蔬菜“夢工廠” 正走進你我的生活

蘇秋芳

自己種菜自己吃，在家里種幾種蔬菜，隨種隨吃，既怡情養性又安全放心，還不用花太多心思打理。無論數九寒天還是烈日炎炎，不用出門買菜，打開自家一臺冰箱大小的“家庭植物工廠”，喜歡啥菜吃啥菜;無論在單位上班，還是在外地出差，通過手機軟件隨時打理自家小菜園，一鍵可控;“種得省心、吃得放心、玩得開心”。你以為這是科幻故事里的情節？實際上，隨著植物工廠技術的出現，家庭微型植物工廠正在走入我們的生活;而在生產領域，植物工廠在世界范圍內正如火如荼，快速發展。

“鋤禾日當午，汗滴禾下土”，千百年來，人們想獲得吃食，要看老天臉色，面朝黃土背朝天，在與天斗、與地斗中討生活。在辛苦勞作中，人們夢想著有朝一日能夠在不受氣候影響的條件下進行耕作，在輕松愉快的環境中按照自己的意愿生產與收獲。這些夢想隨著植物工廠的誕生變成了現實，顛覆性技術讓昔日萬物生長靠太陽的農業已經發生了翻天覆地的變化，使人類實現了幾千年來理想化的農耕夢。

植物工廠的誕生與發展

說到“植物工廠”，你腦海里是否呈現出“植物在程序化的流水線上源源不斷地產出”的工業化場景？關于“植物工廠”科學家給出了精準定義：一種通過設施內高精度環境控制，實現作物周年連續生產的高效農業系統，是由計算機對作物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度、營養液等環境要素進行自動控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產方式。

是不是有點想不通，植物怎么能從工廠里生產出來呢？植物和工業革命時出現的“工廠”這個詞，是怎么聯系起來的？這還要從人類的生存與夢想說起。人類自誕生之日起，為了生存，從刀耕火種到人工灌溉，從狩獵圈養到人工繁殖，通過引種谷物、豆類、塊莖類等可食植物，馴化牛、豬、羊和狗等牲畜，形成了原始的農業生產，從那時起，面對生存的挑戰，人類就開始不斷積累生產經驗，改進生產技術，提高生產產量，但是，由于自然科學的不發達，對農業上的研究更多地停留在生產實踐方面。

隨著近代自然科學的發展，直到1840年德國化學家李比希《有機化學在農業和生理學上的應用》的發表，打開了現代農業的開端。18世紀下半葉的工業革命，給農業生產帶來了翻天覆地的變化，工業機械化、化學化和信息化應用到農業領域，減輕了農業生產的勞動強度，提高了農產品產量與品質，傳統農業開始進入現代農業階段。

工業革命誕生了現代工廠制度，以機器制造為主體的集約化生產，使得在嚴格的規章制度下，勞動生產率大幅提升。工業革命的成功，給農業帶來了極大的啟示。人們希望農業生產也能夠借鑒現代工廠制度，擺脫自然環境的制約，采用機械化流水作業，形成集約、高效的生產方式。

同時，李比希“植物礦質營養學說”的提出，進一步啟發了科學家的思維，科學家開始研究植物生長的各項環境指標及所需的具體養分，1860年前后，科學家成功地在營養液中種植植物，由此，產生了以“植物礦質營養學說”為理論基礎的營養液栽培技術，并逐步演變成現代的無土栽培技術。20世紀40年代，無土栽培作為一種新的栽培方法，陸續用于農業生產，不少國家都先后建立起了無土栽培基地，有的還建起了溫室，無土栽培技術的長足發展，為植物工廠的誕生提供了重要技術支撐。

1949年，美國植物生理和園藝學家F.W.Went教授在加州帕薩迪納建立了第一座人工氣候室，將植物生長需要的“陽光”“土壤”“雨露”用人工調控提供給植物，引發了“人工模擬生態環境”領域的革命性突破。

基于以上兩項技術的顛覆性突破， 1957年，世界上第一座真正意義上的植物工廠，在丹麥哥本哈根市郊的約克里斯頓農場誕生，工廠面積1000m2，從播種到收獲采用全自動傳送帶流水作業，年產水芹100萬kg。植物工廠由此登上歷史舞臺。

