中國(guó)人口眾多,耕地面積在逐年減少,人均耕地面積不到世界平均水平的1/3,人均淡水資源占有量?jī)H為世界平均水平的1/4,加之災(zāi)害頻發(fā),更為嚴(yán)重的是,伴隨城市化的進(jìn)程,目前農(nóng)村60%從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞力是60歲以上的老人,農(nóng)業(yè)正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。
植物工廠是通過(guò)設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng),它利用計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)施內(nèi)溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行自動(dòng)控制,使得設(shè)施內(nèi)植物的生長(zhǎng)發(fā)育不受或很少受自然條件的制約。
相比于傳統(tǒng)的田間種植,植物工廠有著明顯的優(yōu)勢(shì):由于突破了自然種植條件和氣候條件限制,植物工廠單位面積的產(chǎn)量可提高數(shù)十倍乃至數(shù)百倍,生產(chǎn)的計(jì)劃控制性也大大增強(qiáng);此外,植物工廠生產(chǎn)環(huán)境與外界相對(duì)隔離,避免了病蟲(chóng)害的發(fā)生,種植過(guò)程中無(wú)需農(nóng)藥,產(chǎn)品清潔衛(wèi)生;不僅如此,這種由計(jì)算機(jī)控制的植物生產(chǎn),使得勞動(dòng)強(qiáng)度也大為降低,可以吸引更多的年輕人從事農(nóng)業(yè)。近年來(lái),日本政府就投入了1500億日元用于數(shù)字植物工廠的發(fā)展,目的也是為了解決其農(nóng)業(yè)面臨的諸多難題。
這項(xiàng)被視為“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)最高境界”的技術(shù)在全球僅有美國(guó)、日本、荷蘭等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家掌握。植物工廠集中運(yùn)用了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高新技術(shù)成果,要掌握它,就必須在營(yíng)養(yǎng)液栽培技術(shù)、環(huán)境控制技術(shù)以及人工光源技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)方面有所突破。
植物生長(zhǎng)需要包括氮、磷、鉀在內(nèi)的16種必需的營(yíng)養(yǎng)元素,植物工廠內(nèi)采用的是營(yíng)養(yǎng)液無(wú)土栽培方式,因此需為不同植物配制出相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)液。我們通過(guò)10多年的試驗(yàn)研究,已完全掌握了植物工廠栽培蔬菜對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的需求參數(shù),并研制出了精確控制營(yíng)養(yǎng)液的測(cè)控系統(tǒng)。
環(huán)境控制與計(jì)算機(jī)科學(xué)密切相關(guān)。要讓植物在整個(gè)生命周期里生長(zhǎng)更為迅速,就必須實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度、營(yíng)養(yǎng)液濃度等眾多植物生長(zhǎng)要素的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié),而這些要依靠計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)完成。我們可以讓未來(lái)的數(shù)字植物工廠變得‘傻瓜化’,對(duì)于你需要種植的作物,只要放入種子,然后在菜單中選擇相對(duì)應(yīng)的模式——比如生菜、香草、番茄,就可以靜待果實(shí)了。
人工光源技術(shù)是數(shù)字植物工廠頗具挑戰(zhàn)性的技術(shù)難點(diǎn)。俗話說(shuō),萬(wàn)物生長(zhǎng)靠陽(yáng)光,離開(kāi)了陽(yáng)光的植物如何能夠生長(zhǎng)得更好,光照起著決定性的作用。植物生長(zhǎng)需要吸收的光譜與我們平時(shí)所使用的照明燈的光譜相差很大,要讓植物更好的生長(zhǎng),必須為它們匹配出符合它們生長(zhǎng)需求的光譜組合。此外,在植物工廠中,人工光所耗費(fèi)的能源占到整個(gè)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的一半以上,所以如何節(jié)能也是我們面對(duì)的問(wèn)題。
2009年8月,面積達(dá)200平方米的中國(guó)首個(gè)數(shù)字植物工廠在長(zhǎng)春誕生。這個(gè)工廠由育苗工廠和蔬菜工廠組成。育苗工廠的育苗周期可以縮短30%以上,育苗效率可達(dá)常規(guī)育苗的40倍;蔬菜工廠采用5層栽培床立體種植,所栽培的葉用萵筍從定植到采收僅用16-18天,比常規(guī)周期縮短40%,單位面積產(chǎn)量為露地栽培的25倍以上。
相比于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè),目前數(shù)字植物工廠的成本仍然頗高。目前數(shù)字植物工廠的單位面積造價(jià)約為0.5萬(wàn)-1.1萬(wàn)元/平方米,此外運(yùn)營(yíng)過(guò)程中還有能源、營(yíng)養(yǎng)、人工等費(fèi)用。但這只是一個(gè)起步階段的測(cè)算,當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)被大規(guī)模推廣應(yīng)用時(shí),相信其造價(jià)一定會(huì)得到極大的降低。
(作者系中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所研究員)