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探访中国首家植物工厂
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国内首例以智能控制为核心的植物工厂近日研发成功
国内首例以智能控制为核心的植物工厂近日研发成功，使我国成为世界上少数几个掌握植物工厂核心技术的国家之一。植物工厂啥模样？会给人们生活带来些什么？
在中国农业科学院的巨大温室内，各种绿植遍布四周，仿佛置身林中。植物工厂，便在这“密林”深处。
在中国农科院农业环境与可持续发展研究所程瑞锋博士的引导下，笔者一直走到温室最里面。可能是顶部有植物覆盖的缘故，这里光线较暗。
收获快且产量高
走进植物工厂，室内布满栽培架，上面种满生菜、小白菜等蔬菜植物。墙上的显示屏正报告着温度、湿度等数据。
项目负责人、中国农科院农业环境与可持续发展研究所的杨其长研究员介绍说，植物工厂是给植物提供合适生长环境的系统设备，分为植物苗工厂和蔬菜工厂两部分。植物工厂是国际上公认的设施农业最高级发展阶段，是一种技术高度密集、不受或很少受自然条件制约的全新生产方式。目前，仅有日本、美国等少数发达国家掌握这项技术。
植物工厂以节能植物生长灯和LED为人工光源，采用制冷—加热双向调温控湿、光照—二氧化碳耦联光合与气肥调控、营养液在线检测与控制等13个相互关联的控制子系统，可实时对植物工厂的温度、湿度、光照、气流、二氧化碳浓度以及营养液等环境要素进行自动监控，实现智能化管理。
通过对工厂内环境的高精度控制，植物的生长在这里几乎不受自然条件的制约，生长周期加快。现在工厂内种植的生菜、小白菜等，20天左右就能收获，而在普通的大田里，则需要一个月到40天的时间。
除了收获快，空间利用率高也是植物工厂的重要特点。在工厂内看到的都是三层的栽培架，从面积上就相当于同样大小露天耕地的三倍，加上其种植密度大，因此，植物工厂的产量可以达到常规栽培的几十甚至上百倍。
蔬菜种植之外，植物工厂在育苗上也有应用。程瑞锋介绍说，他们在黄瓜和番茄的育苗方面都做了实验。相比蔬菜生产，育苗的周期更短，一般为一周左右。虽然常规栽培的周期也不是很长，但在育苗的整齐和健壮度上不如工厂的产品。“毕竟大田的不可控因素太多，今天光照也许很好，但明天可能阴天，后天有可能降温，而这些在工厂里都可以得到控制。”
正当笔者在植物工厂里听取专家的介绍时，墙上的管道中突然发出一阵蜂鸣声，打破了小屋原本的安静……
不靠太阳不用土
“这是营养液在循环”，程瑞锋解释道。说着，他把用来固定植株的塑料泡沫板掀起，原来，植物的根系根本不是生长在土壤里，而是完全浸泡在营养液中。
程瑞锋介绍说，土壤的作用是提供营养元素和水分，而营养液除了提供水分，也提供了植物生长所需的各种元素，包括氮磷钾等大量元素及锌铁锰等微量元素，因此没有必要使用土壤栽培。无土栽培的技术现在已经非常成熟，而且水栽比土栽的生长周期要快很多，也是使用水栽的重要原因。
墙上显示器上有营养液监控的数据，程瑞锋说那是对营养液温度控制的参数。在寒冷的天气中，系统会对营养液进行加热，如果温度很低，会对植物的根系造成伤害。
植物工厂的小屋没有窗户，外界的光线几乎无法进入，“万物生长靠太阳”这句俗语人人皆知，但工厂内的植物却不见天日，难道它们生长不靠阳光？
“完全不用阳光”。程瑞锋的回答令人吃惊。在每个栽培架上，都装有一块灯板。不同的是左侧是LED(发光二极管)灯，右侧是荧光灯。两种灯光都能满足植物生长的需要，只是LED比荧光灯更加节能。
LED灯板以红灯为主，中间按一定距离均匀分布着蓝灯，比例大概为8∶1到9∶1。杨其长说，太阳光对于植物而言是全波段的，红光、蓝光、紫外线、红外线等都包括，但实验显示，植物吸收的光线波段主要是红光和蓝光，比例超过60%。因此将红光和蓝光按照一定配比制成光源，就能满足植物生长需求。红外和远红外等成分主要以热量的形式出现，而且耗能严重。去掉那些部分，不会影响植物品质。他们做过实验，这种环境下成长起来的植物，维生素和糖的含量几乎没有变化。
