植物工廠的國(guó)家戰(zhàn)略需求及其產(chǎn)業(yè)的前沿科技創(chuàng)新.pdf

17 中國(guó)農(nóng)村科技 2023 年 2 月 植物工廠的國(guó)家戰(zhàn)略需求及其產(chǎn)業(yè)的 前沿科技創(chuàng)新 文 李紹華 目前 全球人口已達(dá) 80 億 聯(lián)合國(guó)發(fā)布的 世 界人口展望 2022 報(bào)告預(yù)測(cè) 到 2059 年全球人口 可能突破 100 億 當(dāng)今的資源與人口矛盾已十分突 出 已有近 10 億的饑餓人口 這就意味著 30 年內(nèi) 需要增加 58 的糧食產(chǎn)能 才能解決全球的糧食 安全問(wèn)題 我國(guó)是全球人口的第一大國(guó) 約占世界總?cè)丝?的 18 但擁有耕地只占全球的 7 人均耕地不 及世界平均耕地面積的 50 人口與資源矛盾更加 尖銳 2021 年我國(guó)谷物進(jìn)口達(dá) 1 65 億噸 較 2020 年增長(zhǎng)了 18 約為國(guó)產(chǎn)的 6 83 億噸谷物的 1 4 并且隨著我國(guó)人民生活水平的進(jìn)一步提高 肉蛋奶 消費(fèi)量增加必將導(dǎo)致人均谷物類糧食消費(fèi)量的持續(xù) 增加 我國(guó)人均谷物類糧食消費(fèi)從 20 世紀(jì) 90 年代 的 300 kg 增長(zhǎng)到了當(dāng)今的 550 kg 增加部分主要用 作了畜禽類養(yǎng)殖的飼料 可以預(yù)見(jiàn) 即使守住我 國(guó) 18 億畝農(nóng)業(yè)耕地的紅線 我國(guó)谷物類糧食的生 產(chǎn)與消費(fèi)的缺口仍將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大 此外 我國(guó)過(guò)度 使用化肥與農(nóng)藥 占全球使用量 1 3 以上 環(huán)境嚴(yán) 重污染的同時(shí) 也帶來(lái)了突出的食品安全問(wèn)題 植物工廠又稱為室內(nèi)農(nóng)業(yè) 也就是在房子里種 莊稼 是一個(gè)在人工條件下生長(zhǎng)環(huán)境全智能控制的 室內(nèi)植物高效生產(chǎn)系統(tǒng) 它不依賴陽(yáng)光 不需要土 壤 不受氣候環(huán)境制約 解脫了自然生態(tài)束縛 使 包括極地在內(nèi)的地球陸地上任何地方都可能從事農(nóng) 業(yè)生產(chǎn) 也使?jié)M足人類未來(lái)移居太空其他星球的太 空之旅的糧食需求成為可能 因此它屬于顛覆傳統(tǒng) 農(nóng)業(yè)的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè) 植物工廠內(nèi)對(duì)植物生長(zhǎng)的溫 度 濕度 光照 CO 2 濃度 在一定范圍內(nèi) 植物 光合效率因環(huán)境 CO 2 濃度提高而增加 實(shí)現(xiàn)增產(chǎn) 因此也被稱為 CO 2 肥 以及營(yíng)養(yǎng)液 植物生長(zhǎng)發(fā)育 必需的礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng) 等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制 給 予植物生產(chǎn)的最佳條件 大幅度縮短植物生產(chǎn)周期 并提高產(chǎn)量 實(shí)現(xiàn)全年穩(wěn)定的連續(xù)生產(chǎn) 從而大幅 度提高單位面積上的生產(chǎn)效率 由于對(duì)生產(chǎn)環(huán)境 包括有害生物 昆蟲(chóng)與病原微生物 水 空氣的 嚴(yán)格管控 生產(chǎn)環(huán)境中不存在病蟲(chóng)害 生產(chǎn)中不需 要使用農(nóng)藥 化肥的使用量?jī)H為我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的 1 65 且杜絕了重金屬和任何其他污染物的污染 加上提供了生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的最佳條件 植物工廠可 以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì) 高衛(wèi)生安全品質(zhì)和高食用品質(zhì) 農(nóng) 產(chǎn)品的穩(wěn)定生產(chǎn) 植物工廠屬于垂直農(nóng)業(yè) 它可以 在一間房子里進(jìn)行多層農(nóng)作物的生產(chǎn)栽培 采用倉(cāng) 貯式生產(chǎn)方式在同一空間內(nèi)可以輕松實(shí)現(xiàn) 