2024-11-18 16:41:40
上海農(nóng)科院可移動(dòng)種植架（資料照片）李傲 攝
不久前，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于踐行大食物觀構(gòu)建多元化食物供給體系的意見》。強(qiáng)調(diào)加快發(fā)展現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)，拓展食物開發(fā)新空間。積極發(fā)展日光溫室、塑料大棚，集中連片推進(jìn)老舊設(shè)施改造提升，加快發(fā)展集約化育苗，發(fā)展基質(zhì)、水培等無土栽培，在大中城市周邊布局建設(shè)植物工廠。
所謂植物工廠，是在可控環(huán)境下，利用無土栽培技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有高產(chǎn)高效、節(jié)能環(huán)保、清潔健康、生態(tài)智能等特征的周年穩(wěn)定的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向，植物工廠在解決二十一世紀(jì)人口、資源、環(huán)境、健康等問題中有巨大想象空間。
近年來，隨著人工光源技術(shù)的不斷突破，加之政策支持，植物工廠在日本、美國、荷蘭等國頗受重視，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)先世界。我國起步較晚，但發(fā)展迅猛，憑借在光源控制、智能化管控等環(huán)節(jié)打下的堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)，為規(guī)?；a(chǎn)業(yè)落地按下“加速鍵”，成為全球植物工廠發(fā)展的中心之一。
從現(xiàn)實(shí)來看，即便植物工廠產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最為成熟的日本，由于技術(shù)水平等因素制約，植物工廠依然存在建設(shè)成本高、生產(chǎn)成本高、產(chǎn)量和品質(zhì)未達(dá)預(yù)期等問題，不少企業(yè)依然處于虧損狀態(tài)。
進(jìn)一步降本增效，是植物工廠從集裝箱走向市場的關(guān)鍵。
國內(nèi)迎頭趕上
營養(yǎng)液代替土壤，LED燈取代太陽光，超越光熱水土自然約束，擺脫時(shí)間空間天然限制的植物工廠，讓高產(chǎn)不再看天吃飯。據(jù)測算，其單位面積作物產(chǎn)量可達(dá)傳統(tǒng)模式的10～20倍，以大小約30立方米的集裝箱為例，一茬生菜產(chǎn)量能達(dá)到150公斤左右。
植物工廠始于上世紀(jì)50年代。1957年丹麥建立了世界上第一座植物工廠，1960年美國通用電氣公司開發(fā)了世界上第一個(gè)完全利用人工光的植物工廠。有學(xué)者將植物工廠幾十年來的發(fā)展分為試驗(yàn)探索（1950～1980年）、示范應(yīng)用（1980～2000年）和快速發(fā)展（2000至今）三個(gè)階段。
我國植物工廠起步較晚，但起點(diǎn)高、發(fā)展快。2009年，國內(nèi)第一個(gè)智能型人工光植物工廠由中國農(nóng)科院環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所研發(fā)成功，中國也因此成為當(dāng)時(shí)世界上少數(shù)幾個(gè)掌握植物工廠核心技術(shù)的國家之一。
近年來，一批LED制造企業(yè)、平臺(tái)企業(yè)、房地產(chǎn)企業(yè)紛紛加入植物工廠建設(shè)行列。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前我國人工光植物工廠數(shù)量超過了200家，居全球前列。
其中，位于福建省泉州市安溪縣的福建省中科生物股份有限公司是較為成熟的案例，其將中國科學(xué)院植物所的研發(fā)成果和福建三安集團(tuán)的LED光源技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出生長環(huán)境全智能控制的植物高效生產(chǎn)系統(tǒng)，并應(yīng)用于新一代自動(dòng)化無人植物工廠。如今該公司的無人植物工廠每天可產(chǎn)出1.5噸蔬菜，在廈門、泉州、深圳等地均已上市銷售。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授賀冬仙研究植物工廠多年，她認(rèn)為，我國植物工廠發(fā)展速度較快，在于居民消費(fèi)能力和對消費(fèi)品質(zhì)的需求有顯著提升，給植物工廠發(fā)展創(chuàng)造了空間。
