转自：农民日报
杨其长（左二）带领团队在植物工厂小麦育种加速器内，观察记录小麦生长情况。
中国农科院都市农业研究所研发的无人植物工厂。
中国农科院都市农业研究所研发的移动式植物工厂。
在极端条件下，人类究竟如何为生？无人化植物工厂以各种先进场景，为我们落地了一种想象，提供了一种路径和底气：我们可以不用靠天吃饭。哪怕没有土壤和阳光，我们依然可以生存。
在电影《流浪地球》里，地球已经不适宜人类生存，大家搬到了地下城，由于没有了作物生长所必需的土壤和阳光，食物变得极其珍贵，蚯蚓干都成了价值很高的礼物。这一幕当然是人类的想象，但它隐喻了一个普世性的问题：在极端条件下，人类究竟如何为生？虽然“末世”只是一个寓言，但在现实生活中，洪涝、干旱，高温、寒潮……我们每一个人都或多或少感受到了区域性的气候灾害。频发的极端天气，有限的耕地资源，已经叩响了这一问题的现实紧迫性。
中国农业科学院都市农业研究所（以下简称农科院都市所）研究员杨其长，带领团队研发出了世界首例无人化垂直植物工厂。粮食、瓜果、蔬菜……全都可以在楼房里种植；农作物能够二倍速生长，在程序化的流水线上源源不断地产出；在戈壁、荒漠等非耕地，农产品产量和品质甚至可以超过优质大田……这座植物工厂以各种先进场景，为我们落地了一种想象，提供了一种路径和底气：我们可以不用靠天吃饭。哪怕没有土壤和阳光，我们依然可以生存。
这是一种理想答案，还是现实生活的映射？这种模式是否噱头大于实质？是否会因为造价太高而让许多人望洋兴叹？没有土壤和光照，作物怎么生长呢？8.8米的高度，作物成熟期怎么收获呢？面对这些质疑，杨其长及其团队来者不拒，“见招拆招”的同时也让我们走进了这个神奇世界，去触摸一下农业生产的天花板，去站在人类想象力的边界线上看看前方的路还有多长。
神奇的光+精准的营养餐
一株水稻，一棵蔬菜，是如何在植物工厂里长大的呢？
就拿生菜为例：科研人员先把种子播在一个带孔的穴盘上，经过两三天的催芽，种子变成了小芽苗，再送到育苗车间里育苗。12~14天育出小苗后，把它们种植在栽培盘上，送进栽培车间。再经过20~21天的培育，等生菜长到100~120克重时，就可以进行采收、包装，最后送到市场上。
没有阳光、雨水和土壤，它们能存活吗？
答案是肯定的。而且在植物工厂里，作物会生长得更好，因为它们拥有可调控的LED光和精准的营养大餐。
农业生产的科学本质是植物通过光合作用来为人类生产碳水化合物的过程，这其中的关键就在于——光。就像钻木取火给人类带来了光明一般，LED灯的出现，对于设施农业来说同样具有革命性的意义。因为在影响设施农业的六个主要因素（光、温、水、气、肥、植保）中，光是唯一的短板。
“LED灯厉害在哪儿呢？”记者问道。
“LED灯可以控制光谱、亮度和时长，作物需要照多久的光，就可以照多久，从而有了一个随心所欲的光环境。”农科院都市所研究员王森说，它甚至比阳光还要更加适合作物生长，因为阳光的成分十分多样，有一些并不是植物生长所需。而LED灯只把作物最需要的光选出来，再重新搭配，从而给作物提供了精准的营养大餐，帮助其快速生长。
而且在调配光的时候，科学家们就像画家，把调色盘里的赤橙黄绿青蓝紫尽情搭配。“苗期的时候会加蓝光，为了让作物的根茎更加粗壮，分蘖拔节期加绿光可以加速作物开花，等到结果的时候则加红光。”王森说，总之就是满足同一作物在不同生长期对光照的需求。
王森平时的工作就是通过做实验来确定几种光（红光、蓝光、远红光……）的最优比例，也就是几种光怎样组合、各自的比例是多少，才最有利于作物生长，才最节能高效，然后将实验数据反馈给灯厂。针对不同作物不同属性精准的光谱配方，科研团队已经研究出来了1000多种。
此外，对于作物生长所需要的条件，比如光照、营养和环境等，全都可以实现智能化调控，人可以自由、精准地为作物提供适宜的生长环境。说白了就像人一样，“你喜欢吃什么我就给你什么”。而且在可控环境下，作物也几乎不会遇到什么病虫害。