10 層 20 層作物栽培 也可以建成數(shù)十層乃至上百層 建筑物的植物工廠 實(shí)現(xiàn)向高空發(fā)展的垂直立體農(nóng) 業(yè) 故可以在一塊地表上獲得相當(dāng)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)成千 上萬(wàn)倍的收成 因此 面對(duì)人口與資源矛盾 環(huán)境 污染與食品安全等重大問(wèn)題 植物工廠不僅對(duì)解決 全球的資源與人口矛盾具有重要的戰(zhàn)略意義 也是 我國(guó)發(fā)展 18 億畝耕地外的大農(nóng)業(yè) 成為解決 我國(guó)大糧食安全和食品安全的重要途徑之一 現(xiàn)代商業(yè)化植物工廠發(fā)展是隨著藍(lán)光 LED 燈 具的面市才發(fā)展起來(lái)的 時(shí)間很短 僅僅有十多年 的歷史 但植物工廠生產(chǎn)屬于真正的現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 它 采用工業(yè)化方式進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一 場(chǎng)革命 由于植物工廠生產(chǎn)采用的是工業(yè)化方式 需生物學(xué) 作物栽培學(xué) 設(shè)施農(nóng)業(yè)學(xué) 建筑工程學(xué) 環(huán)境控制學(xué) 材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科交叉 融合才能真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化 而植物工廠對(duì)于絕大多 數(shù)的學(xué)科來(lái)講都是一個(gè)全新的領(lǐng)域 因我國(guó)植物工 廠發(fā)展起步晚 早期生產(chǎn)裝備與技術(shù)主要從日 美 和歐洲的國(guó)家進(jìn)口 存在諸多的卡脖子難題 嚴(yán)重 阻礙了我國(guó)植物工廠產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展 2015 年成立的福建省中科生物股份有限公司 以下簡(jiǎn)稱 中科生物 是由有近百年歷史的 我國(guó)首個(gè)生物學(xué)研究機(jī)構(gòu) 中國(guó)科學(xué)院植物研究 所與半導(dǎo)體照明工程龍頭企業(yè)三安集團(tuán)共同創(chuàng)建 18 特別策劃 Specially Curated 為促進(jìn)植物工廠領(lǐng)域的科技創(chuàng)新和加快科技成果轉(zhuǎn) 化 中科院植物研究所成立了植物工廠研發(fā)中心 并采用全新的產(chǎn)業(yè)合作機(jī)制 派駐專門的科技人員 入住中科生物 全時(shí)進(jìn)行植物工廠產(chǎn)業(yè)的科技創(chuàng)新 中科生物以植物研究所派駐的科技人員為骨干成立 了光生物產(chǎn)業(yè)研究院 針對(duì)全球存在的產(chǎn)業(yè)問(wèn)題 進(jìn)行了大量的研發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新 科技創(chuàng)新取得突出 成績(jī) 過(guò)去 5 年里 申請(qǐng)專利超過(guò) 500 項(xiàng) PCT 專 利占國(guó)內(nèi)植物工廠領(lǐng)域數(shù)量的 3 4 占國(guó)際同領(lǐng)域 企業(yè) PCT 專利數(shù)的 45 在植物工廠裝備方面 模塊化整合生產(chǎn)系統(tǒng)是 全球首套運(yùn)用于建造植物工廠的臺(tái)套化裝備 該裝 備采用全新的模組化工業(yè)設(shè)計(jì)理念 創(chuàng)制出占地面 積僅為 1 1 m 2 的 樂(lè)高玩具 式可進(jìn)行任意組合 的模組化植物生產(chǎn)系統(tǒng)成套裝備 該裝備適用于從 低矮的生菜到水稻以及高大的西紅柿等多種作物生 產(chǎn) 既可單套獨(dú)立運(yùn)行 也可以多套并列運(yùn)行 方 便組建任意形狀和規(guī)模的植物工廠 已成為一個(gè)全 球性的裝備 2018 年構(gòu)建了堆垛式模塊化超高層 立庫(kù)生產(chǎn)系統(tǒng) 全球首次實(shí)現(xiàn)了植物生產(chǎn)全過(guò)程的 機(jī)械化和自動(dòng)化 2022 年建成的第三代自動(dòng)化植 物工廠 成為全球首個(gè)無(wú)人植物工廠 解決了密集 型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)力需求量大導(dǎo)致的高生產(chǎn)成本的難 