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植物工厂:红蓝光LED替阳光 成本高昂
发布日期:2011-08-26 15:39

日前,国内第一例以智能控制为核心的植物工厂由中国农科院环发所率先研发成功,并在长春农博园投入运行。该植物工厂的研制成功,标志着我国在设施农业高技术领域已取得重大突破,成为世界上少数几个掌握植物工厂核心技术的国家之一,将对我国现代农业的发展产生深远的影响。

  植物工厂是国际上公认的设施农业最高级发展阶段,是一种技术高度密集、不受或很少受自然条件制约的全新生产方式。目前,仅有日本、美国、荷兰等少数发达国家掌握这项技术。

  深秋的北京气温骤降,突来的寒意和大风让人感觉已在严冬。但在中国农业科学院的巨大温室内,透亮的阳光洒下,各种绿植遍布四周,仿佛置身林中。而笔者的目的地--植物工厂,便在这"密林"深处。

  不久前,一则消息引起了人们的兴趣--国内首例以智能控制为核心的植物工厂研发成功,使我国成为世界上少数几个掌握植物工厂核心技术的国家之一。一直作为自然界象征的植物和人类工业文明的标志--工厂之间有何联系?植物工厂会给人们带来些什么?带着问题,笔者决定一探究竟。

  在中国农科院农业环境与可持续发展研究所程瑞锋博士的引导下,笔者一直走到温室最里面。可能是顶部有植物覆盖的缘故,这里光线较暗。左手边,一座小屋悄然伫立。程瑞锋走过去转动门把手,植物工厂的大门就此打开……

  产量惊人?

  走进小屋后发现,这里与其称为"工厂",不如叫做"实验室"更合适。小屋只有20平米左右,一进门是个小间,只能容纳二三个人,墙上的显示屏正报告着温度、湿度等数据。走入里间,才是真正的"工厂"所在。除了中间留有一条能容两人并行的通道,两侧都是三层的栽培架,上面种满生菜、小白菜等蔬菜植物。

  谈到植物工厂的概念,项目负责人、中国农科院环发所的杨其长研究员介绍说,植物工厂是给植物提供合适生长环境的系统设备,分为植物苗工厂和蔬菜工厂两部分,笔者来到的这间是蔬菜工厂。

  植物工厂以节能植物生长灯和LED为人工光源,采用制冷-加热双向调温控湿、光照-二氧化碳耦联光合与气肥调控、营养液在线检测与控制等13个相互关联的控制子系统,可实时对植物工厂的温度、湿度、光照、气流、二氧化碳浓度以及营养液等环境要素进行自动监控,实现智能化管理。

  通过对工厂内环境的高精度控制,植物的生长在这里几乎不受自然条件的制约,生长周期加快。现在工厂内种植的生菜、小白菜等,20天左右就能收获,而在普通的大田里,则需要一个月到40天的时间。

  除了收获快,空间利用率高也是植物工厂的重要特点。笔者在工厂内看到的都是三层的栽培架,从面积上就相当于同样大小露天耕地的三倍,加上其种植密度大,因此,植物工厂的产量可以达到常规栽培的几十甚至上百倍。

  蔬菜种植之外,植物工厂在育苗上也有应用。程瑞锋介绍说,他们在黄瓜和番茄的育苗方面都做了实验。相比蔬菜生产,育苗的周期更短,一般为一周左右。虽然常规栽培的周期也不是很长,但在育苗的整齐和健壮度上不如工厂的产品。"毕竟大田的不可控因素太多,今天光照也许很好,但明天可能阴天,后天有可能降温,而这些在工厂里都可以得到控制。"

  正当笔者在植物工厂里听取专家的介绍时,墙上的管道中突然发出一阵蜂鸣声,打破了小屋原本的安静……

  不靠太阳不用土?

