在軍隊建設光伏型"蔬菜工廠"的現實需求及應把握的關鍵點.pdf

46 Vegetables 2021 1 設施蔬菜 在軍隊建設光伏型 蔬菜工廠 的 現實需求及應把握的關鍵點 周林斌 陳志雄 楊 軍 張 弘 第一儲備資產管理局農副業(yè)生產處 江蘇 南京 210016 收稿日期 2020 11 27 基金項目 農業(yè)新技術試驗培訓基地蔬菜化工廠建設 2020 WZ LB01 1152 通訊作者 陳志雄 摘要 為 了使駐高寒 海島 沙漠 戈壁等部隊官兵能夠及時吃到無污染 無公害的新鮮蔬菜 提 高部隊的戰(zhàn)斗力 建設光伏型 蔬菜工廠 成為解決駐惡劣環(huán)境地區(qū)部隊官兵食品安全及國防戰(zhàn)略需求的 新途徑 著重分析建設光伏型 蔬菜工廠 技術優(yōu)勢 整理歸納光伏型 蔬菜工廠 人工光源 無土栽培 和環(huán)境控制等核心技術 并結合軍隊開展的光伏型 蔬菜工廠 示范工程 提出軍隊建設光伏型 蔬菜工 廠 的現實需求及應把握的關鍵點 最后 對開展光伏型蔬菜工廠的建設前景進行展望和探討 關鍵詞 軍隊 光伏型 蔬菜工廠 技術需求 發(fā)展前景 Practical Needs and Key Points to be Grasped of Building Photovoltaic Vegetable Factory in the Army ZHOU Linbin CHEN Zhixiong YANG Jun ZHANG Hong Agricultural and Sideline Production Of ce of the First Reserve Assets Management Bureau Nanjing 210016 China Abstract In order to make officers and soldiers stationed in high cold islands deserts and gobi to eat pollution free and nuisance free fresh vegetables in time and improve the combat effectiveness of the troops the construction of photovoltaic vegetable factory became a new way to solve the food safety and national defense strategic needs of army of cers and soldiers stationed in harsh environment areas The technological advantages of the construction of photovoltaic vegetable factory were analyzed and the core technologies of photovoltaic vegetable factory such as artificial light source soilless cultivation and environmental control were summarized Combined with the demonstration project of photovoltaic vegetable factory carried out by the army the practical needs and key points to be grasped in the construction of photovoltaic