把这一个闲置地财富改动成密封型植物工厂,中国中国科学技术大学学植地球物理勘钻探所与西藏三安联合创设的植物工厂

走在肃北县戈壁现代牧农业示范园区,一个蓝色的集装箱首先映入眼帘,从外表看,它并没有什么特别的地方,而在集装箱的里面,却是另一番天地,一排排生机勃勃的大麦草长势旺盛,与外面的春寒料峭形成了鲜明对比。

经过多年探索和发展,我国封闭型植物工厂无论在材料、装置和技术都取得了快速进步,生产产量成数倍增长。随着植物工厂技术不断完善和提高,甚至有微型化、迷你型植物工厂已应用于人们生活的各种环境,植物工厂已无处不在。

探访中科院植物工厂:“光配方”打造的蔬菜世界

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1、封闭型植物工厂设施分类

没有阳光,植物仍可进行光合作用;脱离土壤,植物营养也能很平衡……

今年,肃北县投资35万元,实施工业化有机牧草试验项目——移动集装箱式“牧草工厂”,牧草的生长全部都在集装箱内完成。“牧草工厂”内生产系统采用生物营养液无土栽培,自动喷灌每3个小时喷一次,安装的LED灯有温度调节和照明的作用。

1.1 闲置的厂房和地下室

在福建泉州安溪县,中科院植物所与福建三安联合打造的植物工厂,在没有阳光和土壤的室内,打造了无菌、无毒害的高质量蔬菜的“植物工厂”,在改变农业生产方式的同时,也把科研成果洒在了国民经济的主战场中……

以大麦草为例,培育一星期能长20公分高,集装箱内6层全部放满托盘,一星期能产3000公斤大麦草。这种集装箱内种植的牧草蛋白质含量和营养成分都高于一般的苜蓿草。移动集装箱式“牧草工厂”不仅能移动,还可以利用手机APP调整摄像头,实时观测牧草的成长情况,温度、湿度,水量。

当前,几乎每个地方都出现了闲置的房屋、厂房、停车场和地下室,
植物工厂是利用这些闲置资源并创造更高价值的最佳选择。把这些闲置地资源改造成封闭型植物工厂,进行高产量、高品质、高效益植物生产,既盘活了闲置资源又降低了成本,并且创造出很高的价值,可谓一举多得。

走进植物工厂的厂房,如超市货架一般高高立起的6层植物栽培架出现在记者面前。每一层架子的上方,布满了科学家精心定制的包含蓝光、红光等不同光谱LED光源,灯光下种满了郁郁葱葱的生菜、小白菜、冰菜等10余种水培叶菜,同时还有金线莲、石斛等多种名贵中草药材。蔬菜的根部,则有研究人员专门配比的营养液而不是土壤来提供营养。

肃北县农牧林水利局负责人说:“移动集装箱式“牧草工厂”为创建有机产品示范县增添了一个新的环节,自然灾害,比如说雪灾、旱灾频发的时候,能给牧民的乏弱畜提供新鲜牧草,试验初步种植大麦取得了成功,下一步还将做其它一些牧草,以及一些蔬菜的试验。”

1.2 废旧的集装箱

在这里,植物成为了可以按订单需求规模化流水线生产的产品,使得自然条件下依靠阳光、土壤提供营养的传统蔬菜种植模式彻底得到改变。

据了解,移动集装箱式“牧草工厂”,生产系统不同于农田生产,它采用雾培或者水培的方式,在集约化、立体化的植物工厂内进行生产。一般情况下,一平方米至少可年产牧草一吨,而且采用植物工厂生产的牧草营养价值高,饲喂后的动物抗病性增强,生长速度加快,而且生产成本低,可以满足大规模养殖基地的牧草需求。(情报所)

我国每年都有大量集装箱淘汰弃用,把这些废旧的集装箱改造成人工光封闭型植物工厂,也是提高资源利用率的新举措。集装箱有各种不同规格,长度一般5~12
m,高和宽相差无几,一般都在2~3
m。利用废旧集装箱改建的人工光封闭型植物工厂,具有密封性好、安全度高、景观性、整体性、结构性好,温度便于控制、移动方便、使用期长、环境适应性强等特点。单箱可以成为独立的植物工厂,多个也可以组成大型植物工厂,多个叠加可以形成高楼式植物工厂。

中科院植物所研究员、植物工厂研究院院长李绍华告诉《中国科学报》记者,植物工厂是生长环境(温度、湿度、光照、CO2和营养条件等)全智能控制的植物高效生产系统,也被视作设施农业的最高级发展阶段。