其实，光广泛应用于农业，是从2015年才开始的。它在农业领域的迅猛发展，要得益于我国在国际上处于领先地位的LED制造技术。我们厉害到什么程度呢？用杨其长的话说就是，“全球用于植物照明的LED灯大部分都是从我国进口的。”它让我国植物工厂的照明发展，直接越过了高压钠灯、荧光灯两个阶段，进入了LED时代。哪怕在植物工厂很发达的日本，也是从高压钠灯开始发展，最后才进入LED领域的。
除了LED光，破解植物工厂“密码”的另一关键就是作物的营养液。它就像大田里给作物施加的肥料一样，作用都是给作物提供其生长所必需的矿物质元素以及营养。不同之处在于，营养液做了“减法”。“我们把满足作物生存需求的物质全保留了，作物不需要的全去掉了。”团队成员胡江涛告诉记者。
但科学家们还不满足，还想更加精确，就是要知道“作物目前吸收了多少营养，还要继续补充多少”。比如少多少氮就补多少氮，少多少钾就补多少钾。还要知道作物的不同生长期有什么不同的需求。比如在作物“长个儿”的阶段，需要的氮就多。在草莓开花结果的时候，就要给它多添加磷。但能够精确供给单一元素，其实难度是很大的。“受限于我们目前的监测技术，很多元素的传感器都还没有。”胡江涛说，这就是他们未来的研究方向。
厉害在哪儿？
从全球范围来看，第一个植物工厂诞生至今，已经有67年的历史了，目前制造出来的植物工厂的层数最高也就是18层。因为层数越高，对每一层的环境，比如二氧化碳浓度、光照均匀度的控制，就会越来越难，对技术的要求也越来越高，毕竟罕有机器人能爬到那么高，并将作物成功采摘下来。而农科院都市所植物工厂不断向上争取空间，如同作物拔节生长一样，20层的高度已经不成问题，而且从播种到移栽、传送、收获、包装全流程，由16个机器人来完成。
其实，日本、荷兰的植物工厂一直领先于世界，我国之所以能够弯道超车，达到世界第一，是得益于我国快递行业的飞速发展：几十米高的机器人运输都已经司空见惯了。“我们不过是把我国世界领先的工业机器人用到了农业领域，其制造技术完全能满足我们的需求。”杨其长说。
就像很多“无人农场”还做不到完全无人一样，当记者问及“无人化植物工厂是否已经做到了无人时”，杨其长很坦诚，“我们的无人化主要还是个概念，虽然大部分的工作都可以让机器人来做了，但有些事情还是需要人工来完成，比如把种子放到苗盆上，种下去之后再放到栽培架上。此外，当机器出现差错，也需要技术人员来调整。”即便目前还做不到完全无人，但占地200多平方米的工厂中只需要5个工人。杨其长算了笔账，“其实按照高度和占地面积算下来，我们仅用3分地的占地面积，实现了6亩地的生产效果。种植的生菜35天就可收获一次，年产量可以达到50吨以上，相当于60亩良田的产量，比露地生产的产量高了不止200倍。”
除了高效，快速也是植物工厂的一大关键词。为了缩短作物生长周期，杨其长带领团队连续攻关，先后解析了“光—温—养分”耦合作用对水稻快速生长、提早开花与结实的影响机制，探明了大幅缩短水稻生育期的“环境—营养”调控规律与量化参数，攻克了植物工厂水稻快速繁育关键技术。团队成员李宗耕举了几个例子：在植物工厂的环境下，三大主粮作物的生长周期都能够缩短50%以上，而且不受季节影响，可以全年种植，一年可以收5~6茬。除了三大主粮之外的十几种作物，从种到收，也都可以实现二倍速。
除了作物生长周期加速了，育种也加了二倍速的“外挂”。传统的水稻育种周期长，一年顶多能繁育2~3代，育成一个新品种往往要几年甚至几十年的时间。“我们可以让育种速度缩短到4年或5年，水稻可以实现每年6茬左右的“快速育种”，周期大大缩短不说，科学家们也不用顶着大太阳蹲在大田里面育种，劳动强度要低很多。”李宗耕说，而且经过快速繁育的种子，放一段时间就可以下地种了，活力非常高，发芽率超过90%。
由于作物育种周期较长，以往为了缩短研发时间，科学家们会利用南北环境差异和时间赛跑，在冬季去海南育种。“以后我们可以帮着育种家们在实验楼或单位附近建植物工厂，这样一年四季都可进行加代育种，省去了两地奔波的舟车劳顿之苦。”李宗耕说。