vegetable factory were put forward Finally the construction prospect of photovoltaic vegetable factory was prospected and discussed Keywords army photovoltaic vegetable factory technological requirement development prospect 蔬菜工廠化生產是在人工控制環(huán)境的條件 下 根據蔬菜的生理代謝特點及生長規(guī)律 充分 47 Vegetables 2021 1 設施蔬菜 利用自然資源 采用科學化 標準化的技術措 施 運用機械化 自動化 智能化手段 使得蔬 菜快速生長 達到優(yōu)質 高效 批量的一種蔬菜 生產方式 蔬菜工廠 是生長環(huán)境條件全智能 化控制的植物高效生產系統 是植物生產方式的 一場革命 它顛覆傳統農業(yè)生產 不依賴陽光土 壤 不受氣候環(huán)境制約 成為解決人口與資源 矛盾 保障國家糧食安全 滿足食品安全及國 防戰(zhàn)略需求的全新途徑 在邊防哨所等部隊 因受種植 氣候 運輸等條件限制 難以保障 新鮮蔬菜的供應 為保障官兵鮮菜供應而建設 的蔬菜工廠又常因所在位置而缺少電力供應 需要解決能源供給問題 光伏發(fā)電便成為首選 光伏型蔬菜工廠是以太陽能為主要能源 通過光 伏發(fā)電系統供電的一種新型植物工廠 通過在蔬 菜大棚上架設光伏發(fā)電設施供應發(fā)電 同時 安 裝在大棚上的太陽能電池板也可起到隔絕紅外線 的作用 解決了傳統蔬菜大棚保溫 升溫問題 對極端環(huán)境具有更廣泛的適應性 光伏型蔬菜工 廠的誕生 不僅節(jié)約了能源 而且大大拓寬了 蔬菜工廠建設的地理范圍 蔬菜工廠生產得以 從都市走向沙漠 為了探索在軍隊開展光伏型蔬菜工程運作模 式及其發(fā)展路徑和前景 在南京建設了光伏型蔬 菜工廠示范教學工程 本文總結了該模式的技術 優(yōu)勢 軍隊建設光伏型蔬菜工廠的現實需求 光 伏型蔬菜工廠的技術內核 并分析了存在問題和 制約因素 探究了光伏型蔬菜工廠在部隊邊遠駐 地的推廣價值和發(fā)展前景 1 我國光伏型蔬菜工廠發(fā)展情況 我國利用光伏等清潔能源進行設施農業(yè)的研 究起步較晚 但近年來發(fā)展較快 從2006年中國 農科院首次建成人工光利用型植物工廠系統 到 2016年中國科學院植物研究所打造的大規(guī)模單體 面積為10 000 m 2 的植物工廠投產 植物工廠越來 越受到人們的關注 1 2014年9月 國家能源局 下發(fā) 關于進一步落實分布式光伏發(fā)電有關政策 的通知 直接把光伏農業(yè)的建設提上日程 經 濟發(fā)達國家的蔬菜生產從土地耕整到收獲 大部 分已實現了機械化 其蔬菜生產機械化發(fā)展特點 可以概括為區(qū)域種植專業(yè)化 農藝制度標準化 棚室設施大型化 動力平臺專用化 作業(yè)機具多 樣化 生產全程機械化 并且已向自動化 智能 化 信息化方向發(fā)展 發(fā)展光伏型蔬菜工廠既播 種了綠色蔬菜 又收獲了清潔能源 大大提高了 土地利用率 光伏蔬菜工廠的發(fā)展必將掀起中國 光伏農業(yè)史上的第二次革命 2 近年來 我國對大型玻璃溫室 水培蔬菜設 施及人工光型葉菜蔬菜工廠的投資建設需求旺 盛 從南到北已有多個投產和在建的大型設施項 目頻繁被媒體報道 2015年以來逐漸形成了具備 產業(yè)雛形的幾種不同商業(yè)模式 2015年12月 作為中國LED芯片大廠的福建三安集團與中國科 學院植物研究所合作 共同發(fā)起成立了 福建省 