新技术 新模式 新农人！“植物工厂”重塑农业的未来

  “传统农业的耕作方式对土壤的破坏程度已经远超于了土壤的恢复能力。”“能否不占或少占耕地，不与粮争地，以更低的能耗，种植出产量更高、品质更好的作物？”

  日前，一场在“植物工厂”“种植”生菜的“田忌赛马”在上海举行。“植物工厂”，集纳了作物栽培、算法种植、智能环控等技术的高效农业系统，代表着当前智慧农业的最新进展。

  滨江临海、四面环水，上海市中心百公里之外的崇明岛是世界上最大的河口冲积岛。

  在这里，有四个20平米大小集装箱改造而成的“植物工厂”。每个集装箱内，都种植着同一品种的生菜，生菜生长所需的温、光、水、肥、气等要素，皆被LED照明、室内环境可控技术、营养模型、算法等远程控制。

  超越土地、光热、昼夜、水肥等自然约束，摆脱气候与地域的天然限制，不再看天吃饭，近年兴起的“植物工厂”以赛博朋克式风格，极大颠覆了人们的传统认知。

  如何定义“植物工厂”，业内专家已基本形成共识：在封闭空间内，无需土壤，以人造光代替阳光，以营养液替代化肥，完全计算机控制，工厂化、少人化乃至无人化生产的高效农业系统。

  今年2月，来自中国农业大学、上海农业科学院、上海交通大学、北京极星农业公司的四支青年队伍，从全球30支团队、150多位青年科学家中脱颖而出，集聚在崇明岛，在集装箱改造的“植物工厂”内，以“赛马”的形式，展开生菜种植比赛，所种植的品种是一种因嚼起来声音清脆而得名的“水果生菜”品种Crunchy（翠恬）。

  “植物工厂”涉及面广，不仅事关农业，还牵涉计算机、软件工程、工学、材料学、机械制造与自动化等多个学科的专业知识。

  农学背景的中国农业大学代表队，由几名研究生组成，来自中国农业大学农业农村部设施农业工程重点实验室，熟悉作物栽培的需求与规律，注重作物的能耗与品质；同为农学背景的上海农业科学院代表队，曾为我国南极科考队员提供极端环境的蔬菜种植培训，坚信产量第一；工学出身的上海交通大学代表队是典型的技术流，将较多精力放在硬件适应上；本身为企业的北京极星农业公司对作物的盈利模式最为关注。

  Δ6月6日，15位大众评审对决赛团队种植的“翠恬”生菜进行试吃、打分，上海市长宁区市场监管工作人员进行了现场快检。陈达通 摄

  由拼多多与光明母港携手举办的光明多多垂直农业挑战赛暨第三届“多多农研科技大赛”近日落下帷幕，最终冠军花落上海农科院团队。

  “任何地点、任何一个时间里都能种植出蔬菜，不单单是一种极端场景下的‘自娱自乐’，更有可能成为完全解决中国粮食安全问题的路径探索。”此次比赛让上海农科院团队的何立中对“向设施要食物”“大食物观”等观念有了更深刻理解。

  2014年、2015年，南极长城站、中山站相继建成温室，但科考队员并没有蔬菜种植经验。何立中和团队接到重任，在国家设施农业工程技术研究中心上海崇明基地1：1建造了模拟温室，在南极仿真条件下，教科考队员如何在极地“种蔬菜”。

  “田忌赛马，多多益善。”在赛事评委会主席赵春江看来，“工农企，学院派、科研派、实践派等多角色的交叉碰撞、百家争鸣，将有利于我们模拟出作物最理想的生长环境，更加透彻理解以‘植物工厂’为代表的智慧农业，以及更好将其中国化、商业化。”

  身为中国工程院院士、国家农业信息化工程技术研究中心主任的赵春江认为，数字技术方法始终是一种工具和方法，要解决农业问题，必须将农业理解透彻，如此，工学与农学的结合才会有更好的效果。

  单层生产效率是每天每平方米0.18千克，约为传统生产的5.4倍。如果依照本次比赛进行三层种植的推广，则为传统种植的16.2倍，且单株的商品性和品质都优于传统种植。

  但是，高产量并不能“一招鲜吃遍天”，在其他参赛队伍看来，高成本更需要我们来关注，是“植物工厂”最急需解决的问题。

  “植物工厂”内外温差较大，空调需要日夜不间断工作，直接产生了大量能耗。此外，提供植物所需光照也需要大量能耗。

  以生菜为例，每生产1千克生菜需要消耗10度电，约为6元，仅此一项就占其生产所带来的成本的三分之一左右。这也造成了“植物工厂”中的生菜成本居高不下，约为市场上的普通生菜的10倍。

  “植物有明期暗期，要不停地开灯和关灯，温度设置自然不同，空调运行也需要随时调控。要基于作物的生理反馈，实现植物工厂的智能环控。”

  中国农业大学代表队队长郑建锋给出了电耗节能方案：空调确保室温在19-22摄氏度，并控制空调在暗期向明期转换期间不启动加温，在明期向暗期转换期间根据室内外温差判断是否启动降温，减少不必要的能耗。不仅如此，控制营养液供液泵在明暗期以合适的频率间歇运行；前期不对营养液做降温处理，仅在后期品质形成的关键时期进行降温处理……