安不安全？贵不贵？
说了植物工厂那么多的优点，还是有人不太看好：“植物工厂生产出来的东西根本不能吃，都是药水泡大的。”“不过是科学家们自娱自乐罢了，造价那么高，一般地区怎么可能盖得起？”
面对大众的疑问，团队的人都听惯了，植物工厂是设施农业的高级阶段，是新鲜事物，公众不够了解情有可原。“就像大棚蔬菜似的，一开始人们也是觉得反季节蔬菜不能吃，对人体有害。”王森觉得，还是自己做的科普太少，“现在大家比较推崇天然的、绿色的，在土壤里面栽种的，要给大家一个接受和理解的过程。”
“其实我们研究植物营养学的这些人，知道植物从土壤吸收的东西就是它基本所需的营养。”胡江涛解释道，地球上有100多种元素，并不都是植物生长所需要的。早在19世纪，德国有机化学家李比希和农学家沃尔尼等科学家发现，植物生长发育所需的元素只有氮、磷、钾、钙、氧等17种元素。这17种元素只要缺少了其中1种，植物就不能正常生长，所以被称为必需元素。“因此我们不管是做水培，还是考虑施用肥料，人工环境下提供的都是能够保证植物基本生存的必需元素，并没有多余的有害物质。”
对于大家的口中的“药水”，胡江涛表示无需担心，农药的作用对象是虫害或者病菌，“我们不用农药，因为我们室内没有病虫生存的空间。也没有杂草，不会用除草剂。植物工厂内的环境是为每种植物打造的专属环境，还去掉了土壤里面的有害微生物、重金属等有害物质，比外界环境要安全得多。”
“安全和健康大家绝对可以放心，但也不是说我们就十全十美了，比如在风味上还差一些，但这就是我们接下来要重点攻克的课题。”眼下，胡江涛在想方设法提高酚类物质的含量来改善作物的口感和风味。酚类物质是作物自身产生的次级代谢物质，比如酚酸、花青素、类黄酮等等。其中花青素决定果实的颜色，它的含量越高，果实的颜色就越鲜艳。尽管科学家们一直在努力，但想要全面超越大田作物的口感，“还是需要一步步来”。
而第二个质疑，确实戳到杨其长心里去了，成本问题一直是困扰研究团队的关键性问题。在植物工厂里，成本主要来源于4个方面：电力、人力、日常折旧及种子种苗等其他资产的成本。在这四个部分中，每一部分都有降低成本的可能性。但由于工厂本身对建材的要求较高，日常使用产生的折旧，相对很难实现降本目标。
但是电力和人力的降本是“大有可为”的，“所以我们现在大部分的研究工作，就在于如何降低电力损耗、减少人力成本。”杨其长说。在电力损耗方面，60%~65%来自于光源能耗，未来还要对LED灯进行进一步“挑选”。“团队倾向于少用一些发热的光谱，用的是红光、蓝光，或者加一些绿光、红外线、近紫外线等一些发热量低的光谱，这样能大幅度地减少光源能耗。”
这些措施产生的效果是实打实的：叶菜生长周期在20天左右，原来在高压钠灯的时候，一公斤的叶菜生长耗电量大概是60度，荧光灯用电量下降至35度，现在使用的LED灯仅用7度电左右。从理论上推算，未来应用LED光配方后，1公斤的叶菜用电能减少到4度左右。
此外，以机械装备辅助机器人代替人力，是未来实现植物工厂无人化的重要方式。因此，当工厂机械化程度不断提高，人力成本的问题也自然迎刃而解。杨其长很欣慰，“工厂中的很多步骤都是可以程序化操作的，如果能够在这方面减少50%或者更多人力的话，那植物工厂出品的农产品的竞争优势就又上了一个台阶，这些都是能够预见的。”
打开土地利用新世界
杨其长说，植物工厂的秘诀就在于不依赖外界环境气候而掌控植物生长。对于“靠天吃饭”的传统农业来说，这简直是科幻般的存在。但科幻距离现实还有多远？无人植物工厂如何走出成都，在我国广袤的土地上遍地开花？这不仅是科学家，也是我们每一个人的愿景。
在杨其长看来，智能植物工厂最大的优势就是能够解决耕地资源不足的问题，可在城市的高楼里，以及荒漠、戈壁、海岛、水面等非可耕地进行农业生产，为解决大城市以及一些环境恶劣、土地资源稀缺地区的食物安全问题提供一种思路。
