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走进世界最大的植物工厂
日期:2017-09-02 作者:许琦敏 来源:文汇报

  • 图片说明: ▲在植物工厂,蔬菜一年可以收获16-18茬。


  • 图片说明: ▲番茄


  • 图片说明: ▲石斛


  • 图片说明: ▲冰菜


  • 图片说明: ▲植物生长所需的环境条件:光、温、水、气 (二氧化碳)、肥(营养元素),都可以通过人工调节来进行控制。


  • 图片说明: ▲植物工厂生产的蔬菜已在厦门、福州和泉州等地100多家超市上架。


  • 图片说明: ▲在环境条件完全可控的状态下生长的蔬菜,集安全、优质、营养于一体。


  • ■本报首席记者 许琦敏

      持续上万年春种秋收、靠天吃饭的农耕方式或许已经走到了尾声? 是的。如今,一门名叫“光生物”的学科正从实验室走向产业。它将植物生长所需要的阳光、土壤、雨露,用人工的方式提供给植物,使瓜果蔬菜在最理想的环境下生长,能量得到尽可能大的转化。

      最近,在福建省泉州市安溪县,一座目前世界上单体面积最大的全人工型植物工厂正式投入生产,日产蔬菜1.5吨左右,并已进入超市货架。在没有阳光和土壤的室内,生产无菌、无重金属等有毒物质污染的高品质蔬菜,中科院植物研究所与福建三安集团正联手将光生物科学从实验室推向国民经济主战场,一个崭新的光生物产业元年即将到来。

      ●植物工厂是通过设施内高精度环境控制,实现农作物周年连续生产的高效农业系统;通过计算机对植物生育的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度以及营养液等环境条件进行自动控制,使设施内植物生育不受或很少受自然条件的制约。

      ●植物工厂的蔬菜生长流程主要包括:播种-拣苗-育苗-移栽-生长管理-收获。

      ●LED红蓝光谱的波长调节范围很大,且可人工控制,可以针对不同种类植物调节成合适的光谱波长,这样,植物就能根据LED设定的光源进行生长。定制的“光配方”,意味着植物的生长速度可以更快,并可获得更高的产量和更优秀的品质。

      ●由于植物工厂内使用了人工照明,可以实现多层立体化栽培。蔬菜可以在堆叠式层架上,利用无土栽培方式种植,叶片吸收人工光源提供的光来进行光合作用,根系生长在营养液中,通过营养液为其提供水分、养分和氧气等。

      ●目前,植物工厂除了培育生菜、小白菜、芹菜、番茄、黄瓜等蔬菜瓜果外,还有石斛、金线莲等多种药用植物。

      为植物寻找“光配方”

      如果严重自然灾害对传统农业造成毁灭性打击,光生物产业的元年就将到来。

      什么是光生物学? 它要揭示的,是阳光与生命活动之间的各种奥秘。

      万物生长靠太阳,光合作用可以说是地球上最重要的能量转化方式。植物、藻类和部分细菌,通过光的转换,将二氧化碳和水转化为碳水化合物和氧气,将太阳能转化为化学能,植物90%的生物量是光合作用的产物。

      看起来普普通通的阳光,其实包含了各种波长不同的电磁波,有我们肉眼能够感知的可见光,还有红外线、紫外线和远红外光等不可见光。

      植物生长究竟靠哪些光? 科学家对植物光合作用的原理进行了长期细致的研究,发现植物更青睐可见光的蓝色和红色部分,比例超过60%,因此将红光和蓝光按照一定比例配比制成光源,就能满足植物生长的需要。植物几乎不吸收绿光,也不需要红外、远红外等部分,把它们去除掉,根本不影响植物生长,还可以避免大量能耗。

      中科院植物所研究员、中科生物研究院院长李绍华介绍,不同的植物对光波的吸收也有不同喜好,为此他们形成了一系列专用的“光配方”,让植物在最适宜的光照下进行生长。他说:“而我们就是把这部分奥秘解开,就像为婴儿提供配方奶粉一样,为植物提供最适合生长的光照,尽量减少无谓的能耗。”如今,他们已经找到了多种瓜果蔬菜的光配方,并申请了专利。

      或许你会觉得,让蔬菜在阳光下生长就好,何必要费心去寻找这些“光配方”? 如果我们把眼光转向药用植物,“光配方”的意义就会显得更加重要。李绍华说,很多药材之所以珍贵,就因为它们生长条件特别苛刻,即使实现人工栽培,植物中的药用成分却可能下降。这是因为植物中的药用成分往往并非维持生命所必需,只有在受到环境胁迫时才会产生。所以,药材质量往往与产地密切相关,离开了特定的自然环境,就难以保证。可如果解析出了它所需的光配方,再配合环境 (气候)、营养 (土壤) 配方,就能在人工环境下大量生产出高质量药用植物。

      “我们已经研制出了多种药用植物的光配方,比如具体光谱的配比,或者加入一些特殊波段的光。”李绍华说,他们培育出的石斛、金线莲等,其中药用成分含量甚至可以超过天然生长的植物———在植物工厂里,可以一年到头不分季节地持续生产出高品质药材。

      在全球气候变暖的当下,日益增多的极端天气给传统农业带来的损失越来越大,“如果哪天严重的自然灾害给传统农业带来了毁灭性打击,那么光生物产业的元年就到来了。”李绍华说,光生物产业其实是生命科学与光电产业的深度交叉融合,将对传统农业产生颠覆性影响,让人类再次摆脱对自然条件的依赖,“如果光生物产业发展繁荣后,当人类飞向宇宙深处,它将为太空中的食物生产,提供一定的解决之道。”

