在军队建设光伏型“蔬菜工厂”的现实需求及应把握的关键点_周林斌.pdf

46 Vegetables 2021 1设施蔬菜 在军队建设光伏型 蔬菜工厂 的 现实需求及应把握的关键点 周林斌 陈志雄 杨 军 张 弘 第一储备资产管理局农副业生产处 江苏 南京 210016 收稿日期 2020 11 27 基金项目 农业新技术试验培训基地蔬菜化工厂建设 2020 WZ LB01 1152 通讯作者 陈志雄 摘要 为了使驻高寒 海岛 沙漠 戈壁等部队官兵能够及时吃到无污染 无公害的新鲜蔬菜 提 高部队的战斗力 建设光伏型 蔬菜工厂 成为解决驻恶劣环境地区部队官兵食品安全及国防战略需求的 新途径 着重分析建设光伏型 蔬菜工厂 技术优势 整理归纳光伏型 蔬菜工厂 人工光源 无土栽培 和环境控制等核心技术 并结合军队开展的光伏型 蔬菜工厂 示范工程 提出军队建设光伏型 蔬菜工 厂 的现实需求及应把握的关键点 最后 对开展光伏型蔬菜工厂的建设前景进行展望和探讨 关键词 军队 光伏型 蔬菜工厂 技术需求 发展前景 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 Office 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 officers 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 蔬菜工厂化生产是在人工控制环境的条件 下 根据蔬菜的生理代谢特点及生长规律 充分 47 Vegetables 2021 1设施蔬菜 利用自然资源 采用科学化 标准化的技术措 施 运用机械化 自动化 智能化手段 使得蔬 菜快速生长 达到优质 高效 批量的一种蔬菜 生产方式 蔬菜工厂 是生长环境条件全智能 化控制的植物高效生产系统 是植物生产方式的 一场革命 它颠覆传统农业生产 不依赖阳光土 壤 不受气候环境制约 成为解决人口与资源 矛盾 保障国家粮食安全 满足食品安全及国 防战略需求的全新途径 在边防哨所等部队 因受种植 气候 运输等条件限制 难以保障 新鲜蔬菜的供应 为保障官兵鲜菜供应而建设 的蔬菜工厂又常因所在位置而缺少电力供应 需要解决能源供给问题 光伏发电便成为首选 光伏型蔬菜工厂是以太阳能为主要能源 通过光 伏发电系统供电的一种新型植物工厂 通过在蔬 菜大棚上架设光伏发电设施供应发电 同时 安 装在大棚上的太阳能电池板也可起到隔绝红外线 的作用 解决了传统蔬菜大棚保温 升温问题 对极端环境具有更广泛的适应性 光伏型蔬菜工 厂的诞生 不仅节约了能源 而且大大拓宽了 蔬菜工厂建设的地理范围 蔬菜工厂生产得以 从都市走向沙漠 为了探索在军队开展光伏型蔬菜工程运作模 式及其发展路径和前景 在南京建设了光伏型蔬 菜工厂示范教学工程 本文总结了该模式的技术 优势 军队建设光伏型蔬菜工厂的现实需求 光 伏型蔬菜工厂的技术内核 并分析了存在问题和 制约因素 探究了光伏型蔬菜工厂在部队边远驻 地的推广价值和发展前景 1 我国光伏型蔬菜工厂发展情况 我国利用光伏等清洁能源进行设施农业的研 究起步较晚 但近年来发展较快 从2006年中国 农科院首次建成人工光利用型植物工厂系统 到 2016年中国科学院植物研究所打造的大规模单体 面积为10 000 m 2 的植物工厂投产 植物工厂越来 越受到人们的关注 1 2014年 9月 国家能源局 下发 