  "这是营养液在循环",程瑞锋解释道。说着,他把用来固定植株的塑料泡沫板掀起,原来,植物的根系根本不是生长在土壤里,而是完全浸泡在营养液中。

  程瑞锋介绍说,土壤的作用是提供营养元素和水分,而营养液除了提供水分,也提供了植物生长的各种元素,包括氮磷钾等大量元素及锌铁锰等微量元素,因此没有必要使用土壤栽培。无土栽培的技术现在已经非常成熟,而且水栽比土栽的生长周期要快很多,也是使用水栽的重要原因。

  这时,笔者想起刚进门时看到显示器上有营养液监控的数据,程瑞锋说那是对营养液温度控制的参数。在寒冷的天气中,系统会对营养液进行加热,如果温度很低,会对植物的根系造成伤害。

  从刚进门开始,笔者心里便一直有个疑问--植物工厂的小屋没有窗户,外界的光线几乎无法进入,"万物生长靠太阳"这句俗语人人皆知,但工厂内的植物却不见天日,难道它们生长不靠阳光?

  "完全不用阳光".尽管心理上都有所准备,但程瑞锋的回答还是多少有些令人吃惊。在每个栽培架上,都装有一块灯板。不同的是左侧是LED(发光二极管)灯,右侧是荧光灯。程瑞锋说,两种灯光都能满足植物生长的需要,只是LED比荧光灯更加节能。

  笔者注意到,LED灯板以红灯为主,中间按一定距离均匀分布着蓝灯,比例大概为8191.杨其长说,太阳光对于植物而言是全波段的,红光、蓝光、紫外线、红外线等都包括,但实验显示,植物吸收的光线波段主要是红光和蓝光,比例超过60%.因此将红光和蓝光按照一定配比制成光源,就能满足植物生长需求。红外和远红外等成分主要以热量的形式出现,而且耗能严重。去掉那些部分,不会影响植物品质。他们做过实验,这种环境下成长起来的植物,维生素和糖的含量几乎没有变化。

  另外,由于植物工厂内环境可控性强,栽培环境的二氧化碳浓度可以得到大幅增加,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,都是常规栽培的几倍。

  造价几何?

  尽管植物工厂在产量和效率方面具有优点突出,但存在的问题也同样明显,那就是高昂的成本,在一定程度上影响了它的推广。据了解,笔者参观的这个小屋,建成就需要十几万元的投入,另外后期的运行和维护也是一笔花销,因此,如何降低成本是下一步研究人员所要面对的问题。

  杨其长说,在降低建设成本方面,他们将主要致力于新材料的研发,制作出成本低、隔热保温性能好、便于安装的新材料。而在运营方面,除了尽可能减少动力方面的消耗外,新能源的利用也是重要的手段。如果能使用太阳能、风能等清洁能源,虽然会增加前期投入,但运营费用也会大大降低。

  那么,植物工厂这种生产方式,将来是否有可能成为人类粮食和蔬菜供应的主要手段?杨其长表示,植物工厂将来肯定会走向普及,但由于其需要一定的投入,因此全部使用它来供应粮食蔬菜并不现实,但在一些特殊环境下,比如极地或太空中,它作为主要供应方式还是有可能的。

  另外,由于植物工厂的成本原因,它的主要培育对象是以经济和园艺作物等附加值高的植物为主体。水稻、小麦等粮食作物由于产值低、周期长等原因,一般不会成为植物工厂的主要生产对象,但可以利用其生产周期短的优势,推动育种方面的研究。毕竟植物工厂内50天收一茬水稻的速度比大田的120天要快一倍还多。

  离开小屋,采访也接近尾声。当走到环发所的办公楼下时,程瑞锋指着楼顶的一栋板房说,看,那是我们刚刚新建的植物工厂。新建工厂的位置和他们的设想很一致:高楼大厦的顶端或地下室。随着城市的发展,土地紧张的问题已经开始显现,而植物工厂的做法,大大提高了土地和空间的利用效率。随着技术的发展普及,也许不远的将来,钢筋水泥的都市丛林就会成为各种植物生长的温床。

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