jì)90年代,每每路過現(xiàn)今北京北三環(huán)路聯(lián)想橋一帶,總會奇怪:三環(huán)以內(nèi)居然還有農(nóng)田?后來才知道,那是中國農(nóng)科院的試驗(yàn)田。
不知從什么時候起,這片試驗(yàn)田上蓋起了鋼結(jié)構(gòu)的大房子,模樣既不像寫字樓,更不像居民樓;后來才知道,那是比普通試驗(yàn)田級別高得多的LED植物工廠。
這里所有的菜都可以摘了直接吃
“這里所有的菜都可以摘了直接吃。”一進(jìn)門,北京中環(huán)易達(dá)設(shè)施園藝科技有限公司副總經(jīng)理劉從文就對記者說。
前不久,記者應(yīng)約來到上述聯(lián)想橋邊的國內(nèi)首個智能型LED植物工廠。300多平方米的大廳里,玻璃房內(nèi),是由雙列5層育苗架組成的植物育苗工廠,藍(lán)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(dá)常規(guī)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(xì)圓陶粒“土壤”上種著葉用萵苣,幾乎每一棵都長得一模一樣,讓記者領(lǐng)略到“工廠化生產(chǎn)”的奧妙。劉從文介紹,這是選用深液流(DFT)水耕栽培模式,所栽培的葉用萵苣從定植到采收僅用20天左右,比常規(guī)大田栽培周期縮短40%,單位面積產(chǎn)量為露地栽培的25倍以上,產(chǎn)品清潔無污染,商品價值高。
在一套被稱為Agrilink的“設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)”顯示屏前,劉從文向記者講解了該LED植物工廠是如何進(jìn)行智能化管理的:環(huán)境控制系統(tǒng)由傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分組成。“這里有幾十個傳感器”,覆蓋溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度、營養(yǎng)液酸堿度(pH值)、營養(yǎng)液濃度(EC值)、液溫和溶氧(DO值)等作物根上部環(huán)境因子及其根際環(huán)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(tǒng),不斷優(yōu)化調(diào)節(jié)溫光水氣肥等參數(shù),采集植物生長表型參數(shù)變化并進(jìn)行學(xué)習(xí)計算,得出作物生長最優(yōu)化的數(shù)據(jù)模型,實(shí)行“植物對話”?!白罱K的目的是用最少的資源實(shí)現(xiàn)最大化的產(chǎn)量、最優(yōu)化的質(zhì)量?!?/span>
讓農(nóng)業(yè)擺脫天和地,自由可控
“LED植物工廠是國際公認(rèn)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的最高級階段?!蔽覈参锕S技術(shù)奠基人、中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所“設(shè)施植物環(huán)境工程團(tuán)隊(duì)”首席楊其長研究員如是說。
說它最高級,是因?yàn)樗骨О倌陙怼翱刻斐燥垺?、依賴自然循環(huán)的農(nóng)業(yè)既擺脫了天(太陽),由人工光源代替;也擺脫了地(土壤),由營養(yǎng)液代替,實(shí)現(xiàn)了可控環(huán)境下的高效生產(chǎn),“是一項(xiàng)真正的顛覆性技術(shù)”。
“高效生產(chǎn)”有多高效?楊其長解釋,其單位面積產(chǎn)量可達(dá)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(shè)施內(nèi)高精度的環(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),由計算機(jī)對植物生長過程的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度以及營養(yǎng)液等進(jìn)行自動控制,所以不受或很少受自然條件制約,可以實(shí)現(xiàn)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(huán)境下進(jìn)行農(nóng)作物生產(chǎn),源源不斷地為人類提供口舌之需。
數(shù)九寒天,如果嫌天氣冷,嫌菜價貴,或擔(dān)心蔬菜安全和品質(zhì)問題,不妨自家備上一臺冰箱大小的“家庭植物工廠”,喜歡什么菜就種什么菜,“種得省心、吃得放心、玩得開心”。這,不是科學(xué)幻想,而是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。
可是僅僅10年前,世界范圍內(nèi),僅有日本、美國、荷蘭等少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握這項(xiàng)技術(shù),“對我們來說,當(dāng)時這就是科幻”。
未來植物工廠也能成為中國名片
楊其長回憶,國內(nèi)有關(guān)植物工廠的系統(tǒng)研究,始于15年前中國農(nóng)科院環(huán)發(fā)所“密閉式人工光植物生產(chǎn)系統(tǒng)”以及“水耕栽培營養(yǎng)液在線檢測和控制系統(tǒng)”的研究;但更早的源頭,可以追溯到上世紀(jì)50年代的設(shè)施“小氣候”課題組,“這是一項(xiàng)歷經(jīng)60余年攻關(guān),幾代科學(xué)家傳承接力的事業(yè)”。
2005年,楊其長查閱資料發(fā)現(xiàn),LED的紅藍(lán)光組合,可為植物光合作用提供理想的光譜;他馬上設(shè)想,將LED用于植物工廠,代替當(dāng)時的熒光燈,會不會是一個新的發(fā)展方向。
由于當(dāng)時民用LED與植物所需光譜成分差距很大,團(tuán)隊(duì)先后與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等國內(nèi)多個科研機(jī)構(gòu)聯(lián)系,花費(fèi)了數(shù)倍于民用LED的價格,共同開發(fā)出4套LED植物光源板系統(tǒng);此后2年多,他們先后進(jìn)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(yàn)研究,取得了一大批植物光配方參數(shù)。之后,在國家“863”計劃項(xiàng)目“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究”和中國農(nóng)科院創(chuàng)新工程支持下,15家產(chǎn)學(xué)研用單位聯(lián)合攻關(guān),終于獲得一系列創(chuàng)新突破:率先提出多個植物的光配方,并創(chuàng)制出基于光配方的LED節(jié)能光源及其光環(huán)境調(diào)控技術(shù)裝備;首次提出光—溫耦合節(jié)能環(huán)境調(diào)控方法,創(chuàng)制出植物工廠節(jié)能環(huán)境調(diào)控技術(shù)裝備;率先提出光—營養(yǎng)調(diào)控蔬菜品質(zhì)方法,創(chuàng)制出采前短期連續(xù)光照提升品質(zhì)工藝及技術(shù)裝備;率先提出植物工廠光效、能效以及營養(yǎng)品質(zhì)提升的智能管控方法,創(chuàng)制出基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化管控系統(tǒng)。
2009年8月31日,是載入中國植物工廠發(fā)展歷史的一天。團(tuán)隊(duì)與北京中環(huán)易達(dá)開發(fā)的國內(nèi)首個智能型植物工廠在長春農(nóng)博會閃亮登場,收獲了170多萬觀眾的驚喜目光;標(biāo)志著我國已經(jīng)成為世界上少數(shù)系統(tǒng)掌握智能化植物工廠技術(shù)的國家。與此同時,我國的植物工廠技術(shù)開始走向國際,基于光配方的植物L(fēng)ED光源產(chǎn)品現(xiàn)已推廣到美國、日本、歐洲等;植物工廠成套產(chǎn)品已推廣到新加坡等國。“未來植物工廠也能成為中國名片。”楊其長信心滿滿。