日益興起的“植物工廠”

文 侯立順

植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是利用智能計(jì)算機(jī)和電子傳感系統(tǒng)對(duì)植物生長(zhǎng)的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制，使設(shè)施內(nèi)植物的生長(zhǎng)發(fā)育不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式。

植物工廠是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級(jí)階段，是一種高投入、高技術(shù)、精裝備的生產(chǎn)體系，集生物技術(shù)、工程技術(shù)和系統(tǒng)管理于一體，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從自然生態(tài)束縛中脫離出來，按計(jì)劃周年性進(jìn)行植物產(chǎn)品生產(chǎn)的工廠化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中吸收應(yīng)用高新技術(shù)成果最具活力和潛力的領(lǐng)域之一，代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

先經(jīng)催芽室播種，在育苗室的LED光照下長(zhǎng)出小苗，然后送往栽培室繼續(xù)接受光照……

2016年6月，由中國(guó)福建省中科生物股份有限公司建設(shè)的湖頭首棟“植物工廠”建成投產(chǎn)，開辟了近萬平方米的“植物工廠”栽培面積，按照這套流程，“植物工廠”平均每20天左右就能收獲一大批綠色無污染、營(yíng)養(yǎng)豐富的新鮮蔬菜。

2016年7月，在法國(guó)里昂東北維勒班鎮(zhèn)的多阿大學(xué)城為其占地50平方米、高4米的種植試點(diǎn)基地舉行了揭牌儀式，該基地是一座已于2017年落成的工業(yè)化種植場(chǎng)的縮小版。

LED種植業(yè)領(lǐng)頭羊、美國(guó)企業(yè)的計(jì)劃則更為宏大。他們已經(jīng)在毗鄰曼哈頓的紐瓦克（新澤西洲）建成了一座12層的垂直農(nóng)場(chǎng)，占地6500平方米，預(yù)計(jì)蔬菜年產(chǎn)量90萬千克，這相當(dāng)于每月25萬棵萵苣的產(chǎn)量！

未來5年，25座類似的城市農(nóng)場(chǎng)將在全世界其他大城市投入使用，種植萵苣、芝麻菜、水芹、羽衣甘藍(lán)、香芹等，總計(jì)超過250個(gè)品種的蔬菜。

不再需要陽光

通過調(diào)節(jié)LED燈的光照強(qiáng)度，可使水果、蔬菜在室內(nèi)極速生長(zhǎng)，并令它們的品質(zhì)登峰造極!因?yàn)樾滦偷某鞘修r(nóng)場(chǎng)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)快速擴(kuò)張，其中培育的蔬果，在生長(zhǎng)速率、密度和品質(zhì)等方面具備前所未有的特性，其至可能變更作物的顏色、質(zhì)地和風(fēng)味，而這一切都不需要日照！是什么導(dǎo)致了這一變革？發(fā)光二極管，也就是知名的LED。最早嘗試的毫無疑問是大麻種植者，他們?cè)噲D找到一種更隱蔽的光源（比鈉燈溫度更低、更暗淡）以進(jìn)行那些見不得光的種植，如今該模式已被引入工業(yè)化種植。

LED的價(jià)值何在？除了低能耗的優(yōu)點(diǎn)外，它還可以為每種作物提供特定光譜，用以實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)和質(zhì)量的最優(yōu)化。兩年來，研究人員利用LED在特定光譜獲得了相對(duì)較強(qiáng)的光照功率，這對(duì)目前在溫室或人工氣候室中使用的氖燈或鈉燈來說是不可能完成的。要知道，作物是無法利用太陽全部光線的：它們只能利用某些特定波長(zhǎng)的光進(jìn)行光合作用。農(nóng)作物之所以呈現(xiàn)出綠色，那是因?yàn)樗鼈兎瓷渚G光，這意味著這些特定波長(zhǎng)的光并不參與光合作用，因此，如果你試圖在綠光照射下讓西紅柿結(jié)出果實(shí)，那一定會(huì)是“竹籃打水一場(chǎng)空”。研究證實(shí)，就在反射綠光的過程中，農(nóng)作物自身已經(jīng)被加熱了。熱了，就要冷卻，否則農(nóng)作物就會(huì)因“高燒”而死亡。

不過，對(duì)于農(nóng)作物來說，它們天生就有一套巧妙的冷卻辦法，它們通過根部吸收水，又通過葉子將水分蒸發(fā)出去，這樣就避免了“高燒”。但完成這一冷卻過程是有代價(jià)的：農(nóng)作物需要從葉子那里獲得能量，并作為冷卻的動(dòng)力而消耗掉。其實(shí)，這完全是太陽光造成的一種能量浪費(fèi)，這些用來冷卻的能量，完全可以作為農(nóng)作物自身生長(zhǎng)的能量。因此，某些作物完全可以在僅有紅光和藍(lán)光的照射下生長(zhǎng)，這樣就能避免植物不必要的升溫，從而給生長(zhǎng)留下更多的能量。而單色的LED可以極為精確地調(diào)配相應(yīng)光的波長(zhǎng)。更妙的是，通過提高這些特定波長(zhǎng)光的強(qiáng)度，能獲得令人贊嘆不已的成果。一棵凈重300克、結(jié)實(shí)而爽脆的萵苣，在紅光和藍(lán)光LED的照射下只需4個(gè)星期即可長(zhǎng)成，而在田間日光照射下則需要8～12個(gè)星期。

