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植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段，是农业产业化进程中吸收应用高新技术成果最具活力和潜力的领域之一，代表着未来农业的发展方向。
文｜《农经》特约记者 汪烨
5 月16 日，由中国科技部支持的首个中国－罗马尼亚农业科技园在罗马尼亚首都布加勒斯特落成，该农业科技园包括智能LED植物工厂和轻简化节能日光温室。此举标志着中国植物工厂技术成功进入罗马尼亚。
植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段，世界上第一家植物工厂于1957 年在丹麦诞生，1974 年以来，人多地少的日本大力发展植物工厂。我国从2004 年开始尝试建设植物工厂，2015 年以来，这一生产模式在我国获得快速发展。
颠覆传统农业生产方式
俗话说，万物生长靠太阳。如果没有阳光和土壤，蔬菜还能茁壮成长吗？福建省中科生物股份有限公司（简称“中科三安”）打造的植物工厂给出了肯定的答案。在福建省安溪县湖头光电产业园内，中科三安的植物工厂颠覆了传统农业生产方式，用神奇的“光配方”、独特的营养系统、专业的栽培技术，让各种果蔬作物实现了工业般的流水线生产。这家以“光生物技术应用与植物工厂产业化”为目标的公司，在植物工厂产业化设备与技术研发和创新方面取得了丰硕成果，正加速朝着打造全产业链智能植物工厂的方向迈进。
走进中科三安的一期生产车间，一排排高高立起的六层植物栽培模组跃然眼前，仿佛超市货架一般。每一层架子顶部都布满了LED 灯，架子上的生菜、小白菜、冰菜等焕发出勃勃生机，它们的根部浸泡在营养液里，没有半点土壤……
“植物工厂是生长环境——温度、湿度、光照和营养条件等，全智能控制的植物高效生产系统。在这里，植物生长不受自然环境制约，它们所需要的光照和营养液，都是根据不同生长时期的需求进行配置的。”中科三安总经理占卓说。
早在2014 年，福建三安集团有限公司开始关注植物工厂，并做了大量的前期研究。2015 年，三安集团与中国科学院植物研究所达成合作协议，决定成立福建省中科生物股份有限公司，建设中科三安总部、植物工厂研究院和中科三安产业化基地三大核心项目，植物研究所以知识产权形式出资占比10%。
在占卓看来，中科三安的成立有利于充分发挥植物研究所多年积累的植物学技术以及三安光电LED 光谱技术领域的特长，实现优势互补，共同推动中国植物工厂产业化发展。中科三安成立后，植物所派出了专家团队，与三安集团的研发团队共同专注于植物光源、营养液等领域的研究。研发团队花费了将近一年的时间，研发出了三代植物营养液，这种营养液的效能比国际上同期营养液高出8—15 个百分点。
要提高植物工厂的空间利用效率，就必须搭建栽培架。2015 年10 月份，中科三安研制出了全球第一套模块化整合栽培系统。“传统的栽培架采用的是工程化方案，而我们的设计思路是模块化方案，不仅制造成本低，使用起来也更加方便。”占卓说。
经过两年多的科技攻关，科学家们集成光生物学、园艺学、营养学、植物学、植物化学等学科技术，在植物光配方及植物照明产品、植物营养液配方及循环利用技术、植物品种筛选和栽培方式等领域取得了突破性进展，研制成功专用蔬菜育苗灯、栽培灯等多种类型的LED 灯具，不同植物的通用及专用营养液，并从200 多种试验产品中筛选出可应用于产业化的21 种水培叶菜品种。
2016 年，中科三安建成了首栋1 万平方米的全智能控制的植物工厂，这也是当时世界上单体面积最大的植物工厂。2018 年，中科三安与新加坡企业合作，在新加坡建设世界最大、占地2 万平方米的植物工厂，预计今年完成。
中科三安总经理助理李鹏介绍，通过计算机对温度、湿度、光照、二氧化碳浓度及营养液进行智能控制，植物工厂克服作物对生产季节、气候等自然条件的依赖，可以实现连续生产，每天可生产蔬菜1.8 吨至2 吨，第一年就实现了盈利。
2018 年6 月份，中科三安二期项目正式落成，基于AI 人工智能的自动化垂直农业生产系统也正式投入使用。二期厂房占地5000平方米，蔬菜日产量可达8 吨至10 吨，成品率高达95% 以上；用工由一期的46 人减少到4 人；水资源利用率由一期的60% 提高到90%以上。根据测算，单位面积生产效率约是普通种植方式的150 倍。
京东自建植物工厂
在北京东南六环外有一座植物工厂，这座总面积1 万多平方米的“工厂”，由知名电商企业京东集团投资建设，2018 年12 月正式投入使用，其生产的蔬菜通过线上线下渠道同步销售。这是继“跑步鸡”、“游水鸭”、“飞翔鸽”之后，京东投建的又一个农业项目。早晨8 点，45 岁的秦鹏准时来到植物工厂上班，他像医生一样套上白大褂，站在入口处的吹风机前吹遍全身，再进入工厂。“人身上的尘土里可能含有虫卵，必须吹干净，以防止把病虫害带进去。”他说。
“植物工厂”科技感十足，1 万多平方米的厂房被笼罩在一个巨大的透明罩中，生菜、菠菜等绿叶菜一排排整齐地躺在“种植床”上，空调设备随时调节着室内温度……“这种透明罩由特殊合成材料制成，可以把阳光中对植物有害的强紫外线过滤掉，且其表面非常光滑，稍有雨水冲刷便可以被洗得干干净净。”秦鹏介绍说。