人多地少，已经成为我国耕地资源现状不争的客观事实，对于城市农业而言，这一矛盾更加凸显。比如一些超大型城市，人口数量很多，但蔬菜自给率却在逐年下降，很多农产品都是从外地调运而来。
“未来在城市的周边或者内部建设植物工厂大楼，能够用最少的土地、肥力、人力资源，为城市居民生产出更多的食物产品，这有望赋予城市农业生产更多主动权。”但杨其长也坦言，这很大程度依赖于植物工厂现有电力、人力成本的降低，才能把蔬菜价格降到一个合理区间内，让居民的日常消费成为可能。杨其长爱用火车的例子来形容未来植物工厂与大田农产品的区别，“现在火车有绿皮车也有高铁，时间长短，价格高低不同，全凭乘客意愿乘坐。”植物工厂生产的菜洁净安全，营养丰富，在未来很长的一段时间内，这种独特品质和空间优势，将是这些“白领”蔬菜在城市农产品市场中的差异化标签。
除了满足城市食物自给，带有体验性、娱乐性的阳台农业，也将是未来植物工厂切入居民生活的另一重要场景。中国人经常被调侃为“把喜欢种菜刻入了DNA”。无疑，在居住区聚集的城市，社区种菜平台确实具备落地生根的可能，“但也是存在很多问题的。一是很多人不会种，二是缺乏服务，所以未来植物工厂的技术要想在一些城市社区、家庭进行推广，需要构建完备的服务体系，同时种植技术还要可复制、易学。”杨其长说，此外，植物工厂以及一些企业也在努力研制更智能的种菜产品，例如家用智能种菜机、“鱼菜共生”机器……通过湿帘、水泵、排风扇、增光灯等设备，来控制温度、湿度、光照，配合温室环境控制系统，用现代先进技术模拟最适合蔬菜生长的原始自然环境，满足城市居民参与、体验与休闲的精神需求，超越农产品消费的本有价值，以体验经济带动更广泛大众了解农业、参与农业。
据第三次全国国土调查显示，2019年我国实有耕地19.18亿亩，比2009年第二次全国国土调查时减少了1.13亿亩。考虑到我国后备耕地资源有限、不稳定耕地退耕、发展建设占用等因素，依靠扩大播种面积，来增加粮食和农产品供给的潜力十分有限。如果我们再把镜头对准我国西部，这里国土面积辽阔，戈壁、荒漠连绵不绝，可利用的优质耕地更是少之又少。用设施农业手段为国家腾出更多的耕地空间，一直是杨其长心中的一大愿景。近年来，他花费大量时间在南疆的戈壁沙漠，研制完成了适合沙漠地区的高效节能沙漠连栋温室，并在和田建起了1万多亩的示范基地。今年4月26日，在新疆和田沙漠温室里，快速繁育水稻首次试种成功。花了15天育种后，仅用了60天时间，就迎来了一季水稻的收获季。相比于田间栽种的生长周期平均在120~150天左右的水稻，在沙漠温室里长大的快速繁育水稻，生长周期缩短了将近一半的时间。
“在沙漠上建温室，建设用地成本比内地便宜很多，1平方米的总体建设费用仅为350元左右，是荷兰玻璃温室的三分之一。同时，因为和田地区光热资源好，保障水稻品质的同时，日光温室可以大大降低能耗成本，发展前景非常乐观。”杨其长兴奋不已，在让水稻生育期减半之后，科研团队又在沙漠温室里相继探索了大豆、玉米、小麦等主粮作物，以及油菜、苜蓿等作物的快速繁育关键技术。
“不光在沙漠，在我国其他地区，植物工厂落地的最主要形式就是温室。而且100万亩地能当500万亩用，效益的增加并不是以破坏性、不可持续为代价的。”王森补充道，相比于一些通过不合理的耕地开发方式、农业生产技术，致使耕地部分生态功能和生产能力降低，不得不进行轮作休耕来维持农业生产活动，植物工厂具有天然的优势，不仅环境可控、绿色高效，还能周年化运行，立体种植，单位土地利用效率可成百上千倍叠加。“如果说有朝一日能作为耕地的补充，将为我国农产品供给提供更多保障。”
希望这一天早日到来。
本版图片均由受访者提供
版权声明：本文系农民日报原创内容，未经授权，禁止转载。任何单位或个人转载，请致电010-84395223或回复微信公众号“农民日报 ID：farmersdaily”获得授权，转载时务必标明来源及作者。如有侵权，本报将保留追究其法律责任的权利。