借力LED種植

開花需要亮紅色和暗紅色光譜的平衡。但如果只追求純粹的生長(zhǎng)，則無需暗紅色光譜，也無需綠色或黃色光譜；亮紅色和藍(lán)色光譜足矣。雖說能量較高的藍(lán)色光譜對(duì)調(diào)節(jié)作物新陳代謝至關(guān)重要，但每種作物還是有各自特定的波長(zhǎng)配比需求：藍(lán)色、紅色、少量綠色、紫外線，作物應(yīng)當(dāng)受到強(qiáng)度恰好的光照。研究人員發(fā)現(xiàn)過強(qiáng)的光照會(huì)導(dǎo)致能量過剩，作物會(huì)想盡一切辦法將其消耗。減輕過度光照的壓力可令作物將能量集中于生產(chǎn)更重要的光化學(xué)物質(zhì)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)等同于對(duì)光的掌控，真是太精妙了！

光照對(duì)農(nóng)作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響同樣令人印象深刻。研究人員通過對(duì)芝麻菜的測(cè)試顯示，維生素A和維生素B的含量分別比根據(jù)露天種植環(huán)境制定的國(guó)際推薦標(biāo)準(zhǔn)高出109%和252%。經(jīng)LED照射產(chǎn)出的卷心菜和西蘭花，擁有更高含量的硫代葡萄糖苷。這類化合物除了會(huì)給此類蔬菜帶來獨(dú)特的風(fēng)味，還可降低患癌風(fēng)險(xiǎn)。

此外，研究人員對(duì)作物中天然色素的測(cè)定同樣顯示，相關(guān)研究中使用的擬南芥的花青素含量提升了2倍，后者以其抗氧化作用聞名。必須根據(jù)不同的發(fā)育階段（發(fā)芽期、生長(zhǎng)期、開花期、結(jié)果期）為每種作物找到最理想的照射方法。每種作物都有特定的種植參數(shù)，為每一種作物適配一個(gè)照射光譜和相應(yīng)的照射強(qiáng)度，可使其產(chǎn)出（生長(zhǎng)、產(chǎn)量），營(yíng)養(yǎng)和口味、口感、顏色、氣味等感官品質(zhì)達(dá)到最優(yōu)。

這種新型農(nóng)業(yè)也為田間種植提供了一個(gè)徹底的替代方案：在不透光的空間重新定制氣候條件（溫度、濕度、空氣流量、二氧化碳、氧氣，安裝在人工氣候室內(nèi)的傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)視這些參數(shù)），再借助這些特定的光線種植水果和蔬菜，就能做到實(shí)時(shí)提供作物生長(zhǎng)所需了！

植物工廠一角

讓植物自由生長(zhǎng)

作物的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)并不是LED種植的唯一優(yōu)點(diǎn)。受控的種植環(huán)境使忽略季節(jié)更迭、無污染、免農(nóng)藥、大幅減少用水的連續(xù)生產(chǎn)變得可行，甚至為農(nóng)業(yè)用地的持續(xù)減少打通了一條新路。目前，研究人員已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)閉環(huán)的氣耕系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的土耕節(jié)約95%的水，比水培法節(jié)約40%的水。該系統(tǒng)使用的水大部分都會(huì)被農(nóng)作物吸收，其余蒸發(fā)掉的水分還會(huì)被收集起來，重新利用。

另外可圈可點(diǎn)的是，種植這種農(nóng)作物的成本并不高，所需的光源LED價(jià)格低廉，而且耗電量小。許多國(guó)家的科學(xué)家都認(rèn)為，這項(xiàng)種植技術(shù)的發(fā)明，一旦能夠把所種農(nóng)作物的品種擴(kuò)大，并把相關(guān)技術(shù)在世界范圍內(nèi)推廣開來，必將為人類提供充足的蔬菜供應(yīng)。

交通不便或被污染的大都市、氣候惡劣的地區(qū)、需要生產(chǎn)高附加值作物的制藥業(yè)和化妝品業(yè)等都是該項(xiàng)技術(shù)的目標(biāo)市場(chǎng)。更長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，應(yīng)用于未來的載人航天任務(wù)也無不可。

那么種出的作物味道如何呢？盡管企業(yè)家普遍宣稱該技術(shù)對(duì)作物的成分沒有任何影響，但科學(xué)家暫時(shí)還難以對(duì)此進(jìn)行評(píng)估。目前，實(shí)驗(yàn)室種植出來的草莓和樹莓，品嘗起來口感柔糯且富有香氣。對(duì)此，科學(xué)家認(rèn)為這方面完全不值得擔(dān)憂:只要光合作用條件得到滿足，沒有理由獲得味道差勁的產(chǎn)品。

科學(xué)家剛剛開始研究LED對(duì)糖類和香味物質(zhì)產(chǎn)出的影響,這些數(shù)據(jù)需要在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)一步客觀分析。雖然在黑暗中種出的農(nóng)作物還存在一些缺陷，但其潛在的利益空間卻很大，產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)很豐富，沒有空氣污染，運(yùn)輸距離大大縮短，在地球上任何環(huán)境都能種植，世界各地的人們一年四季都有新鮮果蔬供應(yīng)?？茖W(xué)家們認(rèn)為，未來不需要太陽光呵護(hù)的LED種植會(huì)成為我們食品的主要來源。