1.3 泡沫板房

事实上,李绍华国家植物工厂的发展,源于其对植物生长所需光谱、营养液等因素的长期研究。研究人员告诉记者,植物的生物量90%源于光合作用的产物,所以光合作用也被视为影响植物生长和产量的最基础要素。而植物所则通过科技手段,用定制光源取代了植物的光合作用中的关键因素——太阳光。

用泡沫夹心板为材料建设的人工光型植物工厂,具有材质轻、成本低、工期短、封闭性好等优点,还能做到大、小、高、低任意自如,便于内部设施的建设规划,广泛受到植物工厂建设者青睐。

“植物并不吸收所有的光,它们更喜欢可见光的蓝光和红光,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。”植物工厂科研主任裴克全介绍说,通过这种室内密闭空间的种植,植物实现了一年四季不受季节限制连续周期生产的目标。

1.4 充气膜

除此之外,通过对温度、湿度、二氧化碳浓度以及营养液等影响植物生长环境的高精度控制,科研人员在植物工厂中为植物生长提供了最适宜环境,令植物的生长效率得到了很大的提升。

充气膜是一种在以高分子材料(高强度碳纤维和气凝胶制成的薄膜制品)
充入空气后而形成的全封闭性结构空间。在这样结构空间中建设的高层次立体植物栽培系统,就叫充气膜封闭型植物工厂。这种充气膜是膜轻型空间结构的重要分支,具有多种丰富多彩的造型,可建成占地面积20
hm2 以上、高度达40
m以上的巨型充气膜温室,具有优异的建筑特性、结构特性和适宜的经济性。充气膜结构是一个相对密闭的空间结构,有别于传统的空间结构,它通过风机向结构内部鼓风送气,使膜结构内外保持一定的压力差,以保证膜结构体系的刚度和维持所设计的形状。

李绍华告诉记者,植物工厂内种植的生菜类蔬菜,育苗移栽后20天左右就可以收获,而在普通大田里,则需要一个月到40天的时间。

充气膜具有丰富多彩的造型,充气屋是将充气膜设计成屋的形状。这种充气屋的材料是高强度碳纤维、气凝胶膜和空气,外面以太阳能为能源,内部是信息智能化和植物工厂系统设施,中间是空气。这样的充气屋封闭型植物工厂,具有成本低、密封性强、整体性好、使用方便等优点。

一棵蔬菜的“战略”价值

1.5 太空气密膜

植物所和福建三安打造的10000平米植物工厂,目前已是国内最大的全人工光型10万级洁净度的植物工厂,也是首个实现商业化的植物工厂。

多年来,前苏联在“礼炮”号和“和平”号空间站,多次进行了植物栽培和粮食作物生产长期实验,从培植小球藻等藻类实验到各种花卉、蔬菜和粮食作物,让这些植物在太空经历了从播种到收获的全过程,且已取得了突破性进展;在“和平”号空间站上已经培育了上百种植物,并成功地种植了小麦等粮食作物。

然而,植物工厂也一直面临着高成本、耗能大的发展桎梏。这一需要高投入、高技术、精装备的科技成果,具有怎样的商业价值?又将如何端上百姓餐桌?一些问题依然需要答案。

我国在全封闭的“天宫一号”
中实验种植植物也获得成功。我国科学家张懋取得了“太空魔方充气居住屋”发明专利,这个太空小屋墙面壳体由1层或多层类似于太空服材料的高强度气密膜组成;气密膜有不透明或透明两种,可以使多个小屋彼此被牢固地连接,并保持全封闭气密状态,其充满氮气,与金属性太空飞行器相比,具有重量轻、成本低、安全性高、抗温性好、抗压性强等特点,是未来开发利用太空资源、建设太空植物工厂、成为生命保障系统的重要器材和设施。

对人们对植物工厂发展前景及可持续性的担忧,李绍华从食品安全,以及缓解土壤资源和水资源危机等方面向记者做了分析。

2、封闭型植物工厂栽培形式的选择

他告诉记者,我国蔬菜占地1600万公顷,使用农药31.1万吨,化肥5912万吨,而同等种植面积下,植物工厂使用的肥料则是传统种植方式的二十五分之一、农药则一点不用,最大程度地保障了所种植植物的食用安全性。

封闭型植物工厂可分为平面多层立体栽培、多面体立体栽培、垂挂式立体栽培、幕墙式立体栽培、圆柱形立体栽培等多种形式。

采访过程中,研究人员从栽培架上顺手掰下一片冰草的叶子,便直接递给记者食用。“我们生产出的产品不仅口感好、味道鲜美,而且更重要的是安全。”李绍华说。研究人员告诉记者,经过第三方机构检测发现,植物工厂种植的蔬菜产品检测不到农药、重金属等有害物质,而维生素、膳食纤维、矿物质等营养成分相较于传统种植的蔬菜却高出了几倍之多。