中科生物股份有限公司 建設中科三安植物工 廠 從光電產業(yè)跨界到 光生物 產業(yè) 成為 中國LED生產企業(yè)產業(yè)化投資建設植物工廠的先 例 成立于2015年的華星環(huán)球 深圳 農業(yè)有限 公司以室內垂直農場為主營業(yè)務 在2016年底 建成占地面積為3 000 m 2 設計生產規(guī)模為日產 10 000株生菜的喜萃植物工廠 陜西旭田光電農 業(yè)科技有限公司 2013年3月成立于陜西省楊凌 農業(yè)高新示范區(qū) 之后在全國開展人工光型葉菜 工廠的自建自營和承建代營業(yè)務 蔬菜工廠產業(yè) 跨界融合式發(fā)展也日漸凸顯 國內先后有不少化 妝品業(yè)界和生物醫(yī)藥提取界涉足人工光型植物工 廠 以期達到利用植物工廠的高效生產達到靶向 型物資生產的目的 2 光伏型 蔬菜工廠 的技術優(yōu)勢 光伏型 蔬菜工廠 利用高效的LED照明技 術 智能計算機和電子傳感系統對植物生長的溫 度 濕度 光照 CO 2 濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境條 件進行自動控制 實現全年穩(wěn)定的連續(xù)生產 下 面根據光伏型 蔬菜工廠 的特點總結出以下幾 點技術優(yōu)勢 2 1 對自然環(huán)境依賴小 光伏型 蔬菜工廠 不需要土壤 任何能蓋 房子的地方就能進行 蔬菜工廠 生產 且在任 何自然環(huán)境下及不適宜植物生長的地方如沙漠化 高溫區(qū)域 都能進行生產 48 Vegetables 2021 1 設施蔬菜 2 2 全年穩(wěn)定 高效 優(yōu)質生產 由于光伏型蔬菜工廠不需要土壤 不依賴自 然環(huán)境條件 蔬菜工廠 內蔬菜產量和品質不 會隨季節(jié)和環(huán)境的變化而改變 在 蔬菜工廠 密閉生產空間內 人工光源 溫度 濕度 CO 2 可人為控制 營造安全潔凈的最佳生長環(huán)境 蔬 菜生長周期短 全年365 d連續(xù)生產 產量高且穩(wěn) 定 以葉菜類蔬菜生產為例 就1棟10層 每層 高4 m 建筑的 蔬菜工廠 而言 其產量是相 同面積的傳統大田的600倍 由于光與其他環(huán)境 均為最適宜條件 和傳統大田生產相比較 蔬 菜工廠 生產的蔬菜風味品質更好 2 3 資源利用率高 較傳統滴灌農業(yè)節(jié)水上百倍 光伏型 蔬菜工廠 中的植物是通過吸收水 中的營養(yǎng)成分來保證植物生長的需求 大部分 水可循環(huán)利用 理論上講其水分利用效率超過 90 完全密閉的生產環(huán)境的水不會丟失在自然 環(huán)境中 植物蒸騰及蒸發(fā)的水分能夠通過冷凝水 的形式再利用 因此 即使相對于節(jié)水的滴灌農 業(yè) 其水利用效率仍可提高幾十乃至上百倍 2 4 產品質量安全有保障 傳統農業(yè)殺蟲劑和農藥的普遍使用導致農藥 殘留超標現象時常發(fā)生 環(huán)境污染問題越來越突 出 重金屬與其他污染物也成為食品衛(wèi)生安全的 隱患 由于 蔬菜工廠 屬于潔凈生產環(huán)境 采 取嚴格控制病蟲進入 蔬菜工廠 內的管理措 施 讓植物生長在一個無病蟲的高度潔凈環(huán)境 內 有利于生產無農藥 無重金屬 無致病菌污 染的蔬菜 保障產品質量安全 2 5 有利于機械化與自動化管理 蔬菜工廠 內的植物生長整齊一致 且面 積較大 易實現機械化和自動化管理 可大幅度 減少勞動力的使用 適宜的環(huán)境條件 溫度與濕 度 和機械化與自動化也使得整個勞動過程更輕 松與舒適 使其成為吸引現代人從事農業(yè)生產的 重要手段 3 軍隊建設 蔬菜工廠 的現實需求 3 