“特別是一些經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)、對高端葉菜有更多消費(fèi)需求的一線城市，可以成為植物工廠重點(diǎn)發(fā)力的市場?！辟R冬仙說。
以上海為例，有數(shù)據(jù)表明，上海市每天綠葉菜需求量達(dá)6000噸以上，資產(chǎn)1000萬元以上的家庭有約27.1萬戶。若目標(biāo)家庭每周食用1公斤生菜，每天將有38.7噸新鮮生菜的需求，可支持65座日產(chǎn)5000株（120g/株）的生菜植物工廠。
壓縮成本是關(guān)鍵
植物工廠的“智慧菜”已在市場中展現(xiàn)出巨大消費(fèi)潛力，根據(jù)相關(guān)報(bào)告，2022年全球植物工廠市場規(guī)模達(dá)到1330億美元，預(yù)計(jì)到2028年將達(dá)到2250億美元，預(yù)測期內(nèi)復(fù)合年增長率為9.2%。
植物工廠的應(yīng)用場景也日益豐富，不僅城市，在南北極、高原、沙漠等極端環(huán)境下也能有所保障。
目前看，最大的挑戰(zhàn)是成本較高。由于植物工廠包括空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)、多層立體栽培系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等多套復(fù)雜系統(tǒng)，需要在完全封閉的室內(nèi)環(huán)境中運(yùn)行，較之露天種植、溫室大棚等常規(guī)生產(chǎn)模式成本明顯高。
據(jù)葉菜俠（山東）農(nóng)業(yè)科技有限公司負(fù)責(zé)人解曉巍介紹，植物工廠的運(yùn)營成本主要包括以下幾個(gè)方面：LED植物照明、空調(diào)能耗等在內(nèi)的能源成本占60%左右，設(shè)備維護(hù)成本和營養(yǎng)液成本各占10%左右，人工成本占15%左右。
如何降低居高不下的成本，成為植物工廠能否真正走向市場的關(guān)鍵。
2023年2月，來自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、上海農(nóng)業(yè)科學(xué)院、上海交通大學(xué)、極星農(nóng)業(yè)等科研院校及種植企業(yè)的4支團(tuán)隊(duì)，從全球30支頂尖團(tuán)隊(duì)、150多位青年科學(xué)家中脫穎而出，集聚崇明島，在集裝箱改造的“植物工廠”內(nèi)，參加由拼多多、光明母港、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)聯(lián)合舉辦的AI種植比賽，沉淀了大量一手的植物工廠運(yùn)營成本數(shù)據(jù)。
經(jīng)過90天的比拼，最終數(shù)據(jù)出爐：生菜的日產(chǎn)量為0.18公斤/每平方米；成本約為7.73元一棵，約為市場上同規(guī)格普通生菜的10倍。如果栽培架層數(shù)再提高，成本可攤平至4.59元一棵。如果集裝箱利用效率進(jìn)一步提高、能源利用效率進(jìn)一步降低，生產(chǎn)成本將降低為2.84元一棵。
2.84元一棵的成本依舊明顯高于露天種植。同樣的場地、同樣的品類，今年生菜種植比賽如約而至，賽事難度進(jìn)一步升級(jí)，在去年開展集裝箱植物工廠種植比拼的基礎(chǔ)上，將植物工廠設(shè)計(jì)、改造的主動(dòng)權(quán)交給參賽隊(duì)伍。
圍繞降成本，參賽隊(duì)伍使出渾身解數(shù)。上屆比賽中，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)代表隊(duì)發(fā)現(xiàn)空調(diào)是整個(gè)植物工廠最大的能耗來源，占比在50%～60%，今年對溫控系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。一方面，使用能耗更低的水冷空調(diào)；另一方面，將外界冷源接入節(jié)能系統(tǒng)。正常植物生長所需溫度是18℃～22℃，當(dāng)箱外溫度低于箱內(nèi)大于等于5℃，空調(diào)會(huì)關(guān)閉，系統(tǒng)自動(dòng)引入外界冷源，對室內(nèi)降溫處理，從而減小空調(diào)負(fù)荷、降低能耗。
在光能供給上，團(tuán)隊(duì)放棄了上屆比賽使用的LED直流燈，在每個(gè)種植單元安裝了6根交流燈。也無需人力控制光強(qiáng)，僅根據(jù)植物生長的階段差異開關(guān)不同個(gè)數(shù)的燈管即可，從而大大降低了功率。經(jīng)過這一系列改進(jìn)，生菜的成本將有望降低10%左右。