另外，由于植物工厂内环境可控性强，栽培环境的二氧化碳浓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营养物质的积累，都是常规栽培的几倍。
技术成本需降低
尽管植物工厂在产量和效率方面优点突出，但存在的问题也同样明显，那就是高昂的成本，在一定程度上影响了它的推广。一个一般规模的植物工厂，建成需要十几万元的投入，后期的运行和维护也是一笔花销，因此，如何降低成本是下一步所要面对的问题。
杨其长说，在降低建设成本方面，他们将主要致力于新材料的研发，制作出成本低、隔热保温性能好、便于安装的新材料。而在运营方面，除了尽可能减少动力方面的消耗外，新能源的利用也是重要的手段。如果能使用太阳能、风能等清洁能源，虽然会增加前期投入，但运营费用也会大大降低。
那么，植物工厂这种生产方式，将来是否有可能成为人类粮食和蔬菜供应的主要手段？杨其长表示，植物工厂将来肯定会走向普及，但由于其需要一定的投入，因此全部使用它来供应粮食蔬菜并不现实，但在一些特殊环境下，比如极地或太空中，它作为主要供应方式还是有可能的。
杨其长曾多次访问欧洲和日本，但在参观“植物工厂”时，无论是研究单位还是生产厂商基本都不许拍照，对于一些核心技术更是避而不谈，有时甚至有意把显示屏上的参数遮挡起来。
图：植物工厂是衡量一个国家农业高技术水平的重要标志之一。
图：“植物工厂”的蔬菜在种植过程中不需要使用杀虫剂，因此不存在农药、病菌污染带来的风险。
图：中国农业科学院内实验室型的“植物工厂”里LED 灯下的奶油生菜。
北京科技报11月21日报道 11月10日，北京下起了2009年入冬的第2场雪，在中国农业科学院实验室型的“植物工厂”里，一些绿油油的奶油生菜和小白菜却无忧无虑地生长着，外界的寒冷似乎与它们无关。
当天下午4点半，室外温度足有零下2℃，记者专门赶到位于中国农业科学院内实验室型的“植物工厂”进行参观。一个20平方米左右的房子里，分布着4个栽培架，每个栽培架有3层，每层上都种满生菜或者小白菜等蔬菜。它们有的在白色的光源下生长，有的在蓝色的和红色的光源下生长。墙上的显示屏正报告着室内的环境数据：温度25.5℃、环境相对湿度52.1%、二氧化碳浓度1290PPm。在室内正前方的角落里还并排安置着三四条黑色的细管子，它们的末端直接连接到栽培架。这些管子时不时地发出哗哗的声音。
“这是营养液在实现自动循环。”中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所程瑞锋博士解释道。说话间，他把用来固定植株的塑料泡沫板掀起。记者看到，这些植物的根系根本不是生长在土壤里，而是完全浸泡在营养液中。
程瑞锋介绍说，营养液除了能提供水分外，还能提供植物生长所需的各种元素。这些水培的植物比土栽的生长周期要快很多。现在“植物工厂”内种植的生菜、小白菜等，20天左右就能收获，而在普通的大田里，则需要40多天的时间。
“‘植物工厂’除了具有收获快的特点外，还具有空间利用率高的优点。一般在‘植物工厂’里看到的都是多层的立体栽培架，这样从面积上就相当于同样大小露天耕地的数倍，加上其种植密度大、生长周期短，因此‘植物工厂’的产量可以达到常规栽培的几十甚至上百倍。”程瑞锋告诉记者，一般在大田里种植作物，不可控制的因素太多。比如：光照、气温、湿度、二氧化碳浓度等，而这些在“植物工厂”里都可以得到控制。
“比如，今天阴天，外界阳光强度很弱，可是这些奶油生菜却可以在这里怡然自得地生长。”程瑞锋说，万物生长靠太阳，在这个见不到阳光的“植物工厂”里，植物生长秘诀就在每个栽培架上所安装的人工光源上。不过记者现场看到，有的植物是在白色的荧光灯下生长，而有的是在红色与蓝色交替的LED(发光二极管)灯下生长，这两种灯光都能满足植物生长的需要。