1 解決駐海島 戈壁 沙漠等部隊官兵吃菜難 的問題 海島 戈壁 沙漠受土地 壤 等資源的制 約 很難使用常規(guī)方式進行蔬菜生產 蔬菜工 廠 采用無土栽培技術 用人工配制的營養(yǎng)液供 給植物生長所需的各種礦物質營養(yǎng) 并可根據需 要調節(jié)其成分 只要光照 溫度適宜 便可進行 蔬菜生產 可解決駐海島 戈壁 沙漠等部隊官 兵吃菜難的問題 多年的實踐證明 大豆 菜 豆 豌豆 馬鈴薯 甘藍 葉萵苣 番茄 黃瓜 等作物都適合無土栽培 3 2 解決無市電供應部隊官兵吃菜難的問題 對于無市電供給的地區(qū) 采用光伏發(fā)電系統 給 蔬菜工廠 供電 利用LED植物光譜技術 在凈化廠房內進行蔬菜工廠化種植 一年四季可 進行連續(xù)生產 可解決無市電供應部隊官兵吃菜 難的問題 3 3 解決高海拔 低溫寒冷地區(qū)部隊官兵吃菜難 的問題 由于采用自動化環(huán)境溫度控制及智能化裝備 保持 蔬菜工廠 室內溫度常年在18 24 即使 室外在 40 的地區(qū) 也能進行蔬菜生產 可以 建成集裝箱式 蔬菜工廠 部隊換防到環(huán)境惡 劣地區(qū)時其可隨部隊搬遷轉移 及時解決部隊官 兵吃菜難的問題 即部隊換防到哪里 集裝箱式 菜園就跟進到哪里 官兵吃菜有保障 3 4 解決部隊官兵駐防時間長 蔬菜需求量大的 問題 在人工控制生長環(huán)境下 蔬菜生長周期短 產量高 全年可持續(xù)生產 產量超過傳統栽培方 式的數十倍甚至百倍以上 可充足供應部隊 4 光伏型 蔬菜工廠 的核心技術 光伏型 蔬菜工廠 核心技術包括植物照明 技術 無土栽培技術 環(huán)境控制技術和智能化系 統集成技術等 4 1 人工光源 由于白熾燈 高壓鈉燈 熒光燈作為植物生 產的光源表現出高耗能和低光效 光譜不完全有 利于植物生長與發(fā)育 其已被淘汰 LED 燈作 為新型光源 具有體積小 壽命長 光效高 可 控性好 光譜可調 可根據植物需求定制專用光 譜 和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點 現已成為 蔬菜工廠 的理想光源 49 Vegetables 2021 1 設施蔬菜 4 2 無土栽培技術 隨著科技發(fā)展 無土栽培新技術被廣泛應用 到現代農業(yè)設施建設中 其技術已經非常成熟 實施效果顯著 3 蔬菜工廠 主要采用無土栽 培方式 或稱為植物水培技術 進行生產 即 將作物生長所需的礦物質營養(yǎng)元素配制成一定濃 度的水溶液 循環(huán)供給植物吸收利用 植物無土 栽培核心技術包括適宜某種植物生長發(fā)育的專用 營養(yǎng)液和保障植物根部有充足氧氣供應的營養(yǎng)液 溶氧控制技術 保障植物根系的旺盛活力和對礦 物質養(yǎng)分的吸收 在水培技術中 植物吸收的礦 物質養(yǎng)分都是離子態(tài)的 吸收更加均衡 也更有 利于對環(huán)境潔凈度的管控 且大部分水可循環(huán)利 用 4 3 智能化環(huán)控技術 人工智能化農業(yè)是利用物聯網 大數據 云 計算等現代信息技術 實現精準 高效 可持續(xù) 的農業(yè)生產管理方式 4 人機智能協作技術 集 中實現了蔬菜規(guī)?