植物照明工厂的崛起与未来

  中照网讯 人类社会的食物生产是最基本的生产活动。农业生产发生之前,人类以渔猎采集为生。渔猎采集的对象是自然界的植物、动物等,自然资源有限,养活不了众多的人口。大约1.2万年前,在美索不达米亚、埃及、中国、印度、中南美洲等地区形成了若干位于大河之畔的农业起源中心,通过引种谷物、豆类、块茎类等可食植物,驯化牛、猪、羊和狗等牲畜,从刀耕火种到人工灌溉,从狩猎圈养到人工繁殖,形成了原始的农业生产,并沿不同的路径向世界各地扩散,发展成为各具特色的农业生产类型。农业生产发生之后,人类积累农业生产经验,改进农业生产技术,提高农业生产产量,发展传统农业,养活了世界上众多的人口。

  18世纪下半叶发生的工业革命,开启了机器制造的新时代,伴随科学与技术的进步,人类社会面貌发生了翻天覆地的变化。工业革命给农业生产带来了机械化、化学化和信息化,机械化帮助人们从繁重的农业劳动中解放出来,化学化为农作物生长提供化学肥料、为防止杂草和病虫害侵扰提供化学农药,信息化帮助种植业、畜牧业生产实现了智能化的科学管理,传统农业开始进入了现代农业阶段。现代农业减轻了农业生产的劳动强度,提高了农业产品的产量品质,但没有改变农业生产的基本面貌。

  从某种程度上讲,农业是工业革命发生之后变化最为迟缓的一个产业。今天的农业,种植业仍遵循着播种、育苗、生长、繁殖、收获的规律,畜牧业仍延续着配种、繁殖、生长、育肥、出圈的过程。农业种植生产容易受自然灾害的侵害,农业养殖生产容易受流行疫病的侵害。

  说到底,农业生产的过程仍是一个生命物质的培育过程,这个培育过程仍在自然环境中进行,受到了自然环境的严苛限制。

  随着科学与技术的发展,尤其是基因技术与人工智能技术的进步,这一切终将改变,农业只有彻底摆脱了自然环境与气候的制约,才能在真正意义上摆脱在农业生产之前始终标注的“传统”两字,问心无愧地称得上现代农业。

  1、植物工厂的崛起

  工业革命诞生了现代工厂制度,所谓现代工厂制度,就是以机器制造为主体的集约生产,整个生产活动受制于严格的管理规章,形成了较高的劳动生产率。工业革命的成功,给农业以极大的示范启示。人们希望农业生产也能够借鉴现代工厂制度,摆脱自然环境的制约,摆脱对可耕地的依赖,采用机械化流水作业,形成集约、高效的生产方式。但是,传统农业巨大的发展惯性,致使农业工厂的出现比工业工厂晚了将近两个世纪。

  1949年,美国植物学家和园艺学家在加州帕萨迪纳建立了一座人工气候室,成为了植物工厂的早期模型,为植物工厂的发展进行了有意义的探索。

  1957年,丹麦在哥本哈根市郊的约克里斯顿农场建设了世界上第一座真正意义上的植物工厂,工厂面积1000平方米,采用人工光和太阳光并用技术,从播种到收获采用全自动传送带流水作业,年产水芹100万公斤。植物工厂开始登上历史舞台。

  1963年,奥地利卢斯纳公司建造了高30米的塔式人工光植物工厂,采用上下传送带旋转式的立体栽培方式种植生菜,最大限度节约土地,成为垂直植物工厂的发端。

  1973年,英国温室作物研究所库珀教授提出了营养液膜法(NFT)水耕栽培模式,简化了栽培结构,降低了生产成本,成为植物工厂的一项标准技术。

  植物工厂在欧美起步,但由于日本人多地少,在日本得到了充分发展。

  1974年,日本日立制作所中央研究所的研究团队建成了一座采用电子计算机调控的花卉蔬菜工厂,该工厂由1栋两层的楼房和两栋栽培温室组成,研究团队通过计算机分析植物工厂的温度、光照强度、二氧化碳浓度等对植物生长影响的数据,获得了较大成功。

