植物工厂的国家战略需求及其产业的前沿科技创新

文|李绍华

目前，全球人口已达80亿，联合国发布的《世界人口展望2022》报告预测，到2059年全球人口可能突破100亿。当今的资源与人口矛盾已十分突出，已有近10亿的饥饿人口，这就意味着30年内需要增加58%的粮食产能，才能解决全球的粮食安全问题。

我国是全球人口的第一大国，约占世界总人口的18%，但拥有耕地只占全球的7%，人均耕地不及世界平均耕地面积的50%，人口与资源矛盾更加尖锐。2021年我国谷物进口达1.65亿吨, 较2020年增长了18%，约为国产的6.83亿吨谷物的1/4。并且随着我国人民生活水平的进一步提高，肉蛋奶消费量增加必将导致人均谷物类粮食消费量的持续增加（我国人均谷物类粮食消费从20世纪90年代的300 kg增长到了当今的550 kg，增加部分主要用作了畜禽类养殖的饲料）。可以预见，即使守住我国18亿亩农业耕地的红线，我国谷物类粮食的生产与消费的缺口仍将会继续扩大。此外，我国过度使用化肥与农药，占全球使用量1/3以上，环境严重污染的同时，也带来了突出的食品安全问题。

植物工厂又称为室内农业，也就是在房子里种庄稼，是一个在人工条件下生长环境全智能控制的室内植物高效生产系统。它不依赖阳光，不需要土壤，不受气候环境制约，解脱了自然生态束缚，使包括极地在内的地球陆地上任何地方都可能从事农业生产，也使满足人类未来移居太空其他星球的太空之旅的粮食需求成为可能，因此它属于颠覆传统农业的新兴战略产业；植物工厂内对植物生长的温度、湿度、光照、CO2浓度（在一定范围内，植物光合效率因环境CO2浓度提高而增加，实现增产，因此也被称为CO2肥）以及营养液（植物生长发育必需的矿物质营养）等环境条件进行自动控制，给予植物生产的最佳条件，大幅度缩短植物生产周期并提高产量，实现全年稳定的连续生产，从而大幅度提高单位面积上的生产效率；由于对生产环境，包括有害生物（昆虫与病原微生物）、水、空气的严格管控，生产环境中不存在病虫害，生产中不需要使用农药，化肥的使用量仅为我国传统农业的1/65，且杜绝了重金属和任何其他污染物的污染，加上提供了生产优质产品的最佳条件，植物工厂可以实现高品质（高卫生安全品质和高食用品质）农产品的稳定生产；植物工厂属于垂直农业，它可以在一间房子里进行多层农作物的生产栽培（采用仓贮式生产方式在同一空间内可以轻松实现10层、20层作物栽培），也可以建成数十层乃至上百层建筑物的植物工厂，实现向高空发展的垂直立体农业，故可以在一块地表上获得相当于传统农业成千上万倍的收成。因此，面对人口与资源矛盾、环境污染与食品安全等重大问题，植物工厂不仅对解决全球的资源与人口矛盾具有重要的战略意义，也是我国发展“18亿亩耕地外的大农业”、成为解决我国大粮食安全和食品安全的重要途径之一。

现代商业化植物工厂发展是随着蓝光LED灯具的面市才发展起来的，时间很短，仅仅有十多年的历史。但植物工厂生产属于真正的现代农业，它采用工业化方式进行农业生产，成为农业生产的一场革命。由于植物工厂生产采用的是工业化方式，需生物学、作物栽培学、设施农业学、建筑工程学、环境控制学、材料科学和计算机科学等多学科交叉融合才能真正实现产业化，而植物工厂对于绝大多数的学科来讲都是一个全新的领域。因我国植物工厂发展起步晚，早期生产装备与技术主要从日、美和欧洲的国家进口，存在诸多的卡脖子难题，严重阻碍了我国植物工厂产业的健康发展。