关于进一步落实分布式光伏发电有关政策 的通知 直接把光伏农业的建设提上日程 经 济发达国家的蔬菜生产从土地耕整到收获 大部 分已实现了机械化 其蔬菜生产机械化发展特点 可以概括为区域种植专业化 农艺制度标准化 棚室设施大型化 动力平台专用化 作业机具多 样化 生产全程机械化 并且已向自动化 智能 化 信息化方向发展 发展光伏型蔬菜工厂既播 种了绿色蔬菜 又收获了清洁能源 大大提高了 土地利用率 光伏蔬菜工厂的发展必将掀起中国 光伏农业史上的第二次革命 2 近年来 我国对大型玻璃温室 水培蔬菜设 施及人工光型叶菜蔬菜工厂的投资建设需求旺 盛 从南到北已有多个投产和在建的大型设施项 目频繁被媒体报道 2015年以来逐渐形成了具备 产业雏形的几种不同商业模式 2015年 12月 作为中国LED 芯片大厂的福建三安集团与中国科 学院植物研究所合作 共同发起成立了 福建省 中科生物股份有限公司 建设中科三安植物工 厂 从光电产业跨界到 光生物 产业 成为 中国LED 生产企业产业化投资建设植物工厂的先 例 成立于2015年的华星环球 深圳 农业有限 公司以室内垂直农场为主营业务 在2016年底 建成占地面积为3 000 m 2 设计生产规模为日产 10 000株生菜的喜萃植物工厂 陕西旭田光电农 业科技有限公司 2013年 3月成立于陕西省杨凌 农业高新示范区 之后在全国开展人工光型叶菜 工厂的自建自营和承建代营业务 蔬菜工厂产业 跨界融合式发展也日渐凸显 国内先后有不少化 妆品业界和生物医药提取界涉足人工光型植物工 厂 以期达到利用植物工厂的高效生产达到靶向 型物资生产的目的 2 光伏型 蔬菜工厂 的技术优势 光伏型 蔬菜工厂 利用高效的LED 照明技 术 智能计算机和电子传感系统对植物生长的温 度 湿度 光照 CO 2 浓度以及营养液等环境条 件进行自动控制 实现全年稳定的连续生产 下 面根据光伏型 蔬菜工厂 的特点总结出以下几 点技术优势 2 1 对自然环境依赖小 光伏型 蔬菜工厂 不需要土壤 任何能盖 房子的地方就能进行 蔬菜工厂 生产 且在任 何自然环境下及不适宜植物生长的地方如沙漠化 高温区域 都能进行生产 48 Vegetables 2021 1设施蔬菜 2 2 全年稳定 高效 优质生产 由于光伏型蔬菜工厂不需要土壤 不依赖自 然环境条件 蔬菜工厂 内蔬菜产量和品质不 会随季节和环境的变化而改变 在 蔬菜工厂 密闭生产空间内 人工光源 温度 湿度 CO 2 可人为控制 营造安全洁净的最佳生长环境 蔬 菜生长周期短 全年365 d连续生产 产量高且稳 定 以叶菜类蔬菜生产为例 就1 栋 10层 每层 高 4 m 建筑的 蔬菜工厂 而言 其产量是相 同面积的传统大田的600倍 由于光与其他环境 均为最适宜条件 和传统大田生产相比较 蔬 菜工厂 生产的蔬菜风味品质更好 2 3 资源利用率高 较传统滴灌农业节水上百倍 光伏型 蔬菜工厂 中的植物是通过吸收水 中的营养成分来保证植物生长的需求 大部分 水可循环利用 理论上讲其水分利用效率超过 90 完全密闭的生产环境的水不会丢失在自然 环境中 植物蒸腾及蒸发的水分能够通过冷凝水 的形式再利用 因此 即使相对于节水的滴灌农 业 其水利用效率仍可提高几十乃至上百倍 2 4 产品质量安全有保障 传统农业杀虫剂和农药的普遍使用导致农药 残留超标现象时常发生 环境污染问题越来越突 出 重金属与其他污染物也成为食品卫生安全的 隐患 由于 蔬菜工厂 