；L周期的人機智能協作 管理 對促進蔬菜種植的綠色高效可持續(xù)發(fā)展及 產業(yè)升級具有重大戰(zhàn)略意義 利用 蔬菜工廠 人們可以創(chuàng)造最適宜植物生長發(fā)育的環(huán)境條件 實現作物的高產與優(yōu)質生產 因此 環(huán)境控制技 術成為 蔬菜工廠 的核心技術之一 蔬菜工 廠 環(huán)境控制技術是利用計算機和多種傳感器裝 置對植物生長發(fā)育所需的溫度 濕度 光照時間 和CO 2 濃度等進行自動化控制 通過制冷與加熱 雙向調溫控濕系統 均勻送風系統 光環(huán)境調節(jié) 系統 CO 2 增施系統 環(huán)境數據采集與自動監(jiān)控 系統的應用 來實現 蔬菜工廠 的全程監(jiān)控及 周年連續(xù)生產 5 建設 蔬菜工廠 應把握的關鍵點 5 1 按需建設 經過實地調研 有的部隊駐地在高原或高寒 地區(qū) 全年無霜期不超過80 d 年平均氣溫在0 以下 有的部隊駐地在偏僻的海島 戈壁 沙 漠 無土壤和淡水 不通市電 這些地方采取自 然種植方式難以長出蔬菜 基層官兵吃菜難 吃 到新鮮蔬菜更是難上加難 建設光伏型 蔬菜工 廠 生產蔬菜 可以實現一年四季不間斷生產 滿足部隊需求 5 2 規(guī)模適度 采用光伏型 蔬菜工廠 生產蔬菜 建設和 運行成本要高于自然種植成本 生產多了容易造 成浪費 生產少了滿足不了官兵需求 為了解決 這一矛盾 目前部隊配置了班用 排用和連用 蔬菜工廠 規(guī)定了不同的建設尺寸 從源頭 上杜絕了超大規(guī)模建設帶來的資金浪費 5 3 節(jié)約資源 光伏型 蔬菜工廠 主要采用太陽能供電 在安裝太陽能光伏板時要綜合考慮 網架離地面 應在2 5 m以上 這樣光伏板下可以種植耐陰植物 如生姜 黃連 葡萄等 也可開挖成池塘養(yǎng)魚 提高土地利用率 防止造成土地浪費 5 4 健康環(huán)保 蔬菜栽培設備主要由栽培層架 栽培槽 定 植板 植物照明燈具 營養(yǎng)液供排系統等組成 所用材料要達到衛(wèi)生指標 要確保在高濕環(huán)境下 長期使用不生銹 不腐蝕 不容易與營養(yǎng)液發(fā)生 化學反應 綠色環(huán)保蔬菜的生產對生產環(huán)境 種 植土壤 灌溉用水 生產管理過程 農藥殘留標 準都有嚴格的要求 5 應嚴格按照建設規(guī)范建設 蔬菜工廠 控制各項指標 防止設備與材料 對種植造成二次污染 確保 蔬菜工廠 生產的 蔬菜食用安全 5 5 人才培養(yǎng) 蔬菜工廠 作為一種通過高精設備控制的 細微環(huán)境 使作物能夠周年生產并產生較高效益 的高效農業(yè)技術 整個系統由計算機控制 溫 度 濕度 光照 營養(yǎng)液及二氧化碳的濃度等環(huán) 境因素都由計算機自動控制 大大減少了人力成 本 并且不受外界自然因素影響 蔬菜工廠 是一個國家農業(yè)科技發(fā)展水平的一個標志 集合 了現代工業(yè) 生物科技 營養(yǎng)液開發(fā)以及信息技 術 因此 要有超前意識 著力培養(yǎng)一支熟悉設 施 生態(tài)農業(yè)和生物科技專業(yè)知識的復合型人才 隊伍 6 光伏型蔬菜工廠發(fā)展前景 首先 建設光伏型蔬菜工廠是蔬菜產業(yè)發(fā)展 的必然趨勢 光伏型蔬菜的生產是蔬菜生產方式 50 Vegetables 2021 1 設施蔬菜 的改革以及創(chuàng)新 直接或間接地影響顧客的購買 率 經濟愈加繁榮 人們的生活方式以及追求也 會提升 對于蔬菜也會更加追求質量安全 品質 優(yōu)良 新鮮健康 購買快捷等 人工光伏型蔬菜 工廠技術可以針對特定人群進行指向性品種生產 與質量調控 必將成為未來社會為高品質生產和 高收入人群提供個性化蔬菜的新型生產方式 有 著美好的發(fā)展前景 第二 發(fā)展光伏型蔬菜工廠 有利于規(guī)范蔬菜市場的管理 將國外的優(yōu)質資源 及先進的蔬菜產業(yè)技術與我國的國情及經驗相結 合 改進蔬菜生產技術 提高采后處理的水平 有利于加強對蔬菜市場依法治理和規(guī)范管理 較 快地提高我國蔬菜產品質量 第三 發(fā)展光伏型 