植物工廠的發展始于歐美一些發達國家， 1963年，奧地利建造了高30m的塔式人工光植物工廠，采用上下傳送帶旋轉式的立體栽培方式種植生菜，成為垂直植物工廠的發端。1973年，英國提出了營養液膜法（NFT）水耕栽培模式，成為植物工廠的一項標準技術。1974年，日本也開始人工光植物工廠的研究。隨后，荷蘭、美國、奧地利等國家及世界上一些著名企業如荷蘭的飛利浦、美國的通用電氣、日本的日立等紛紛投入巨資，與科研機構聯手進行植物工廠的關鍵技術開發，為植物工廠發展奠定了堅實基礎。

20世紀80年代，植物工廠進入快速發展期，很多不同形式的植物工廠，人們通常按照光源劃分為太陽光利用型、人工光利用型（被視為狹義的植物工廠）、太陽光和人工光并用型等類型。20世紀90年代，中國開始了植物工廠的實驗探索。目前，植物工廠主要分布在東亞和歐美國家，以日本、荷蘭、中國最具代表性。日本，在人工光植物工廠方面研發與產業化較快，居領先水平。目前，有100余座人工光植物工廠在運營。荷蘭，在太陽光植物工廠方面實力最強，90%以上的溫室為Venlo型玻璃溫室結構，最高產量高達90kg/m2。中國是目前全球植物工廠研發與產業化最活躍的國家，在兩類植物工廠研發方面均有建樹，處于均衡發展中，目前，已有人工光植物工廠百余座。

植物工廠的科學真相

沒有陽光，沒有雨露和土壤，運用現代科學技術，蔬菜也能健康地成長，而且產量更高，品質更好。其中的奧秘是什么呢？

我們知道，植物生長必需的元素有17種，即碳、氫、氧、氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、錳、鋅、硼、鉬、銅、氯及鎳。除了從空氣和水中吸收氫、碳、氧外，其他的營養素從哪里來？目前，所有的植物工廠均采用營養液栽培模式，用營養液取代了作物賴以生存的土壤。因此，植物生長所需元素多從營養液中吸收。

營養液——植物的美味營養大餐。為每種蔬菜配置獨特的營養液是植物工廠的核心技術， 在營養液中，營養元素需要保持能被植物有效吸收利用的游離或螯合狀態，并且要有合適的配比，某種元素過量或不足均會影響作物的正常生長。不同的作物、作物不同的生長時期，對營養液的需求也不盡相同。

營養液的科學配置是營養液栽培技術應用過程中非常重要的工作。科學家要經過很多次實驗以及經驗的積累，為作物精心調制營養大餐，以保證營養全面均衡，更容易被吸收。營養液配方的最優化，可促進蔬菜生長發育的最優化，從而獲得高產量。

不僅如此，營養液的科學配置還可以使蔬菜風味、口感更好。通過實驗，科學家發現，對營養液配方的調控可以實現對作物中的各類營養素的調控，可以改善蔬菜、果實的纖維素、糖分含量以及風味品質等，比如，讓葉菜更脆嫩、番茄更甜;還可以給作物補充某種特定營養素，有目的地培育“富鈣”“富鋅”“富硒”等蔬菜，為人們提供特定的營養素補充，比如，針對兒童生長過程中缺鋅的情況，生產富含鋅元素的小白菜、生菜， 針對孕婦需要生產富含葉酸的蔬菜，針對特殊人群生產低鉀蔬菜等。

另外，無土栽培蔬菜根莖干凈無土，沒有土壤中攜帶的細菌，也避免了受污染的土壤中含有的有毒重金屬，而且，無土栽培一般在相對封閉的環境中進行，不容易感染病蟲害，因此，不需要農藥，是一種安全可控的生產方式。

“光配方”——植物生長的“陽光”。光是植物進行光合作用等基本生理活動的能量源，在植物工廠里，蔬菜生長脫離對陽光的依賴，主要依賴人工光源，像熒光燈、LED燈等。由于LED燈的發光效率高、體積小，發熱少，能近距離照射植物，而不會灼傷葉片，使得栽培層間距縮短，提高空間利用率，降低能耗，減少溫室效應，被認為是密閉式植物工廠的理想光源。

人工光源系統的設計是植物工廠的核心技術之一。不同的植物對光有不同的需求，為尋找最適宜植物生長發育的“光配方”， 科學家們針對光源的光強、光質、光周期，做了大量實驗，實驗顯示了植物對光的吸收特點，被綠色植物吸收最多的是紅橙光（波長600～700nm）和藍紫光（波長400～500nm），對綠色光（波長500～600nm）只有微量吸收。因此將紅橙光和藍紫光按照一定配比制成光源，就能滿足植物生長需求。紅光一般表現出對植株的節間伸長抑制、促進分蘗以及增加葉綠素、類胡蘿卜素、可溶性糖等物質的積累。藍光是紅光用于作物栽培必要的補充光質，是作物正常生長的必需光質，光強生物用量僅次于紅光。藍光抑制莖伸長，促進葉綠素合成，有利于氮同化和蛋白質合成，有利于抗氧化物質合成。藍光影響植物的向光性、光形態發生、氣孔開放以及葉片的光合作用。針對不同的植物、不同的生長階段，光強、光質和光周期也完全不同。植物工廠里，每種植物都有自己的“光配方”。

