作者:田瑞颖 来源:中国科学报 发布时间:2020/5/22 19:00:47
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植物工厂的“光”辉岁月

 

 

“三年后,我国的植物工厂会雨后春笋般出现。商业化植物工厂会更多,可生产的植物种类会大幅增加,价格会更便宜。”

如今,植物工厂的发展印证了李绍华三年前的预测:多个万平厂房拔地而起,蔬菜瓜果琳琅满目,药用植物优质量产,植物工厂装备和技术走出国门,亮出“中国名片”,一段植物工厂的“光”辉岁月,正在迎来……

李绍华是中国科学院植物研究所(以下简称中科院植物所)研究员,同时也是福建省中科生物股份有限公司(以下简称中科生物)光生物产业研究院院长。在近日接受《中国科学报》采访时,他再次强调:“植物工厂颠覆传统农业生产,是现代农业发展的最高阶段,对解决人口与资源间矛盾、保障国家粮食安全及国防战略需求有重要意义。”

颠覆传统农业的“革命”

从靠天依地,到以塑料大棚为代表的传统设施农业,农业虽然有了巨大的进步,但是仍面临病虫害严重、农药使用过量、土地单产不高、机械化自动化水平受限等问题。

此外,劳动力成本上涨,自然灾害频发,人口与资源矛盾日益尖锐……一场颠覆传统农业的“革命”,势在必行。

“在十万级净化车间内,通过对光照、温度、湿度、CO2及营养液等因素进行智能控制,可进行高效、优质和安全的蔬菜生产,实现全年稳定、连续的蔬菜供应。”中科院植物所副研究员、植物工厂研发中心主任李阳告诉《中国科学报》,“中科生物的植物工厂整合了多系列自主研发的栽培模组设备、专业的植物光源系统、营养液配方及控制系统、智能环境控制系统,实现了整个生产过程的可控。”

他进一步说,基于高效的LED光谱技术和营养液调控技术,可控的洁净环境,植物工厂的生产效率是传统农业的几十倍甚至上百倍:可年产20余茬,蔬菜的产量和品质完全可控,而且营养更均衡。在福建省安溪县湖头镇建立的国际首栋1万㎡蔬菜工厂,可生产几十余种蔬菜,目前主栽品种8个,从播种到采收仅35天,日产蔬菜1.8~2.0吨。

“植物工厂绿色无污染,蔬菜生产过程不使用任何农药,解决了传统蔬菜生产过程重金属污染和农药残留等食品安全问题。” 李绍华说,植物工厂的蔬菜还完成了2017年金砖国家领导人厦门会晤餐宴保障。

目前,植物工厂所生产的植物种类集中在叶菜类(生菜、白菜、冰菜、芽苗菜等)、果菜类(番茄、甜椒、黄瓜等)、食用花卉和药用植物,其中药用植物以金线莲、米斛等高附加值的药用植物为主。

“相较于三年前,植物工厂的产品种类大幅增加,价格始终稳定;在海拔4300米的无人区实现蔬菜生产的集装箱式植物工厂,为国家战略需求提供了保障。”李绍华说。

“造光” 没那么简单

拿什么代替太阳光?这不得不提植物工厂的关键技术之一——植物光配方调控技术。要将生物学和LED发光技术结合,制作出适合的植物照明灯具,可没那么简单。

不同的植物需要不同的光配方,植物的不同发育阶段对光的需求也不同。“以生菜为例,育苗阶段为使幼苗健壮,需要更多蓝光,后期为加速植物生长,则需要更多红光。必要时,采收前还需要添加特殊的光配方,以提高产品的品质。”李阳说。

记者了解到,一个成熟的光配方一般需要研究1~2年,个别药用植物则需要3~5年甚至更长时间。

李阳向《中国科学报》介绍了他们“造光”的历程。

首先,要深入调研植物的本性以及在外界环境下对光照的需求,进而研究几十种单色光在植物生长发育过程中的作用,这一般需要半年到一年的时间。与此同时,还要开展单色光组合对植物生长发育过程影响的研究,这也需要半年之久。