“与荧光灯相比较，LED灯光能转化率高、耗费的能源少，使用起来更为高效节能。”程瑞锋说。
中国“植物工厂”研究的创始人——中国农科院农业环境与可持续发展研究所杨其长研究员对《北京科技报》表示，他们农科院这个只有20平方米的“植物工厂”只是实验型的。目前，规模大一些的要数他们和长春市人民政府合作研制成功并在长春农博园投入使用的建筑面积为200平方米的“植物工厂”，这也是中国大陆第一例以智能控制为核心的LED“植物工厂”。
该“植物工厂”有植物苗工厂和蔬菜工厂两部分，以节能植物生长灯和LED为人工光源，并采用计算机对植物生长过程中的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度以及营养液等环境条件进行自动控制。
记者了解到，早在1957年，丹麦就已经诞生了世界上第一家“植物工厂”，20世纪六七十年代，美国、奥地利、日本等一些国家也开始“植物工厂”的相关研究和实验，并取得了很大的研究成果。其中，日本在“植物工厂”的市场化方面走得最远，而这种大规模市场化也得到了日本政府的积极支持。截至目前，日本的许多“植物工厂” 能够每周7天、每天24小时生产外观完美的莴苣以及其他绿叶蔬菜，一些面积较大的“植物工厂”每年可提供300万株蔬菜，满足一部分消费者的需求。
杨其长透露，早在10年前，他就把“植物工厂”作为科研选题的重要方向之一，并收集了大量的有关“植物工厂”的研究资料，可是一直以来都没有相关的研究课题支持。
然而，就在杨其长赴荷兰瓦赫宁根大学留学的2005年，一次偶然的发现使得国内的首例智能型“植物工厂”的诞生有了眉目。当时，他发现，欧洲人已经在悄悄地进行LED光源在密闭式植物栽培系统的试验研究。杨其长通过查阅资料，发现LED是一种非常好的节能光源，红蓝光组合可为植物光合作用提供理想的光谱。他发现这一敏锐的信息后，马上与“植物工厂”联系起来。他想，如果将LED用于“植物工厂”代替目前使用的荧光灯等人工光源，这将是一个重要的发展方向。于是，他马上告知国内的助手赶快试制。不到半年的时间，一座20平方米的小型“植物工厂”试验系统就在中国农业科学院内建成了，经过4年的研究和摸索之后，目前他们已经在LED节能光源的智能控制方面取得了重要突破。
杨其长表示，多年来，“植物工厂”一直被公认为设施农业发展的最高阶段，是衡量一个国家农业高技术水平的重要标志之一。但是 “植物工厂”就像航天工程、磁悬浮、大飞机等技术一样，发达国家不会轻易让其对手掌握。这些年来，他曾多次访问欧洲和日本，但在参观“植物工厂”时，无论是研究单位还是生产厂商基本都不许拍照，对于一些核心技术更是避而不谈，有时甚至有意把显示屏上的参数遮挡起来。因此，国内研究“植物工厂”只能依靠自主研发。近些年来，在国内农业专家的努力下，我国已经开发出了“植物工厂”中的硬件系统及其相应的控制技术。
记者了解到，“植物工厂”的蔬菜在种植过程中不需要使用杀虫剂，因此不存在农药、病菌污染带来的风险。此外，由于这些蔬菜几乎都是在无菌的条件下进行生产的，卫生程度高，几乎在不用清洗的情况下就可以安全食用。
也正是因为“植物工厂”蔬菜的这些特点，它们目前在日本受到广泛欢迎。不过由于生产成本的关系，“植物工厂”蔬菜的价格都在普通蔬菜的好几倍以上，因此不少人还是无法享用。当前，日本有关技术专家正在想法设法不断降低“植物工厂”蔬菜的生产成本，以便被更多的人接受。
杨其长说，现在他们的“植物工厂”蔬菜还正处于研发完善阶段，因此还没有大量走向市场。不过他预言，在不久的将来，越
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