为大幅提高种苗的存活率，种子在育苗阶段被单独分离出来，先被放进一个密封的育苗箱，进行一个星期左右的育苗。“育苗箱能自动调节里面的温度、湿度和二氧化碳浓度，使这些指标保持在最适宜种苗生长的状态。此外，箱内还有专用的LED 灯照射种苗，帮助其快速成长。”秦鹏表示。
种苗成熟后，工作人员会将它们从育苗箱里取出，一棵一棵地插进“种植床”的小孔里，其根部浸泡在“床垫”下面的营养液中，营养液经均衡配比，各类营养物质都达到最适宜蔬菜生长的水平。
“这种标准化的蔬菜种植方式效率非常高，例如，菠菜在植物工厂里的生长周期仅为19 天，一年可以收获19 茬，而在普通田地里种植的菠菜一年收获不会超过四茬。”京东植物工厂负责人赵磊说，“由于种每茬菜的营养液是循环利用的，植物工厂比在田地里灌溉作物节水90% 以上。”
不仅是北京，近年来，深圳、苏州、泉州、大连、长春等地都纷纷建起了植物工厂，诸多高科技企业以及中国科学院等科研机构参与其中，农业向高端化发展的趋势愈发明显。“随着生活水平的不断提高，人们对食品安全的要求日益强烈。植物工厂种植的蔬菜无需农药，且可以避免受土壤污染的影响，恰好迎合了大众需求，因而市场潜力巨大。”
赵磊说，“此外一座1 万多平方米的植物工厂，仅需八名工人，可以大大降低劳动力成本，提高利润率。目前我们的种植品种已增加到小菠菜、红翠生菜、罗马生菜等八个品种，每天采摘的蔬菜都会销售一空。未来将继续努力扩大规模，改进技术，推动这套农业模式进一步成熟。”
安溪县中科三安植物工厂栽培车间
植物工厂内种植的生菜、小白菜等，20天左右就能收获，而露地栽培则需要30到40天。
设施农业发展的高级阶段
据介绍，植物工厂是设施农业发展的高级阶段，通过对植物生长环境的高精度控制，植物的生长几乎不受自然条件的制约，生长周期缩短。工厂内种植的生菜、小白菜等，20天左右就能收获，而露地栽培则需要一个月到40 天。除了生长周期短、空间利用率高和一年四季不间断生产是植物工厂的重要特点。
植物工厂采用循环流动的营养液来满足植物的生长，不管何种类型的植物工厂，营养液栽培的基本原理都是将植物所需养分配置成科学合理的离子态营养液，通过输送，满足栽培作物的需求。营养液提供了植物生长所需的各种元素，包括氮磷钾等大量元素及铁锰锌等微量元素，因此没有必要使用土壤栽培。无土栽培的技术现在已经非常成熟，所栽培植物的生长比土培快很多，安全性的管控也更加有效。
植物工厂的营养液配置、灭菌、输送、回收都有专门的设施装置、电子仪器来完成，可实现营养液定量、自动供应，可实时监控营养液浓度、成分、酸碱度变化，通过自动补液，始终为植物创造最优的营养液环境；营养液的流动速度和温度都保持在植物需要的适宜水平，以保证植物的最优势生长。
光照管理是植物工厂高效生产和成本降低的关键因素之一。在高精度环境控制的植物工厂中，LED 照明作为新一代植物光源，具有光量、光质可调整，冷却负荷低等特点，正在成为植物生产过程中光环境调控的主要工具。
光环境的精准调控主要包含光谱、光照强度和光周期三个方面，即“光配方”。在太阳光中，只有5% 左右的不同波长的光对光合作用产生影响，大量的光不能被植物利用。红光、蓝光是植物正常生长发育的必须光质，在红蓝光基础上添加一些特殊光质成分，可有效地促进农作物的增产或刺激药用植物有效次生代谢物质的大量积累。
在一定的光照强度范围内，植物的光合速率随光照强度的增加而加速。但也不是可以一味地提高光照强度，过高的光照一方面导致光抑制现象，影响产量和品质；另一方面也浪费了大量的电能，增加投资成本。在平衡产量、品质与能耗的关系上，往往要同时考虑光照强度和光照时间，针对每一种蔬菜或者每一个发育阶段，满足其每日的光需量。适宜的光照强度和光照时间在保证产量和节省成本方面能起到事半功倍的作用。
为了更好地促进植物的生长发育，以及提高产量、品质等特殊指标，通过定制的光配方来实现植物工厂内的光环境精准调控。根据植物的生长环境区别设计，选取对光合作用贡献最大的光往往在提高光能利用效率和增产的同时，更节能。更为理想的“光配方”应该是在一个完全封闭的环境中，像工业生产一样去种植作物。定制的“光配方”意味着更快的生长速度、更高的产量和更优秀的品质。
据了解，商业化植物工厂的成本分为一次性投资、设备折旧、生产管理三个方面。植物工厂的建设成本与建设规模有关，规模越大单位建设成本越低。在植物工厂的应用推广方面，降低建设成本、开发新材料、利用新能源、提高产量、用高自动化设备降低人工使用数量都是未来植物工厂提质增效的重要途径。
业内普遍认为， 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。利用取之不尽的太阳能和其他各种清洁能源，加上一定的种子、水源和矿物质营养，就可源源不断地为人类生产所需要的农产品。因此，植物工厂被认为是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。
图文来自
《农经》杂志2019年第06期
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