LED植物工廠的顯著特征是密閉環境下多層立體式栽培，科學的研究結果表明，在這種環境下成長起來的植物，由于植物工廠內環境可控性強， 栽培環境的二氧化碳濃度可以得到大幅增加，使植物的光合效率提高，植物生物量的形成和營養物質的積累，都是常規栽培的幾倍。定制的“光配方”意味著更快的生長速度、更高的產量和更優秀的品質。

智慧芯——植物工廠高效運轉指揮部。植物工廠核心詞就是“可控”。溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等都是作物非常重要的生長因素，在“植物工廠”控制室的計算機顯示屏上，這些信息被360°實時監控，一覽無余，通過分布在作物各生長單元的傳感器收集的數據，植物的“思想”和“需要”被人類所知。如果把各種傳感器比作人的神經末梢，那么，計算機智能管理系統如同人的大腦，這里我們稱為“智慧芯”，當植物感覺冷了或熱了，“智慧芯”就向室內熱環境控制系統發出指令，調節室內與外界環境之間的熱量變化;當植物感覺空間濕度過大或太干燥，“智慧芯”就會啟動降濕系統。

“智慧芯”的高效運轉保證了作物最佳生長條件，不但使作物單株的產量比常規栽培更大，而且使作物生育期大大縮短、栽培的茬數大大提高，譬如，在植物工廠小麥生育期只需56天，葉菜生育期只需28天。加上栽培利用空間層數的疊加，生產效率發生了質的飛躍，單位面積產量是傳統生產的幾十倍甚至上百倍。不僅如此，通過經驗積累和大數據的分析，“智慧芯”還能制定出生產計劃，什么時候育苗，什么時間收獲，全在掌控之內。按“智慧芯”制定的生產操作模式，就能如工廠一樣生產出外觀形態及質量一致符合標準的農產品。

植物工廠是典型的現代農業高科技成果，由計算機對植物生長發育過程的光照、溫度、濕度等環境條件進行自動控制，它脫離了天（太陽），由人工光源代替;也脫離了地（土壤），營養液替代土壤、肥料和水，實現了可控環境下的周年連續生產，使人類在荒漠、戈壁、海島、水面，以及在城市的摩天大樓里都能進行正常生產，源源不斷地為人類生產出所需的農產品，為解決人類發展面臨的糧食安全、人口、資源、環境問題提供了解決方案，也為未來人類航天工程、月球和其他星球探索實現食物自給提供了解決方案。

植物工廠 正走進你我的生活

在2019世園會上，百蔬園里展示了三類工廠化生產方式：一個4500m2的“巨無霸”玻璃連棟溫室里，科幻電影《流浪地球》中，生活在地下城中的人們種菜模式在這里上演，花花綠綠的LED燈下，一層層養眼的嫩綠色蔬菜，在營養液里長得郁郁蔥蔥（完全人工光型）;長在柜子里的“蘑菇森林”（日光型和人工光結合型）;一個奇妙的番茄世界，滿藤的綠葉和倒掛的小紅燈籠，卻找不到番茄“根”（日光型），這些兼具觀賞價值和采摘食用價值的現代農業獨特景觀吸引了很多游客流連忘返， 實際上，不僅僅是展示，北京市從2012年就開始蔬菜工廠化生產技術試驗示范，目前，連棟溫室工廠化生產面積在北京郊區已經推廣了2000多畝（1畝≈666.67m2）。

走進位于北京市海淀區水木九天公司的“蔬菜工廠”， 10800m2玻璃房子，一個番茄的海洋。溫暖的陽光下，一株株五六米高的番茄藤蔓伸展著探向天空，紅彤彤的累累果實閃耀在枝頭。循著藤蔓往下，每個植株被栽培在一個個巖棉（巖石拉成的絲）方格內，每個方格都配有一套營養液輸送管道;各種傳感器和自動化控制設備令人眼花繚亂。水木九天公司負責人王曉慶介紹：“這些傳感器用來實時收集作物生長的環境情況，以便通過大數據分析和人工智能計算模型，采用最低能耗將各項環境調整到最適合作物生長的數值，不僅實現了產量及品質的提升，還降低了環境控制成本。”