  “大规模生产情况下，每千克生菜的耗电量能够更好的降低到9.5度，优于1千克生菜10度电的行业较高水准。”郑建锋团队的生菜生长给出了一组数据。

  除了能耗，设备、人工也是“植物工厂”成本高企的两大因素，“但辅以一定条件，这三大因素均可降低。”郑建锋认为。

  本次比赛中，他们所生产的生菜成本约为7.73元一株，价格较高，主要是由于集装箱利用率不高。

  如果在集装箱“植物工厂”中栽培架布置方式为两侧布置，栽培架层数更多，可有效提升种植的空间利用率以降低生产所带来的成本，此时成本为4.59元一株。

  更进一步，若大型集装箱“植物工厂”空间利用率高，生产自动化设备先进，此情景下生产所带来的成本逐步降低为2.84元一株。

  即便如此，2.84元一株的价格，依然远高于市场接受度，难以从试验室走向餐桌。

  “大幅度降低人工光源和空调系统的能耗，实现‘植物工厂’的智能化管控，构建智能、低碳、高效的植物工厂生产技术体系。”国际欧亚科学院院士、农业信息化工程专家杨其长给出建议，可尝试采取了激光，把激光从一条线变成一个面，然后再扩散。激光的耗能只有LED的1/3—1/5，“以继续降低能耗，达到每公斤生菜消耗4-5度电，成本逐步降低，商业前景更为可期。”

  Δ本次大赛的四个集装箱式“植物工厂”将成为拼多多与光明母港共建的农研基地，继续用于垂直农业的研究与探索。顾辰 摄

  与荷兰、日本等国相比，我国“植物工厂”起步晚，但发展快，当前数量已超过220座，仅次于日本，商业市场巨大。多个方面数据显示，目前我国的植物光源产业占世界总份额的百分之八九十，2021年植物光源灯出口额达4.5亿美元。

  不唯集装箱，杨其长的设想中，未来的“植物工厂”，一方面能在北京、上海等超大城市的屋顶、绿地、阳台、超市、学校、医院等开花结果。以北京为例，在北京建一栋30层楼的“植物工厂”，年产蔬菜约1.08万吨，可供周围4万居民食用一年。

  1992年生于“中原粮仓”河南周口的郑建锋是典型的农二代，对这句话犹如春耕夏耘、秋收冬藏般耳熟能详。“阴差阳错”，本硕博毕业于中国农业大学农业建筑学的他，如今在该校农业农村部设施农业工程重点实验室从事博士后研究，还是没能脱离开“种地”。

  “植物工厂”内，以生菜为代表的作物所需的温、光、水、气、肥，每一个环境因子都一一对应一个学科方向，比如传热学、光生物学、水利科学、流体力学、营养液管理等，而且郑建锋还要与时俱进地学习大数据、云计算、编程、单片机等课程。

  “学生，身居象牙塔，可以理想化，但也要出世入世，学说农民话，立足中国国情，以土地为课堂，以农民需要为方向。”中国农业大学教授贺冬仙对郑建锋强调最多的是：“一项技术要解决什么产业问题，能不能落地应用，想清楚了再研究。”

  也正是如此，此次赛事中，郑建锋团队格外重视生菜的能耗成本控制，“技术试验的最终目的是应用于生产，增加作物产量的同时降低生产所带来的成本，这是关键。”

  郑建锋团队参加过此前两届比赛。第一届大赛时，他们曾用到营养液配方的动态调整技术，在植物生长的不同阶段，调整营养液的元素配比，比如在植物苗期，把营养液的整体浓度控制在标准浓度的一半，等到植物开花结果，则调整为1倍或1.5倍。

  如今这项技术被写成了科普论文，所有数据也都嵌入模型，形成了标准算法，正在北京小汤山基地应用。

  博士后即将出站的郑建锋将继续从事“植物工厂”、智慧农业的研发工作，并期待有机会为家乡大田农业的智慧化出一份力。“教乡亲们如何更轻松种地、挣更多钱，不再面朝黄土背朝天。”他说。

  本次比赛队伍里，大部分都是“90后”“95后”，其中最小的一位博士生，还不到25岁。

  “这些青年科学家的身上充满了新农人青春蓬勃的朝气、迎难而上的勇气、敢为人先的锐气；有着创业拼搏的动力，奋斗成事的能力，永不言败的毅力。”面对此次赛事中的年轻面孔，赵春江不吝溢美之词，“这让我们感觉到很欣慰。”

  同时，赵春江不忘借赛事呼吁：以“植物工厂”为代表的智慧农业已变成全球现代农业发展的新趋势，我国要逐步缩小差距、迎头赶上，亟需储备人才队伍。

  “一是对农业有情怀，喜欢现代农业；二是知识交叉型，能用计算机把不同专业的知识结合起来，建立知识系统；三是技能实战型，要会操作拖拉机、植保机等农业机械；四是具有工匠精神，要精益求精；五是懂经营会管理，提供专业化和社会化服务；六是适应信息化趋势，推动智慧农业发展。”谈到人才队伍，赵春江满怀期待。