属于洁净生产环境 采 取严格控制病虫进入 蔬菜工厂 内的管理措 施 让植物生长在一个无病虫的高度洁净环境 内 有利于生产无农药 无重金属 无致病菌污 染的蔬菜 保障产品质量安全 2 5 有利于机械化与自动化管理 蔬菜工厂 内的植物生长整齐一致 且面 积较大 易实现机械化和自动化管理 可大幅度 减少劳动力的使用 适宜的环境条件 温度与湿 度 和机械化与自动化也使得整个劳动过程更轻 松与舒适 使其成为吸引现代人从事农业生产的 重要手段 3 军队建设 蔬菜工厂 的现实需求 3 1 解决驻海岛 戈壁 沙漠等部队官兵吃菜难 的问题 海岛 戈壁 沙漠受土地 壤 等资源的制 约 很难使用常规方式进行蔬菜生产 蔬菜工 厂 采用无土栽培技术 用人工配制的营养液供 给植物生长所需的各种矿物质营养 并可根据需 要调节其成分 只要光照 温度适宜 便可进行 蔬菜生产 可解决驻海岛 戈壁 沙漠等部队官 兵吃菜难的问题 多年的实践证明 大豆 菜 豆 豌豆 马铃薯 甘蓝 叶莴苣 番茄 黄瓜 等作物都适合无土栽培 3 2 解决无市电供应部队官兵吃菜难的问题 对于无市电供给的地区 采用光伏发电系统 给 蔬菜工厂 供电 利用LED 植物光谱技术 在净化厂房内进行蔬菜工厂化种植 一年四季可 进行连续生产 可解决无市电供应部队官兵吃菜 难的问题 3 3 解决高海拔 低温寒冷地区部队官兵吃菜难 的问题 由于采用自动化环境温度控制及智能化装备 保持 蔬菜工厂 室内温度常年在18 24 即使 室外在 40 的地区 也能进行蔬菜生产 可以 建成集装箱式 蔬菜工厂 部队换防到环境恶 劣地区时其可随部队搬迁转移 及时解决部队官 兵吃菜难的问题 即部队换防到哪里 集装箱式 菜园就跟进到哪里 官兵吃菜有保障 3 4 解决部队官兵驻防时间长 蔬菜需求量大的 问题 在人工控制生长环境下 蔬菜生长周期短 产量高 全年可持续生产 产量超过传统栽培方 式的数十倍甚至百倍以上 可充足供应部队 4 光伏型 蔬菜工厂 的核心技术 光伏型 蔬菜工厂 核心技术包括植物照明 技术 无土栽培技术 环境控制技术和智能化系 统集成技术等 4 1 人工光源 由于白炽灯 高压钠灯 荧光灯作为植物生 产的光源表现出高耗能和低光效 光谱不完全有 利于植物生长与发育 其已被淘汰 LED 灯作 为新型光源 具有体积小 寿命长 光效高 可 控性好 光谱可调 可根据植物需求定制专用光 谱 和节能环保等优点 现已成为 蔬菜工厂 的理想光源 49 Vegetables 2021 1设施蔬菜 4 2 无土栽培技术 随着科技发展 无土栽培新技术被广泛应用 到现代农业设施建设中 其技术已经非常成熟 实施效果显著 3 蔬菜工厂 主要采用无土栽 培方式 或称为植物水培技术 进行生产 即 将作物生长所需的矿物质营养元素配制成一定浓 度的水溶液 循环供给植物吸收利用 植物无土 栽培核心技术包括适宜某种植物生长发育的专用 营养液和保障植物根部有充足氧气供应的营养液 溶氧控制技术 保障植物根系的旺盛活力和对矿 物质养分的吸收 在水培技术中 植物吸收的矿 物质养分都是离子态的 吸收更加均衡 也更有 利于对环境洁净度的管控 且大部分水可循环利 用 4 3 智能化环控技术 人工智能化农业是利用物联网 大数据 云 计算等现代信息技术 实现精准 高效 可持续 的农业生产管理方式 4 人机智能协作技术 集 中实现了蔬菜规模化全生长周期的人机智能协作 管理 对促进蔬菜种植的绿色高效可持续发展及 产业升级具有重大战略意义 