植物工厂的国家战略需求及其产业的前沿科技创新.pdf

17 中国农村科技 2023 年 2 月 植物工厂的国家战略需求及其产业的 前沿科技创新 文 李绍华 目前 全球人口已达 80 亿 联合国发布的 世 界人口展望 2022 报告预测 到 2059 年全球人口 可能突破 100 亿 当今的资源与人口矛盾已十分突 出 已有近 10 亿的饥饿人口 这就意味着 30 年内 需要增加 58 的粮食产能 才能解决全球的粮食 安全问题 我国是全球人口的第一大国 约占世界总人口 的 18 但拥有耕地只占全球的 7 人均耕地不 及世界平均耕地面积的 50 人口与资源矛盾更加 尖锐 2021 年我国谷物进口达 1 65 亿吨 较 2020 年增长了 18 约为国产的 6 83 亿吨谷物的 1 4 并且随着我国人民生活水平的进一步提高 肉蛋奶 消费量增加必将导致人均谷物类粮食消费量的持续 增加 我国人均谷物类粮食消费从 20 世纪 90 年代 的 300 kg 增长到了当今的 550 kg 增加部分主要用 作了畜禽类养殖的饲料 可以预见 即使守住我 国 18 亿亩农业耕地的红线 我国谷物类粮食的生 产与消费的缺口仍将会继续扩大 此外 我国过度 使用化肥与农药 占全球使用量 1 3 以上 环境严 重污染的同时 也带来了突出的食品安全问题 植物工厂又称为室内农业 也就是在房子里种 庄稼 是一个在人工条件下生长环境全智能控制的 室内植物高效生产系统 它不依赖阳光 不需要土 壤 不受气候环境制约 解脱了自然生态束缚 使 包括极地在内的地球陆地上任何地方都可能从事农 业生产 也使满足人类未来移居太空其他星球的太 空之旅的粮食需求成为可能 因此它属于颠覆传统 农业的新兴战略产业 植物工厂内对植物生长的温 度 湿度 光照 CO 2 浓度 在一定范围内 植物 光合效率因环境 CO 2 浓度提高而增加 实现增产 因此也被称为 CO 2 肥 以及营养液 植物生长发育 必需的矿物质营养 等环境条件进行自动控制 给 予植物生产的最佳条件 大幅度缩短植物生产周期 并提高产量 实现全年稳定的连续生产 从而大幅 度提高单位面积上的生产效率 由于对生产环境 包括有害生物 昆虫与病原微生物 水 空气的 严格管控 生产环境中不存在病虫害 生产中不需 要使用农药 化肥的使用量仅为我国传统农业的 1 65 且杜绝了重金属和任何其他污染物的污染 加上提供了生产优质产品的最佳条件 植物工厂可 以实现高品质 高卫生安全品质和高食用品质 农 产品的稳定生产 植物工厂属于垂直农业 它可以 在一间房子里进行多层农作物的生产栽培 采用仓 贮式生产方式在同一空间内可以轻松实现 10 层 20 层作物栽培 也可以建成数十层乃至上百层 建筑物的植物工厂 实现向高空发展的垂直立体农 业 故可以在一块地表上获得相当于传统农业成千 上万倍的收成 因此 面对人口与资源矛盾 环境 污染与食品安全等重大问题 植物工厂不仅对解决 全球的资源与人口矛盾具有重要的战略意义 也是 我国发展 18 亿亩耕地外的大农业 成为解决 我国大粮食安全和食品安全的重要途径之一 现代商业化植物工厂发展是随着蓝光 LED 灯 具的面市才发展起来的 时间很短 仅仅有十多年 的历史 但植物工厂生产属于真正的现代农业 它 采用工业化方式进行农业生产 成为农业生产的一 场革命 由于植物工厂生产采用的是工业化方式 需生物学 作物栽培学 设施农业学 建筑工程学 环境控制学 材料科学和计算机科学等多学科交叉 融合才能真正实现产业化 而植物工厂对于绝大多 数的学科来讲都是一个全新的领域 因我国植物工 厂发展起步晚 早期生产装备与技术主要从日 美 和欧洲的国家进口 存在诸多的卡脖子难题 严重 阻碍了我国植物工厂产业的健康发展 2015 年成立的福建省中科生物股份有限公司 以下简称 中科生物 是由有近百年历史的 