      效率高得惊人

      走进植物工厂,才会了解原来植物“心无旁骛”地生长,能量利用可以如此高效。

      这些在全人工条件下生长的蔬菜究竟什么样? 要想近距离看上它们一眼,还真不容易。因为它们全程生长在无菌、无尘环境中,人要想接近它们,先要经过严格消毒与隔离。

      在安溪的植物工厂,进入生产车间前,记者穿上了两层隔离服,又戴上口罩、眼罩、手套,几乎全身上下都被罩了起来,再经过风淋、酒精消毒,连长筒套鞋鞋底都要趟过消毒液池。如果要带进手机、相机,这些物件也需先经过消毒。

      中科生物研究院研发主任裴克全介绍,车间里的温度、湿度都根据蔬菜最适宜的条件来调节,并通入更多的二氧化碳,促进光合作用。

      通常,大气中的二氧化碳浓度不会超过400ppm,但车间里则高达1000ppm,所以,必须有风扇不停吹着,保持空气流通。这样可使植物的光合效率提高,植物生物量的形成和营养物质的积累,都是常规栽培的数倍。

      在植物工厂里,从播种开始到收获,生菜、青菜等蔬菜基本只需35天的生长周期,除去育苗期,真正占用车间的时间只有20天。也就是说,同样一亩的面积,在植物工厂,一年可以收获16-18茬蔬菜,这是在大田中无法想象的。更可观的是,在一层三四米高的车间里,可以叠起6-8层栽培蔬菜的架子,每层都是有效种植面积。如果在一亩地上建造十几层高楼,相当于将可种植的土地面积扩展了成百倍。

      植物工厂的高效,还不止于此。在10万级洁净空间中生长起来的蔬菜,无需喷洒任何农药、杀虫剂,连灰尘都难以沾染,完全可以免洗入口。裴克全说,尽管目前种植1公斤蔬菜需要耗电10度,加上管理成本,价格比普通蔬菜高出不少,但从综合效益看,其发展空间巨大。

      在植物工厂中,水和营养的利用效率可以高达90%以上。别小看那一层层架子,所有电线、营养液运输管道,全部都集成在里面,为蔬菜精确输送养分。而在大田里,90%以上的水分都蒸腾到了空气中,超过60%的化肥没有被植物吸收,造成了土壤板结、微生物灭绝,还渗入地下水造成污染。“车间几乎不排放污水,反而可以产生更多氧气。”裴克全说,目前这些蔬菜可以成为人们餐桌蔬菜的有效补充,在沙漠、海岛、远洋作业等特殊地方,植物工厂可以解决部分恶劣气候条件下,特殊人群的绿色蔬菜需求。

      就在工厂院落的一角,记者看到了集装箱大小的可移动植物工厂。只需配上太阳能发电装置,带够种子和浓缩营养液,它就可以持续不断地生产出新鲜蔬菜。

      面临的特殊难题

      植物工厂大规模推广,还要跨越许多坎,比如找出引导蜜蜂归巢的“光奥秘”。

      安溪的植物工厂正在摸索全自动的生产技术。目前车间已在用机器人运输,今后从育苗到栽种的植物分拣,也将实现自动化。自动化程度越高,引入的污染可能性越小。毕竟对于植物工厂的生产车间而言,一旦有病毒入侵,整个车间都必须彻底清理。

      李绍华说,车间里从照明、温度、湿度,到营养液、二氧化碳浓度,都是针对某种蔬菜“量身定制”,所以品种的单一性使得这里的植物对病毒的抗性不如自然生长的个体。一旦有植物得病,势必会迅速蔓延。这也是一个悖论,就像大田里的作物虽然产量高于野生种,但很多应对疾病、灾害的能力都比不上野生种一样。

      目前,植物工厂能够生产的主要是一些叶菜,比如生菜、冰菜、小青菜等等,如果要拓展到水果,就需要考虑授粉问题。裴克全说,比如种植草莓,如果要大面积推广,就不能靠人工授粉,必须要靠蜜蜂。可是,在人工光源下,蜜蜂是找不到回巢之路的。究竟阳光中的哪种光给它导航了呢? 那就得在车间的光源里,把这种光源给加上,给蜜蜂规划好授粉、回巢的路线。

      这只是大规模推广植物工厂所需要解决的诸多问题中的一个。此外还有能耗是否可以进一步下降的问题。过去几十年,欧美、日本都曾发展过植物工厂,但往往因为能耗过高,成本难以下降,最终亏损,难以为继。不过,随着技术发展,能耗还可能进一步下降。据中科生物有限公司总经理占卓介绍,下一代植物工厂即将于数月后开建,其能耗将较第一代工厂降低25%。

      另外,还有品种矮化的问题。现在叶菜的高度不过20厘米,可水稻植株就有四五十厘米高,苹果、桃子、梨等原本结在乔木上的果子,想要在工厂车间里长出来,可就太占地方了。能否得到适合车间种植的新品种? 这还真得让育种专家们费点心思。

      目前,安溪植物工厂第一栋厂房的面积在1万平方米左右,还有7栋厂房也将陆续投入使用。未来3年,他们还将在北上广深等一线城市建成上万平方米的植物工厂。或许,植物工厂会让保鲜运输技术进入博物馆,因为任何植物都能随处生长、新鲜采摘。



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