2.1 平面多层立体栽培

而从我国耕地资源紧缺层面来看,植物工厂技术也有独到的战略意义。李绍华告诉记者,植物工厂多层栽培架立体栽培的模式,种植面积相当于同样大小耕地的几倍,加上种植密度大等特点,其产量更是可以达到常规栽培的几十倍甚至上百倍。

目前,国际上以色列、美国、日本等多个国家包括中国在内的绝大多数封闭型植物工厂普遍采用平面多层立体栽培。这种栽培形式在旧厂房、空置房、地下室等非农业用地场所植物工厂中得到了普遍使用。

因而,虽然面临着10度电生产1公斤蔬菜的耗能,以及需要高技术人才维护光、营养液、温度、湿度等植物生长环境等问题,但这种生产效率“百倍于传统农业”的现代种植技术,仍被李绍华视作具有战略意义的“农业发展方向”之一。

在集装箱类封闭型植物工厂内,只能设计两排栽培架,由于受到高度和空间的制约,栽培形式只能是3~4
层,这是因为平面多层立体栽培形式只能采用营养液水培技术,每层都需有营养池、栽培板、LED
补光灯和蔬菜类植物以及栽培架所占的空间,一般每层都在65~70
cm,从而使得能够扩大的栽培面积空间有限,导致产量和效益只能在一定范围内提高。

“配方”背后的定制服务

在其他类封闭型植物工厂中,根据其设施的高度和空间,平面多层可以向空间延伸更多层,到目前为止,我国浙江大学封闭型植物工厂已达到10
层,世界上最大的2300 m2的LED 人工光日本植物工厂已提高到15
层,产量和效益得到更大提高。

在植物工厂厂区,记者看到一个由废旧集装箱改造而成的太阳能植物工厂。据中科三安总经理占卓告诉记者,这个造价20万左右的集装箱,提供了包含光系统、营养液系统在内的完备的植物工厂生产系统,可供应20余人的日常蔬菜消耗。

2.2 多面体立体栽培

事实上,植物工厂模块化的栽培系统,在为沙漠、海岛等特殊环境提供蔬菜刚性需求解决途径的同时,更多地着眼于走进北上广特大城市普通百姓的餐桌。

多面体立体栽培形式是我国自主创新的栽培形式,同样在空置房、厂房、地下室和集中箱等封闭型植物工厂里生产,与平面多层相比,
其效果具有明显优势。

而通过模块化的系统设计模式,他们还将在未来3年内推出小家电式的小型植物工厂,让大众可以在家完成蔬菜、瓜果种植,使更多人享用到健康、新鲜、高品质的农产品。

以集装箱封闭型植物工厂为例,可以设置两组栽培床,每组栽培床的两面都可以栽培植物,两组栽培床共有4个植物栽培面,这种多面体立体栽培床形式可采用雾培技术代替营养液水培技术,每组栽培床只有1个营养池,LED灯可以配置在集装箱左右两壁和中间过道上,从而使光照、水、肥、空间利用率更高,由于实现了水、肥、气同补,使植物生长更快、成本更低、重量更轻,而产量提高了好多倍,如果在封闭型充气膜植物工厂中采用多面体栽培形式生产植物,立体空间更大,产量和效益将最大化。

记者走访了厦门当地的某精品超市,其中所售卖的植物工厂生菜产品价格在150克11.8元,合一斤约40元。虽然价格偏高,但占卓介绍,通过与精品超市、餐饮企业的合作,一家日产1.5吨的工厂,其产品并不愁销。

2.3 幕墙式立体栽培

而随着对光谱研究的深入以及对光和营养液等系统运用的娴熟,植物工厂的耗能也在不断降低。“现在的产品已经比第一代产品用电耗能降低了25%,并且生长周期也从最开始的50天大幅缩短。”裴克全说,在劳动力日益紧缺的情况下,高机械化程度运作的植物工厂,与传统农业种植成本间的差距还将不断缩小。

幕墙式立体栽培是利用在封闭型植物工厂的墙壁或人工设计建设的幕墙上栽培植物。以集装箱型植物工厂为例,在集装箱四周箱壁上设置栽培床,采用潮溪培技术在栽培床上栽培植物,栽培床下设营养池,集装箱内顶部安装LED
补光灯,相比于平面多层立体栽培,这种的光照利用更充分、布局更合理、操作更方便、栽培面更大、产量更高。如果在封闭型充气膜植物工厂中,设置更多、更高、更宽的植物幕墙栽培植物,产量、效益更高。

