◎ 洪恒飛 科技日報記者 江耘

成排的番茄樹被安置在各自的“工位”，室內環境數據由信息平臺操控，農戶只需做些修剪工作……位于湖州德清縣的水木莫干山都市農業綜合體內，一座占地近40畝的蔬菜工廠全年運作，年產西紅柿約120萬公斤，可滿足近5萬人全年需求。

類似這樣的高效、優質植物工廠，正逐漸為公眾所熟知。

8月下旬，浙江省農業高質量發展大會召開，提出要大力實施科技強農行動，在種源關鍵核心技術攻關、綠色生態種養、農業生物技術和工廠化農業等方面尋求突破，變革農業生產效率。

“植物工廠通過設施內高精度環境控制，實現作物周年連續生產，代表著未來農業的發展方向，也是實現農業減排、助力碳中和的重要技術之一。”浙江省農科院數字農業工廠研究室主任孔德棟表示，作為多項技術的集成系統，植物工廠的應用并不局限于種植瓜果蔬菜，就實施科技強農行動，或大有用武之地。

脫離成本尷尬 技術革新才能轉虧為盈

早在上世紀，“植物工廠”概念便被提出。數十年來，得益于水培、LED人工光源及自動控制等技術迭代突破，植物工廠快速發展，目前在世界多國研發應用。

同時，運行能耗與裝備成本，則是影響植物工廠良性發展的關鍵因素。

不難理解，植物工廠通常在封閉環境下進行作物生產，雖無需占用大面積土地，且不受環境條件限制，相應地，需要構建包括建設結構、空調系統、人工光源、多層栽培系統、營養液循環以及計算機控制系統在內的配套工程與裝備。

“植物工廠初始化投資，每平米建設費用為數千到一萬元不等。能耗成本約占全部生產成本的30%左右，主要包括人工光源及高密度植物、封閉的環境所帶來的降溫降濕能耗。”杭州漢徽光電科技有限公司CEO李許可介紹，原來的LED燈光設備產熱嚴重，驅動能耗高，生物能效低下，光照設備功率大，額外增加空調工作量。作為植物工廠的核心裝備，光照技術的重要性不言而喻。

近幾年，圍繞植物工廠成本壓縮，國內外通過產學研合作，取得了相應的技術突破。

孔德棟介紹， 2018年可謂是植物工廠發展的分水嶺。通過技術革新，國際范圍內，植物工廠逐漸擺脫成本尷尬，積極探索商業模式。

“光合作用是植物生長最重要的生物化學反應，因此研發高生物能效和解碼植物數字環境始終是垂直農業最關鍵的核心技術。”李許可介紹，公司研發的第四代植物光合LED芯片和光照系統，每平方米的能耗控制在50-150W之間，相對于目前主流的WRB（白紅藍混光）或RGB（紅藍綠混光）光照設備可節能30%~50%，用于葉菜、果菜、草莓和小型谷物作物以及部分作物育種上，在浙江省農科院、安徽省農科院、上海市農科院等院所已推廣應用。

浙江大學生儀學院副院長、國際半導體照明聯盟專家周泓教授表示，國內較為成熟的植物工廠，其單位面積產量，目前可達傳統農業的數十倍，但要在全國進一步推廣，持續降低裝備成本和運行能耗仍是未來研究的重點。

嘗試育種產糧 工廠優勢打破時空限制

不久前，中國農業科學院與中國水稻研究所聯合團隊，在植物工廠環境下成功實現水稻種植60天左右收獲的重要突破，將傳統大田環境下120天以上的水稻生長周期縮短了一半。

中國農科院作物科學研究所所長錢前接受媒體采訪時表示，對于大多數作物來說，要想培育出新的優良種質，需要經過若干代繁殖，通常需要幾年甚至數十年時間。依靠植物工廠技術，打破了這個時空瓶頸。

在入花期要選配父母本進行雜交授粉、無性系后代需要全程跟蹤、逐一記錄不同生育期的長勢或產量、以及觀察植物大田表現等……育種周期長是雜交水稻育種過程中的突出問題，其原因在于育種材料的純合穩定需要通過連續自交多代。