“這里的番茄每7天結1串，1串5個果，每個重200g，按照11個月計算，可以結44串果，22kg重，1m2平均可以種4顆（正常大田里一般設置為1.2顆），產量可以達到88kg。通過從餐桌到種子的逆向推演，不斷分解鏈條中的各個核心數據，以新技術、新模式以及綜合農業數據，尤其是通過建設特定品種生長模型，使得軟件自動化調控環境因素及種子篩選、種植模式以及人員體系和系統體系的建設，不僅產量可控，包括番茄糖度、沙瓤程度、果子大小、顏色一系列的標準都實現了可控。我們通過這種工廠化模式種植的番茄、黃瓜、葉菜等產品經過抽樣檢測，533項農藥殘留、鉛鎘汞砷重金屬、亞硝酸鹽等指標全部達到歐盟標準。銷售價格不到有機產品的一半，產量則相當于傳統土地的10倍。” 王曉慶介紹。

當被問及蔬菜工廠到底該選擇什么形式時，王曉慶說：“我認為跟目標有關。目標不同，選型不同。人工光型植物工廠，電能消耗大、生產運行成本居高不下，一直是其無法普及的根本問題，叫實驗型或觀光展示型。我們的定位是產業化，能夠把這個東西種出來，并且能夠把成本控制住，然后，消費者消費得起。從銷售端倒推到生產端，用市場化思維指導農業生產，只有生產出的農產品符合當地民生的真實需求，農業產業化才能實現自身的產業閉環，完成自我造血，進而真正地讓農業產業落地，服務于民。”

而在位于京郊的另一家大型植物工廠——京鵬植物工廠，正在為植物工廠能源成本控制上進行積極的實踐與探索，加緊新能源引入與試驗。15kW的太陽能獨立光伏發電系統，可將清潔無污染的太陽能轉為電能供植物工廠使用，即使連續3天雨雪天氣或電力供應不正常，仍能維持植物工廠核心部分閉鎖型育苗室和人工光植物生產車間的正常運作。

針對家庭的各種家用小型植物工廠陸續被研發出來，各種適合家庭的種植柜以及與之匹配的“工廠化家庭種植模式”紛紛與消費者見面，活體蔬菜被直接配送到家庭的種植柜中，消費者可以現吃現摘，隨時吃到安全、健康的新鮮蔬菜。而在一些餐廳里，種植柜里的菜成為招攬顧客的 “特色菜”，顧客可以當場選定用哪一棵做成菜肴。

類似涉獵植物工廠產業領域的企業，全國已有200多家，這些企業不僅瞄準當地市場，還將植物工廠版圖不斷擴張，在全國各地紛紛建起“植物工廠”，推出了整體或部分組件產品;有的企業還瞄準國際市場，將植物工廠產品及技術推廣到新加坡、美國、日本、歐洲等地。

而在國家層面，對顛覆傳統農業生產的革命性戰略產業——植物工廠，給予了持續支撐，比如，2013年國家“十二五”863計劃項目“智能化植物工廠生產技術研究” ，項目總經費達4611萬元;涉及植物工廠LED節能光源、立體無土栽培、光溫耦合節能環境控制、營養液調控、基于網絡的智能管理以及人工光植物工廠、自然光植物工廠集成示范等多個領域的研究。2016年成立農業照明專業委員會，為以LED植物工廠照明為主導的植物工廠推進的全國性組織平臺;植物工廠還被寫入了《“十三五”全國農業農村信息發展規劃》……一系列的舉措奠定了植物工廠及其相關技術研發的可持續性。

在眾多利好條件的推動下，在發展迫切需求的促進下，在跨界組合與創新中，植物工廠研發與產業化發展必將給我們的生活帶來更多變化，植物工廠將培育出更多適合工廠化生產的蔬菜品種，百姓新鮮安全菜籃子品種將得到極大的豐富。隨著技術的進步、能耗的降低，蔬菜價格必將更加實惠。你有沒有想過每天工作的辦公大樓整棟樓外立面、樓頂、電梯間、辦公桌……隨處種滿蔬菜是什么樣的？在大型商場、會議中心、學校、車站、醫院、家庭，植物工廠將“無所不在”，隨時與你同在，蔬菜是新鮮美味的四季，是美化環境的使者，是凈化空氣的氧吧，是居家生活的樂趣……這一切即將到來，你準備好了嗎？

推薦單位： 北京科學技術期刊學會