利用 蔬菜工厂 人们可以创造最适宜植物生长发育的环境条件 实现作物的高产与优质生产 因此 环境控制技 术成为 蔬菜工厂 的核心技术之一 蔬菜工 厂 环境控制技术是利用计算机和多种传感器装 置对植物生长发育所需的温度 湿度 光照时间 和 CO 2 浓度等进行自动化控制 通过制冷与加热 双向调温控湿系统 均匀送风系统 光环境调节 系统 CO 2 增施系统 环境数据采集与自动监控 系统的应用 来实现 蔬菜工厂 的全程监控及 周年连续生产 5 建设 蔬菜工厂 应把握的关键点 5 1 按需建设 经过实地调研 有的部队驻地在高原或高寒 地区 全年无霜期不超过80 d 年平均气温在0 以下 有的部队驻地在偏僻的海岛 戈壁 沙 漠 无土壤和淡水 不通市电 这些地方采取自 然种植方式难以长出蔬菜 基层官兵吃菜难 吃 到新鲜蔬菜更是难上加难 建设光伏型 蔬菜工 厂 生产蔬菜 可以实现一年四季不间断生产 满足部队需求 5 2 规模适度 采用光伏型 蔬菜工厂 生产蔬菜 建设和 运行成本要高于自然种植成本 生产多了容易造 成浪费 生产少了满足不了官兵需求 为了解决 这一矛盾 目前部队配置了班用 排用和连用 蔬菜工厂 规定了不同的建设尺寸 从源头 上杜绝了超大规模建设带来的资金浪费 5 3 节约资源 光伏型 蔬菜工厂 主要采用太阳能供电 在安装太阳能光伏板时要综合考虑 网架离地面 应在2 5 m以上 这样光伏板下可以种植耐阴植物 如生姜 黄连 葡萄等 也可开挖成池塘养鱼 提高土地利用率 防止造成土地浪费 5 4 健康环保 蔬菜栽培设备主要由栽培层架 栽培槽 定 植板 植物照明灯具 营养液供排系统等组成 所用材料要达到卫生指标 要确保在高湿环境下 长期使用不生锈 不腐蚀 不容易与营养液发生 化学反应 绿色环保蔬菜的生产对生产环境 种 植土壤 灌溉用水 生产管理过程 农药残留标 准都有严格的要求 5 应严格按照建设规范建设 蔬菜工厂 控制各项指标 防止设备与材料 对种植造成二次污染 确保 蔬菜工厂 生产的 蔬菜食用安全 5 5 人才培养 蔬菜工厂 作为一种通过高精设备控制的 细微环境 使作物能够周年生产并产生较高效益 的高效农业技术 整个系统由计算机控制 温 度 湿度 光照 营养液及二氧化碳的浓度等环 境因素都由计算机自动控制 大大减少了人力成 本 并且不受外界自然因素影响 蔬菜工厂 是一个国家农业科技发展水平的一个标志 集合 了现代工业 生物科技 营养液开发以及信息技 术 因此 要有超前意识 着力培养一支熟悉设 施 生态农业和生物科技专业知识的复合型人才 队伍 6 光伏型蔬菜工厂发展前景 首先 建设光伏型蔬菜工厂是蔬菜产业发展 的必然趋势 光伏型蔬菜的生产是蔬菜生产方式 50 Vegetables 2021 1设施蔬菜 的改革以及创新 直接或间接地影响顾客的购买 率 经济愈加繁荣 人们的生活方式以及追求也 会提升 对于蔬菜也会更加追求质量安全 品质 优良 新鲜健康 购买快捷等 人工光伏型蔬菜 工厂技术可以针对特定人群进行指向性品种生产 与质量调控 必将成为未来社会为高品质生产和 高收入人群提供个性化蔬菜的新型生产方式 有 着美好的发展前景 第二 发展光伏型蔬菜工厂 有利于规范蔬菜市场的管理 将国外的优质资源 及先进的蔬菜产业技术与我国的国情及经验相结 合 改进蔬菜生产技术 提高采后处理的水平 有利于加强对蔬菜市场依法治理和规范管理 较 快地提高我国蔬菜产品质量 第三 发展光伏型 