基础研究完成,接下来是光质配方(光谱)研究。要想成功替换太阳光,就要保证不同植物在不同发育周期获得合适的光质配方,包括单色光选择、能量分配,以及应用效果。此外,在光质配方的基础上考虑用电成本和产出效益,需要研究光照时间、光照强度及方式对植物的影响,进而获得合适的光配方。

接下来,要在光质配方的技术上,利用不同类型的LED灯株,模拟所获得的光谱,结合LED发光效率和灯具开发成本,开发出高效节能的植物照明灯具。

光配方和灯具的生产应用是最能检验技术是否成熟的方法。李阳回忆道,在金线莲投产初期,金线莲的叶片出现返绿现象,不符合高品质金线莲金线清晰、叶背红的生产要求,栽培技术和生产条件都没有变,只有灯具是新做的,出问题的可能性最大。然而当时专用的金线莲生长灯已经定型和大面积布置,更换的代价太大了,压力扑面而来。

正在厦门实验室的李阳赶回湖头中试基地,在厂房“蹲”了两个小时,仔细打量着眼前的金线莲和工厂的各个角落,从不同光下的金线莲表现,到温度、湿度、通风等环境条件,以及金线莲的栽培基质等栽培容器,他发现,栽培架上层的金线莲的叶子比下层的红,远离空调风口处的叶子比风口处红。

“问题很可能出在了温度上!”带着“蹲”来的思考,李阳写了两页的分析报告,详细分析了每一种可能存在的影响因素,经过不断的试验排除,结果证实了他的猜测。通过不断的反馈和调试,他们最终解决了金线莲的生产问题,成就了国际上首个药用植物(金线莲)商业化植物工厂,生产出高品质的金线莲产品,相比其它生产模式,金线莲的有效成分含量提升48.52%以上。

强强联合 深耕市场

好技术,吸引好企业;好产品,赢得好市场。

一天,中科院植物所迎来了一批特殊的客人,国内光电产业龙头企业福建三安集团。在三安集团跟美国航空航天局的一次植物照明灯具的合作中,发现LED技术在植物工厂市场应用的巨大潜力,于是找到中科院植物所,希望合作建立植物工厂。

实际上,美国、荷兰、日本、韩国等国早期已建设了众多植物工厂,部分发达国家已开始在中国以示范推广为目标布局植物工厂产业。大都市、寒冷干旱等自然条件受限的地区,将是独具潜力的争夺市场。抢占时机,已显得刻不容缓。

带着成为国际植物工厂“领头羊”的愿景,中科院植物所与三安集团合作共建福建省中科生物股份有限公司,下设中科生物总部基地、植物工厂研究院、产业化基地。“公司在研发的同时进行产业化示范,将植物工厂产业化的关键设备和技术的开发和应用紧密结合。”李绍华说。

为了更好的激励科研人员,中科生物还制定了《知识产权管理办法》,在保护知识产权的同时,鼓励发明创造,增加年终专利奖项的设定,并将专利与专有技术作为员工晋升考核的参考项目。“此制度的实施促进了专利申请量的大幅增加,发明专利申报数量同比2018年增长340%,授予和受理的国内外专利数达189项,同比增加372.5%。”李阳说。

李绍华指出,以产业化为目标,对科研队伍而言既是激励又是挑战。科研人员从做实验发文章,转为钻技术、评专利,以市场应用为导向进行研究。

在中国科学院“弘光专项”的支持下,中科生物投资建立了多家直营植物工厂,在福建省安溪县湖头建立总面积8万㎡的标准化厂房,产品销往200多家商超、酒店和餐厅。

此外,中科生物还将加快装备的研发和输出,并以技术入股的形式入股,组建新的合资公司,实现全世界范围内的快速扩张。中科生物还与新加坡企业合作,共建2万㎡的植物工厂,为新加坡提供先进的室内植物工厂设备和种植技术。

对于未来的展望,李绍华说:“当前,植物工厂的主要成本在于劳动力和耗电,随着劳动力成本的上涨,国际蔬菜价格可能会持续上涨,我们将提高机械化和智能化水平,进一步降低成本。”

 
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