題 已完成基礎(chǔ)研發(fā)的節(jié)能免分栽植物工廠自動(dòng)生 產(chǎn)系統(tǒng)和垂直液流植物生產(chǎn)系統(tǒng)也對(duì)未來(lái)植物工廠 裝備發(fā)展具有重要的引領(lǐng)作用 前者能根據(jù)植物生 長(zhǎng)過(guò)程中的實(shí)際大小 通過(guò)非等距步進(jìn)式自動(dòng)位移 并結(jié)合呈扇形分布的線性栽培槽 實(shí)現(xiàn)了免分栽條 件下植物任何生長(zhǎng)階段在栽培板表面的高覆蓋率 大幅度提高了作物接受光能的比率 后者顛覆了經(jīng) 典的營(yíng)養(yǎng)液水平流動(dòng)和作物水平栽培的生產(chǎn)系統(tǒng)理 念 創(chuàng)制出雙面栽培板的垂直栽培槽的垂直均勻液 流植物生產(chǎn)系統(tǒng) 攻克了水平生產(chǎn)系統(tǒng)裝備建造的 植物工廠環(huán)境控制困難的瓶頸 并能大幅度提高植 物栽種的容積率與植物工廠單位容積內(nèi)的作物生產(chǎn) 力 萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng) 構(gòu)建模擬 陽(yáng)光 的 LED 照明燈具的植物生產(chǎn)專用光譜成為植物工廠的 核心技術(shù)之一 在專用光配方方面 發(fā)現(xiàn)了 430 440 nm 較傳統(tǒng)的 450nm 藍(lán)光 680nm 較 660nm 紅 光對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)具有更大的促進(jìn)作用 完全顛覆 了根據(jù)植物葉綠素的陽(yáng)光最大吸收峰最有利于植物 生長(zhǎng)的傳統(tǒng)理念 紅光和遠(yuǎn)紅光有利于產(chǎn)品的糖積 累以及對(duì)促進(jìn)植物的提早開(kāi)花和增加開(kāi)花數(shù)量的作 用以及 505 545 nm 綠光和 670 685nm 紅光對(duì)次生 代謝產(chǎn)物合成積累的調(diào)控作用的發(fā)現(xiàn) 對(duì)于瓜果與 藥用植物的高產(chǎn)優(yōu)產(chǎn)具有重要的價(jià)值 開(kāi)發(fā)出基于 滿足果 菜 花 糧食作物和藥用植物等多種作物 育苗 營(yíng)養(yǎng)與生殖生長(zhǎng) 次生代謝產(chǎn)物和品質(zhì)調(diào)控 的 80 余種專用光配方的五大類植物照明燈具 光 環(huán)境調(diào)控技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)跑地位 保障必需礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的均衡供給是植物工 廠的又一個(gè)核心技術(shù) 研發(fā)出十余種高效優(yōu)質(zhì)專用 營(yíng)養(yǎng)液配方 開(kāi)發(fā)出適合不同作物 不同應(yīng)用場(chǎng)景 的三大類營(yíng)養(yǎng)液產(chǎn)品 部分營(yíng)養(yǎng)液填補(bǔ)植物工廠作 物生產(chǎn)的空白 產(chǎn)品穩(wěn)定性好 在植物工廠里應(yīng)用 作物的產(chǎn)量高 品質(zhì)好 尤其是藥用植物的次生代 謝產(chǎn)物含量高且穩(wěn)定 在作物栽培技術(shù)與生產(chǎn)模式 上有重大突破 除葉菜類蔬菜外 實(shí)現(xiàn)了瓜果類蔬 菜 花卉 西甜瓜 果樹(shù) 藥用植物等十幾種作物 在植物工廠內(nèi)生產(chǎn) 很多種類都屬于國(guó)際植物工廠 產(chǎn)業(yè)化空白 植物工廠研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化狀態(tài) 是衡量一個(gè)國(guó)家 農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標(biāo)志 植物工廠產(chǎn)業(yè)化任重 道遠(yuǎn) 仍需要我們的科技人員與企業(yè)持續(xù)進(jìn)行科技 創(chuàng)新 從而實(shí)現(xiàn)引領(lǐng)全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目標(biāo) 為滿足 我國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略需求 乃至于為解決全球人口資源矛 盾作出貢獻(xiàn) 作者單位 中國(guó)科學(xué)院植物研究所 植物栽培