蔬菜工廠將成為我國進行農業(yè)產業(yè)結構調整的一 個重要手段 工廠化蔬菜產業(yè)結構的調整并非僅 僅是蔬菜種植種類和面積比例的改變 而應立足 于蔬菜產業(yè)鏈整體結構調整 進一步立足在種 業(yè) 栽培 生產 加工 貯運 流通等領域 逐 步完善蔬菜產業(yè)體系 第四 保障 菜籃子 促進部隊戰(zhàn)斗力提升 用兵制勝 以糧為 先 部隊伙食保障是保障打贏的基礎性工作 關系官兵身體健康 連著部隊戰(zhàn)斗力的生成 把 農業(yè)科技最新成果應用于邊防軍營 對于加強軍 營 菜籃子 建設具有重要的戰(zhàn)略意義 參考文獻 1 崔佳維 陳智杰 人工光利用型植物工廠核心技術研究 進展 J 農業(yè)工程技術 2017 28 46 53 2 李培之 袁志永 光伏蔬菜大棚發(fā)展前景展望 J 農業(yè)工 程技術 2013 10 26 3 徐小蓮 我國蔬菜無土栽培現狀與發(fā)展趨勢 J 農業(yè)工 程 2019 10 121 123 4 徐茂 吳昊 魏祥帥 基于物聯網技術的江蘇設施蔬菜智 能化生產 J 長江蔬菜 2020 8 20 23 5 李楊明 綠色蔬菜的質量控制與管理 J 科技視 界 2013 18 168 169 蔬 中國農業(yè)科學院解析西瓜果實糖和有機酸調控網絡 西瓜是全球第五大水果 富含番茄紅素 瓜氨酸 維生素 糖和多種有機酸 其中糖和有機酸是影響 西瓜感官品質的重要成分 在西瓜果實的發(fā)育和成熟過程中 糖和有機酸含量決定了西瓜的口感 但是 目前西瓜中糖和有機酸的代謝調控網絡尚未明晰 2020年12月14日 Horticulture Research 在線發(fā)表了中國農業(yè)科學院鄭州果樹研究所多倍體西瓜 遺傳育種課題組題為 Identification of key gene networks controlling organic acid and sugar metabolism during watermelon fruit development by integrating metabolic phenotypes and gene expression pro les 的研究論文 該 研究利用甜味西瓜203Z和其近等基因系的酸味西瓜SrW 為材料 比較了甜味西瓜和酸味西瓜果實發(fā)育不同 階段的糖 果糖 蔗糖和葡萄糖 和有機酸 蘋果酸 檸檬酸和草酸 的含量變化 結果發(fā)現 隨著果實 成熟 果糖和葡萄糖先升高后降低 但蔗糖呈現一直升高的趨勢 酸味西瓜中有機酸含量顯著高于甜味西 瓜 蘋果酸是西瓜果實中最主要的有機酸 以酸味和甜味西瓜果實4 個發(fā)育過程轉錄組數據為基礎 分析西瓜果實發(fā)育過程中的差異表達基因 通過WGCNA 共表達分析 鑒定出11 個不同的基因模塊 在11 個共表達的基因網絡中 有3 個與糖類和 有機酸顯著相關 通過顯著性和qRT PCR 分析 篩選到了7 個參與西瓜果實糖酸代謝的關鍵基因 其中 Cla97C01G000640 Cla97C05G087120 和Cla97C01G018840 為糖轉運蛋白 Cla97C03G064990 是一種蔗糖合 酶 Cla97C07G128420 Cla97C03G068240 和Cla97C01G008870 與蘋果酸和檸檬酸高度相關 為蘋果酸和檸 檬酸轉運蛋白 將這些基因在自然群體中進行驗證 結果表明 這7 個基因的表達量與西瓜果實中的糖酸含 量呈顯著正相關 為西瓜果實發(fā)育過程中調控糖和有機酸合成的候選基因 該研究解析了西瓜果實糖和有 機酸代謝調控的分子機制 為西瓜品質育種提供了理論依據 對中國西瓜產業(yè)的發(fā)展和育種水平的提高具 有重要的科學意義 蔬