  上世纪的70~80年代,世界上一些著名企业如荷兰的飞利浦、美国的通用电气、日本的日立制作、三菱重工等纷纷投入巨资,与农业科研机构合作,进行植物工厂的关键技术开发,为植物工厂发展奠定了坚实基础。

  1985年,日本在筑波世博会上展示了一套三层楼高的塔式人工光植物工厂,成为了日本植物工厂发展成就的一个历史标志。

  1987~1989年,美国在亚利桑那州的沙漠中建设了一座微型人工生态循环系统,称之为生物圈2号(假设地球为生物圈1号)。生物圈中有一个集约农业区,集约农业区好比一个大型植物工厂,以满足实验人员的食物需求。生物圈2号探索了未来可能的太空殖民中封闭生态系统的作用。

  这些年来,发达国家的植物工厂发展迅速。美国、荷兰、日本、韩国、以色列等都建设了众多的植物工厂。

  中国的植物工厂建设起步较晚,但发展较快。

  上世纪90年代,中国开始植物工厂实验探索。进入新世纪以后,中国东部沿海地区广泛进行植物工厂建设。2013年,由无锡市供销社与日本三菱株式会社合作建设的首座植物工厂在江苏无锡农业科技博览园建成投产,这座植物工厂采取太阳光与人工光相结合的方式,采用无土水培技术,起到了较好的示范作用。2016年,中国科学院植物研究所与福建三安集团合作在福建安溪建设了国内最大的植物工厂,植物工厂在中国蓬勃兴起。

  2、植物工厂的优势

  植物工厂是现代设施农业发展的一个重要标志。日本植物工厂学会曾对植物工厂做过一个定义:即利用环境自动控制、电子技术、生物技术、机器人和新材料等进行植物周年连续生产的系统,也就是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、营养液等环境条件进行自动控制,使设施内植物生育不受自然气候制约的省力型生产。

  简而言之,植物工厂就是创造一个适宜植物生长的人工环境,实施自动化半自动化的生产管理,可以全年无休进行植物栽培的农业系统。一般来说,狭义的植物工厂专指人工光源的植物生产系统,广义的植物工厂泛指所有的设施农业。现在的大多数植物工厂都采用了人工光源(LED光源)和水耕栽培技术(无土水培技术),植物工厂的机械化和机器人使用情况则根据不同植物生产对象采取了不同方式。植物工厂的生产对象一般为蔬菜、花卉、果树、食用菌及部分大田作物。

  植物工厂是一种高投入、高技术、精装备的农业生产体系。与传统农业生产方式相比,植物工厂的优势主要表现为:

  1、植物工厂生产的计划性强,可以在不受自然环境影响的条件下,实现周年均衡生产;

  2、植物工厂营造植物生长最佳环境,增加光照时间,科学配水施肥,能够获得较高的单位面积产量;

  3、植物工厂采用机械化半机械化作业,降低了工厂用工水平,劳动生产率大幅提高;

  4、植物工厂实行封闭式生产,严格投入品管理,少施肥不用药,产品更加安全健康;

  5、植物工厂设置多层、垂直空间结构,采取立体栽培模式,大幅节省土地与能源;

  6、采用垂直封闭结构和人工光技术的高层植物工厂,能够与现代城市建设紧密结合,为大中城市居民就近供应大量新鲜、健康的蔬菜。

  植物工厂有着诸多优势,而制约植物工厂发展的关键是生产成本较高,植物工厂的农业产品仍缺乏市场竞争能力。但植物工厂代表了未来农业发展的一个方向。未来植物工厂的发展将重点采用新的基因技术、物联网技术和人工智能技术,培育更适宜人工栽培的植物品种,营造更适合植物品种生长的工厂环境,建立更节省人力资源的生产流程,提高植物工厂农产品的市场竞争能力。