在降本增效方面，植物工廠還有許多潛力可挖。
“種植架從層架式改為可移動(dòng)式，可將過道處80厘米的空間充分利用起來，實(shí)現(xiàn)極致空間使用率。”“旋轉(zhuǎn)種植架讓所有種植槽在傳輸鏈條的帶動(dòng)下，緩慢移動(dòng)形成大回環(huán)，打造動(dòng)態(tài)環(huán)境，降低整體散熱能耗和成本。”“通過將植物蒸騰的水分進(jìn)行回收，冷凝存儲(chǔ)至營養(yǎng)液中，降低植物生長過程中的水分消耗?！薄皣L試給植物聽音樂，以探究聲波赫茲對于植物生長的影響。”……
此次比賽中，一項(xiàng)項(xiàng)奇思妙想的“腦洞”，集結(jié)了從農(nóng)業(yè)技術(shù)，到電氣工程，再到工業(yè)制造等多領(lǐng)域的跨界融合，不僅為植物工廠的發(fā)展蓄力，也為農(nóng)業(yè)科研注入了新活力。
以創(chuàng)新賦能農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型
讓“智慧菜”不再昂貴，大規(guī)模走向普通消費(fèi)者餐桌，還需很長一段時(shí)間。但政策端對植物工廠前沿技術(shù)研發(fā)的支持，正吸引著越來越多的人才和企業(yè)參與，共同推動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。
以本次垂直農(nóng)業(yè)挑戰(zhàn)賽為例，已有多項(xiàng)涉及植物工廠環(huán)控、營養(yǎng)液配方動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)等成果，進(jìn)入專利實(shí)審受理階段。
包括基于日累積光照量的植物補(bǔ)光方法、增加空氣流動(dòng)降低生菜燒邊癥狀發(fā)生率的方法、番茄產(chǎn)量預(yù)測模型等一系列比賽過程中形成的創(chuàng)新種植技術(shù)，也開始逐步推廣應(yīng)用。比如，賽博農(nóng)人隊(duì)在此前賽事中積累的草莓營養(yǎng)液配方動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)，目前已在北京小湯山草莓種植基地應(yīng)用。
作為唯一連續(xù)四屆比賽都參與的選手，來自賽博農(nóng)人隊(duì)的中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生楊浩表示，“國家正倡導(dǎo)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，我們希望能做出一套區(qū)別于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的種植方案，讓普通農(nóng)民也能快速學(xué)習(xí)上手，為農(nóng)事生產(chǎn)減負(fù)增效?！?/p>
舉辦垂直農(nóng)業(yè)挑戰(zhàn)賽，就是要把科研與產(chǎn)業(yè)打通、把實(shí)驗(yàn)室與市場打通，通過農(nóng)研競賽搭建舞臺(tái)，創(chuàng)建產(chǎn)學(xué)研合作平臺(tái)，吸引匯集更多優(yōu)秀的科研團(tuán)隊(duì)和科創(chuàng)企業(yè)投身科技農(nóng)業(yè)。
其中青年人才所展現(xiàn)出來的創(chuàng)新思維、科技能力和科研精神遠(yuǎn)超想象。作為上屆比賽的冠軍，上海農(nóng)科院隊(duì)通過去年的比賽，受到廣泛關(guān)注，吸引了不少企業(yè)主動(dòng)上門尋求合作，這激發(fā)團(tuán)隊(duì)更加大膽地創(chuàng)新。
據(jù)介紹，上海農(nóng)科院隊(duì)在本次比賽中設(shè)計(jì)了一套總共6層的可移動(dòng)式垂直吊掛栽培架。從植株的育苗期到成長期，這些架子逐漸展開，可為每架生菜留出20厘米的生長間距，整個(gè)空間可種植1600余棵生菜，是目前6支隊(duì)伍中種植數(shù)量最“激進(jìn)”的方案。
上海市農(nóng)業(yè)農(nóng)村委員會(huì)黨組成員、副主任，上海市鄉(xiāng)村振興局副局長夏明林表示，未來幾年將著力突破溫室和植物工廠關(guān)鍵核心技術(shù)，研發(fā)柔性農(nóng)業(yè)機(jī)器人，創(chuàng)設(shè)生產(chǎn)型植物工廠，實(shí)現(xiàn)茄果、葉菜等溫室生產(chǎn)智慧決策和智能控制。
“對一國而言，植物工廠是具有戰(zhàn)略意義的技術(shù)儲(chǔ)備，意義不可忽視?！辟R冬仙最后表示。
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