2015年成立的福建省中科生物股份有限公司（以下简称“中科生物”），是由有近百年历史的我国首个生物学研究机构——中国科学院植物研究所与半导体照明工程龙头企业三安集团共同创建。为促进植物工厂领域的科技创新和加快科技成果转化，中科院植物研究所成立了植物工厂研发中心，并采用全新的产业合作机制，派驻专门的科技人员入住中科生物，全时进行植物工厂产业的科技创新。中科生物以植物研究所派驻的科技人员为骨干成立了光生物产业研究院，针对全球存在的产业问题，进行了大量的研发与技术创新。科技创新取得突出成绩，过去5年里，申请专利超过500项，PCT专利占国内植物工厂领域数量的3/4，占国际同领域企业PCT专利数的45%。

在植物工厂装备方面，模块化整合生产系统是全球首套运用于建造植物工厂的台套化装备。该装备采用全新的模组化工业设计理念，创制出占地面积仅为1.1 m2的“乐高玩具”式可进行任意组合的模组化植物生产系统成套装备。该装备适用于从低矮的生菜到水稻以及高大的西红柿等多种作物生产，既可单套独立运行，也可以多套并列运行，方便组建任意形状和规模的植物工厂，已成为一个全球性的装备；2018年构建了堆垛式模块化超高层立库生产系统，全球首次实现了植物生产全过程的机械化和自动化，2022年建成的第三代自动化植物工厂，成为全球首个无人植物工厂，解决了密集型农业产业劳动力需求量大导致的高生产成本的难题；已完成基础研发的节能免分栽植物工厂自动生产系统和垂直液流植物生产系统也对未来植物工厂装备发展具有重要的引领作用。前者能根据植物生长过程中的实际大小，通过非等距步进式自动位移并结合呈扇形分布的线性栽培槽，实现了免分栽条件下植物任何生长阶段在栽培板表面的高覆盖率，大幅度提高了作物接受光能的比率；后者颠覆了经典的营养液水平流动和作物水平栽培的生产系统理念，创制出双面栽培板的垂直栽培槽的垂直均匀液流植物生产系统，攻克了水平生产系统装备建造的植物工厂环境控制困难的瓶颈，并能大幅度提高植物栽种的容积率与植物工厂单位容积内的作物生产力。

“万物生长靠太阳”，构建模拟“阳光”的LED照明灯具的植物生产专用光谱成为植物工厂的核心技术之一。在专用光配方方面，发现了430-440 nm较传统的450nm蓝光、680nm较660nm红光对植物营养生长具有更大的促进作用，完全颠覆了根据植物叶绿素的阳光最大吸收峰最有利于植物生长的传统理念；红光和远红光有利于产品的糖积累以及对促进植物的提早开花和增加开花数量的作用以及505-545 nm绿光和670-685nm红光对次生代谢产物合成积累的调控作用的发现，对于瓜果与药用植物的高产优产具有重要的价值。开发出基于满足果、菜、花、粮食作物和药用植物等多种作物育苗、营养与生殖生长、次生代谢产物和品质调控的80余种专用光配方的五大类植物照明灯具，光环境调控技术处于国际领跑地位。

植物栽培

保障必需矿物质营养元素的均衡供给是植物工厂的又一个核心技术。研发出十余种高效优质专用营养液配方，开发出适合不同作物、不同应用场景的三大类营养液产品，部分营养液填补植物工厂作物生产的空白。产品稳定性好，在植物工厂里应用，作物的产量高、品质好，尤其是药用植物的次生代谢产物含量高且稳定。在作物栽培技术与生产模式上有重大突破。除叶菜类蔬菜外，实现了瓜果类蔬菜、花卉、西甜瓜、果树、药用植物等十几种作物在植物工厂内生产，很多种类都属于国际植物工厂产业化空白。

植物工厂研发与产业化状态，是衡量一个国家农业高技术水平的重要标志，植物工厂产业化任重道远，仍需要我们的科技人员与企业持续进行科技创新，从而实现引领全球产业发展的目标，为满足我国国家战略需求、乃至于为解决全球人口资源矛盾作出贡献。