在不断降低成本的同时,植物工厂的研究人员也在不断寻找与普通百姓需求的契合点。

2.4 垂挂式立体栽培

“比如肾脏病人严格控制钾的摄入量,我们可以为他们提供低钾配方的蔬菜。”裴克全举例说,针对不同需求的顾客,定制蔬菜将是该植物工厂服务大众的方向之一。

把植物栽培床垂挂在封闭型植物工厂的顶部,然后在垂挂的栽培床上播种、灌溉、施肥、植保从事农耕,这既是一种农业生产,更是一种生存艺术。在任何封闭型植物工厂中,实现垂挂式立体栽培从事农业生产,不仅可扩大面积、提高产量、增加效益,而且还可降低成本、提高资源利用率,既生态环保,又便于可持续生产;不仅操作方便,
而且可增强生活体验。

自然,植物工厂也在开发更多的蔬菜、瓜果、经济作物品种,满足人们的多样化需求。李绍华告诉记者,研究人员正在研究桃树的小型化,在不远的未来有望实现桃子、草莓等水果在植物工厂的生产。

2.5 圆柱形立体栽培

记者也了解到,由中科院植物所和福建三安集团共同发起成立的福建省中科生物股份有限公司目前拥有全球领先的栽培系统及技术,已在国际范围获得认可。自2016年至今,其自主研发的植物工厂装备已向海外市场售出1000多套,创汇200多万美元。从中科院植物所走出的这一成果,正从百姓餐桌走向国外舞台,并逐步在服务国民经济主战场中发挥越来越重要的作用。

把植物定植在圆柱体表面,立体栽培面积更大,采用雾培技术,植物生长更快。不过在封闭型集装箱型植物工厂中,由于环境空间太小,不宜使用圆柱形立体栽培装置。但在其他类封闭型尤其是在充气膜和气密膜封闭型植物工厂中采用圆柱形立体栽培,其优越性将得到更加超长的发挥。

3、封闭型植物工厂栽培技术的选择与比较

3.1 栽培形式与栽培技术

封闭型植物工厂栽培技术可分为基质培、营养液水培、潮溪培和雾培多种,这些栽培技术可以单独使用,也可以并用,但必须以达到高产量、高品质为目的。栽培技术的选择是由栽培形式决定的,一般来讲,
一旦栽培形式确定之后,栽培技术也就确定了。先进的栽培形式和与之相匹配的栽培技术,
决定了封闭型植物工厂的产量、品质和特点。

3.2 主要栽培形式和栽培技术的比较

以40HQ型集装箱封闭型植物工厂为例,国内大多数植物工厂都采用日本平面多层立体栽培形式与之相配套的营养液水培技术。40HQ型集装箱长12
m、宽2.35 m、高2.39 m,空间面积为67.398 m2。

采用平面多层立体栽培的,中间过道两边栽培区可各设1 排长12 m
栽培架,架上可设3 层宽60 cm 的栽培床,这样整个40HQ
型集装箱空间实际可栽面积为43 m2,如果每平米可栽12 株菜,每批可栽518
株,全年10 批共可栽5 180 株。

采用多面体立体栽培的,中间过道两边栽培区可各建1 个栽培床,栽培床每面长12
m、宽2 m,每床单面可栽面积为24 m2,这样共可建4
个栽培面积,即实际栽培面积为96 m2,全年可栽蔬菜11 520 株。

这样,在同一个集装箱内栽培蔬菜,同一面积栽相同的数量,由于采用的两种栽培形式不同,相应地也会出现两种结果,相比平面多层立体栽培,多面体立体栽培的实际栽培面积和栽培数量均扩大了2.2倍。另外由于平面多层立体栽培形式采用营养液水培技术,而多面体立体栽培采用的是雾培技术,多面体立体栽培的优势还表现在以下几个方面:

(1)营养液水培技术对植物只能实现水、肥同补,雾培技术对植物真正实现了水、肥、气同补,从而使植物生长更快,这是任何一种栽培技术所不能比拟的;

(2)在水、肥资源利用率方面,雾培技术实现了循环利用,是营养液水培技术用水量的1/10,营养液水培技术中肥的利用率为60%~70%,
而雾培技术中肥的利用率达到95%以上,真正实现了零污染、零排放;

(3)营养液水培技术在高温季节里,一旦营养液温度达到35℃以上时,植物就会停止生长甚至萎蔫死亡,在低温季节里,一旦温度低于下限值0℃时,大部分植物都会停止生长甚至遭受冻害,而雾培技术在同样的条件下,采用温控措施的成本都要低很多。

立体栽培形式有很多,所采用的栽培技术也有多种选择。在实际生产实践中,要根据不同的植物品种选择不同的栽培形式和与之相适宜的栽培技术,综合考量产量、生态、成本、景观、品质、操作性等多种因素,科学选择,以求最佳。

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