  农产品的生产,除了蔬菜、花卉、果树和食用菌之外,还有畜牧、水产和大田作物。先进的畜牧、水产养殖也已经在某种程度上进入了工厂化行列。现代畜牧养殖场给每一头牲畜打上耳标,对牲畜的饮食、防疫、运动等进行信息化管理。现代水产养殖场采用物联网技术,对养殖水体和养殖对象生长状况进行智能化管理等。这些措施都提高了畜牧、水产的养殖效率。大田作物主要指适宜大规模种植的农作物,如小麦、稻谷、大豆、棉花、甘蔗等。这些大田作物生产主要是采用物联网技术加强生长管理,大量使用农业机械以节约人力成本,以此提高生产效率。

  未来农业的发展将从两个方向展开,一是农业工厂向集约化、精准化方向发展,一是大田作物向规模化、机械化方向发展。基因技术、人工智能技术将在未来农业发展中扮演更为重要的角色。

  3、植物工厂的未来

  以色列历史学家尤瓦尔在《未来简史》一书中指出:“过去几百年间,科技、经济和政治的进步,打开了一张日益强大的安全网,使人类脱离生物贫困线。”这就是说,人类在整体上已经摆脱了食物不足的困境。提供健康、安全的农产品是未来农业发展的一个新的方向,而植物工厂正是顺应了这一历史趋势。目前,影响植物工厂发展最突出的因素是产品的市场竞争能力。植物工厂高技术、高投入、生产高成本,也带来了产品相应的高价格,成为制约植物工厂发展的一个主要瓶颈。未来植物工厂的发展既要降低生产成本,提高生产效率,又要明确市场定位,突出优质优价,使之成为大中城市蔬菜供应的一个重要生产途径。

  植物工厂是现代科学与技术发展的产物,植物工厂的未来也将寄希望于科学与技术的进步。

  培育更丰富的植物品种。目前,植物工厂的生产品种主要是生菜、菠菜、水芹、莴苣、黄瓜、番茄等,以叶菜、瓜果为主,品种尚不丰富。今后,要运用现代生物技术,培育更多适宜植物工厂水培方式生长的蔬菜、瓜果、花卉、食用菌品种,不断开拓植物工厂的生产类型,让植物工厂既满足大中城市的新鲜农产品供应,也成为城市一道靓丽的景观,形成质感丰富的都市农业景象。

  寻找更优质的人工光源。早期植物工厂一般采用太阳光与人工光相结合的办法,现代植物工厂多数采用封闭结构的人工光源,以给予植物充足的光照。植物工厂的光源从过去的农用钠灯到了现在普遍使用的LED灯。种植实践表明,不同的植物对不同的光谱有着不同的敏感性,同一植物在不同的生长期也对不同的光谱有着不同的敏感性。因此,植物工厂通常会选择全光谱光源,以满足各种植物生长需要。光照在植物工厂的生产成本中占有很大比重,探索更高效的新型光源是未来植物工厂发展的一个方向。

  配制更高效的液体肥料。植物工厂大多数采用水耕栽培技术,水耕栽培也叫做营养液栽培,将植物生长所需要的养分制成营养液供植物吸收,植物的根系生长在营养液之中。营养液为植物生长提供充足、稳定的水分与营养,植物在营养液中生长的速率要高于土壤生长。水耕栽培技术的核心是营养液的配方,不同的植物需要不同的营养,同一植物在不同生长阶段也需要不同营养,这些都需要经过反复实验取得经验。营养液中的各种营养物质要能够很好地溶于水,并易于植物吸收。因此,植物工厂的光照配方和营养液配方往往成为植物工厂的不传之秘。

  探索更优化的管理模型。植物工厂是典型的农业高科技产物。植物工厂由计算机对植物生育过程的温度、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,实现了可控环境下的高效生产。植物工厂不仅控制工厂生产环境,还将由计算机掌握目标市场供应情况,合理安排植物生产与种植茬口衔接,以期获得更高的生产效益。这些都需要经验积累和大数据的分析运用。从本质上讲,植物工厂就是未来的农业智能工厂。

编辑:严志祥

来源:江苏智库网

   作者:徐鸣  

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