“除了滿足大規模工廠式的作物生產應用外，在育種方面，植物工廠可以充分發揮其工廠化環境參數靈活可控優勢，盡可能降低因時空、氣候局限造成的育種成本。”李許可說，通過調節植物所需的光、溫、水、氣、肥等關鍵指標來加速作物光合作用，突破育種受地理、季節、光熱條件限制，縮短育種年限，加快新材料、新品種的選育，解決品種選育投入大、周期長、效率低、工作量大等育種研發中的痛點。

李許可介紹，公司團隊去年嘗試在智能光合LED系統下室內種植水稻，1m2種植面積所需光照系統的功率僅僅144W，兩次采收周期分別為90天和80天。去年12月又在室內實驗室開展小麥種植研究，小麥抽穗也比北方大田種植環境下提前了兩個月。

所謂“橘生淮南則為橘，生于淮北則為枳”，植物品種在推廣過程中面臨著復雜多變的生態環境，各地區的光、溫、水、氣、病蟲害等條件都有差別。如對光溫敏感大豆是典型的短日照和喜溫植物，對光周期和溫度的反應相當敏感，品種的推廣范圍受到限制，育種的效益降低。

“以往在戶外選育油菜，通常是一年兩季，采用智能LED光譜系統后，雖然設施成本略有增加，但因為使用了可精準調控光譜模擬作物原生地或者種植地光環境和氣候，作物培育周期顯著縮短，可實現一年連續3到4代繁育，使每年的快速繁殖計劃增加大約兩倍；同時也省下異地加代繁育的費用，大幅提升科研工作者的研究水平和效率，有力緩解育種的“卡脖子”難題。”安徽省農科院作物研究所費維新研究員認為 。

協同綠色能源 人工牧草緩解生態壓力

根據《中國科學院院刊》報道，近年來我國居民膳食結構持續升級，優質動物蛋白需求增大，牧草需求剛性增加，今后國內牧草飼料需求量將達到?1000?萬噸/年。然而，國內牧草產品質量較差，而且?75%?以上地區的牲畜冬季缺草，導致牧草干草大量依賴進口。
目前，國內牧草種質資源保護基本采用異地保護方式，導致牧草的遺傳多樣性損失，牧草種質資源亟待加強保護與利用。與此同時，因干旱少雨等自然災害和超載過牧等人為因素導致牧區草原普遍存在“退化”“沙化”“鹽堿化”現象，亟需休養生息。

“所幸，集裝箱式的移動牧草工廠應需而生。”孔德棟說，以團隊與企業聯合研制的成果為例，一個40尺標準集裝箱，占地約30平方米，種植大麥草周期為7天，9個月可生產牧草270噸。

周泓教授也表示，牧草植物工廠的投放應用，還需考慮能源供給問題。2019年南疆地區的棄光率曾高達14%，光伏消納弱，棄光率高和限電問題嚴重制約著西北光伏產業的發展。因此，可綜合考慮依托風電、光伏發電設備就近供電，或直接為牧草工廠配備光伏板，便可解決牧草植物工廠的供能問題。團隊正積極對接內蒙古等地牧區，將棄風、棄光協同推進能源發展與草牧業的提升。

無獨有偶，國家電投集團已在內蒙古、延安等地，與植物工廠企業合作建設光伏+植物工廠，在缺乏耕地資源的地方種植蔬菜水果以及牧區所缺牧草，提高清潔能源消納的同時節約耕地資源。

周泓表示，無論是工廠式牧草還是室內培育植物，植物工廠化的發展和解決需要不斷的突破現有種+養的構架，從長遠來看，這類“新能源+植物工廠+畜牧業”的生態循環模式可以大大減輕土地、用水壓力，緩解土地荒漠化現狀，推動畜牧業的碳中和和碳排放，實現生態環境的良性循環，提升農業的核心競爭力。

編輯：黃磊

審核：岳靚