我国首个生物学研究机构 中国科学院植物研究 所与半导体照明工程龙头企业三安集团共同创建 18 特别策划 Specially Curated 为促进植物工厂领域的科技创新和加快科技成果转 化 中科院植物研究所成立了植物工厂研发中心 并采用全新的产业合作机制 派驻专门的科技人员 入住中科生物 全时进行植物工厂产业的科技创新 中科生物以植物研究所派驻的科技人员为骨干成立 了光生物产业研究院 针对全球存在的产业问题 进行了大量的研发与技术创新 科技创新取得突出 成绩 过去 5 年里 申请专利超过 500 项 PCT 专 利占国内植物工厂领域数量的 3 4 占国际同领域 企业 PCT 专利数的 45 在植物工厂装备方面 模块化整合生产系统是 全球首套运用于建造植物工厂的台套化装备 该装 备采用全新的模组化工业设计理念 创制出占地面 积仅为 1 1 m 2 的 乐高玩具 式可进行任意组合 的模组化植物生产系统成套装备 该装备适用于从 低矮的生菜到水稻以及高大的西红柿等多种作物生 产 既可单套独立运行 也可以多套并列运行 方 便组建任意形状和规模的植物工厂 已成为一个全 球性的装备 2018 年构建了堆垛式模块化超高层 立库生产系统 全球首次实现了植物生产全过程的 机械化和自动化 2022 年建成的第三代自动化植 物工厂 成为全球首个无人植物工厂 解决了密集 型农业产业劳动力需求量大导致的高生产成本的难 题 已完成基础研发的节能免分栽植物工厂自动生 产系统和垂直液流植物生产系统也对未来植物工厂 装备发展具有重要的引领作用 前者能根据植物生 长过程中的实际大小 通过非等距步进式自动位移 并结合呈扇形分布的线性栽培槽 实现了免分栽条 件下植物任何生长阶段在栽培板表面的高覆盖率 大幅度提高了作物接受光能的比率 后者颠覆了经 典的营养液水平流动和作物水平栽培的生产系统理 念 创制出双面栽培板的垂直栽培槽的垂直均匀液 流植物生产系统 攻克了水平生产系统装备建造的 植物工厂环境控制困难的瓶颈 并能大幅度提高植 物栽种的容积率与植物工厂单位容积内的作物生产 力 万物生长靠太阳 构建模拟 阳光 的 LED 照明灯具的植物生产专用光谱成为植物工厂的 核心技术之一 在专用光配方方面 发现了 430 440 nm 较传统的 450nm 蓝光 680nm 较 660nm 红 光对植物营养生长具有更大的促进作用 完全颠覆 了根据植物叶绿素的阳光最大吸收峰最有利于植物 生长的传统理念 红光和远红光有利于产品的糖积 累以及对促进植物的提早开花和增加开花数量的作 用以及 505 545 nm 绿光和 670 685nm 红光对次生 代谢产物合成积累的调控作用的发现 对于瓜果与 药用植物的高产优产具有重要的价值 开发出基于 满足果 菜 花 粮食作物和药用植物等多种作物 育苗 营养与生殖生长 次生代谢产物和品质调控 的 80 余种专用光配方的五大类植物照明灯具 光 环境调控技术处于国际领跑地位 保障必需矿物质营养元素的均衡供给是植物工 厂的又一个核心技术 研发出十余种高效优质专用 营养液配方 开发出适合不同作物 不同应用场景 的三大类营养液产品 部分营养液填补植物工厂作 物生产的空白 产品稳定性好 在植物工厂里应用 作物的产量高 品质好 尤其是药用植物的次生代 谢产物含量高且稳定 在作物栽培技术与生产模式 上有重大突破 除叶菜类蔬菜外 实现了瓜果类蔬 菜 花卉 西甜瓜 果树 药用植物等十几种作物 在植物工厂内生产 很多种类都属于国际植物工厂 产业化空白 植物工厂研发与产业化状态 是衡量一个国家 农业高技术水平的重要标志 植物工厂产业化任重 道远 仍需要我们的科技人员与企业持续进行科技 创新 从而实现引领全球产业发展的目标 为满足 我国国家战略需求 乃至于为解决全球人口资源矛 盾作出贡献 作者单位 中国科学院植物研究所 植物栽培