蔬菜工厂将成为我国进行农业产业结构调整的一 个重要手段 工厂化蔬菜产业结构的调整并非仅 仅是蔬菜种植种类和面积比例的改变 而应立足 于蔬菜产业链整体结构调整 进一步立足在种 业 栽培 生产 加工 贮运 流通等领域 逐 步完善蔬菜产业体系 第四 保障 菜篮子 促进部队战斗力提升 用兵制胜 以粮为 先 部队伙食保障是保障打赢的基础性工作 关系官兵身体健康 连着部队战斗力的生成 把 农业科技最新成果应用于边防军营 对于加强军 营 菜篮子 建设具有重要的战略意义 参考文献 1 崔佳维 陈智杰 人工光利用型植物工厂核心技术研究 进展 J 农业工程技术 2017 28 46 53 2 李培之 袁志永 光伏蔬菜大棚发展前景展望 J 农业工 程技术 2013 10 26 3 徐小莲 我国蔬菜无土栽培现状与发展趋势 J 农业工 程 2019 10 121 123 4 徐茂 吴昊 魏祥帅 基于物联网技术的江苏设施蔬菜智 能化生产 J 长江蔬菜 2020 8 20 23 5 李杨明 绿色蔬菜的质量控制与管理 J 科技视 界 2013 18 168 169 蔬 中国农业科学院解析西瓜果实糖和有机酸调控网络 西瓜是全球第五大水果 富含番茄红素 瓜氨酸 维生素 糖和多种有机酸 其中糖和有机酸是影响 西瓜感官品质的重要成分 在西瓜果实的发育和成熟过程中 糖和有机酸含量决定了西瓜的口感 但是 目前西瓜中糖和有机酸的代谢调控网络尚未明晰 2020年12月14日 Horticulture Research 在线发表了中国农业科学院郑州果树研究所多倍体西瓜 遗传育种课题组题为 Identification of key gene networks controlling organic acid and sugar metabolism during watermelon fruit development by integrating metabolic phenotypes and gene expression profiles 的研究论文 该 研究利用甜味西瓜203Z和其近等基因系的酸味西瓜SrW为材料 比较了甜味西瓜和酸味西瓜果实发育不同 阶段的糖 果糖 蔗糖和葡萄糖 和有机酸 苹果酸 柠檬酸和草酸 的含量变化 结果发现 随着果实 成熟 果糖和葡萄糖先升高后降低 但蔗糖呈现一直升高的趋势 酸味西瓜中有机酸含量显著高于甜味西 瓜 苹果酸是西瓜果实中最主要的有机酸 以酸味和甜味西瓜果实4个发育过程转录组数据为基础 分析西瓜果实发育过程中的差异表达基因 通过WGCNA共表达分析 鉴定出11个不同的基因模块 在11个共表达的基因网络中 有3个与糖类和 有机酸显著相关 通过显著性和qRT PCR分析 筛选到了7个参与西瓜果实糖酸代谢的关键基因 其中 Cla97C01G000640 Cla97C05G087120和Cla97C01G018840为糖转运蛋白 Cla97C03G064990是一种蔗糖合 酶 Cla97C07G128420 Cla97C03G068240和Cla97C01G008870与苹果酸和柠檬酸高度相关 为苹果酸和柠 檬酸转运蛋白 将这些基因在自然群体中进行验证 结果表明 这7个基因的表达量与西瓜果实中的糖酸含 量呈显著正相关 为西瓜果实发育过程中调控糖和有机酸合成的候选基因 该研究解析了西瓜果实糖和有 机酸代谢调控的分子机制 为西瓜品质育种提供了理论依据 对中国西瓜产业的发展和育种水平的提高具 有重要的科学意义 蔬