植物工廠優(yōu)勢明顯，產(chǎn)業(yè)化瓶頸突出

　　植物工廠是一種環(huán)境高度可控、產(chǎn)能倍增的高效生產(chǎn)方式，不受或很少受自然資源限制，可實現(xiàn)在垂直立體空間的規(guī)模化周年連續(xù)生產(chǎn)，單位面積產(chǎn)能可達露地40倍以上，甚至可在島礁、極地、太空等特殊場所應(yīng)用，對保障菜籃子供給、拓展耕地空間與支撐國防戰(zhàn)略具有重要意義。植物工廠完全可以擺脫太陽、土地的約束，在工廠化條件下按需生產(chǎn)，因此被認為是對傳統(tǒng)農(nóng)作方式的顛覆。植物工廠發(fā)展?jié)摿薮?，但產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍面臨一些突出瓶頸，光源光效低、系統(tǒng)能耗大、多因子協(xié)同管控難等關(guān)鍵技術(shù)難題亟待突破。

　　作為我國植物工廠高技術(shù)研究的倡導(dǎo)者、863項目首席科學(xué)家，楊其長研究員率領(lǐng)團隊先后攻克了植物光配方及其LED節(jié)能光源創(chuàng)制、光-溫耦合節(jié)能環(huán)境控制、蔬菜營養(yǎng)品質(zhì)調(diào)控以及多因子協(xié)同智能化管控等核心關(guān)鍵技術(shù)難題，構(gòu)建了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的植物工廠核心技術(shù)體系，使我國成為國際上少數(shù)掌握植物工廠高技術(shù)的國家之一。

　　探索植物“光配方”，精確給光促節(jié)能

　　長期以來，光源能耗較高一直是制約植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要瓶頸之一，探索基于植物光合需求的精確給光技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。植物光生理特征表明，光受體對光譜具有選擇性吸收的特征，具體表現(xiàn)為紅藍光譜大量吸收、其它光譜微量吸收，參照李比希“植物營養(yǎng)配方”思想，可將這種光特性稱之為“光配方”。如果能夠按照植物“光配方”進行人工光源配置及其動態(tài)光環(huán)境調(diào)控，實現(xiàn)精準給光，將是提升光源光效、減少能耗的關(guān)鍵。

　　早期的高壓鈉燈、熒光燈等光源，由于光譜固定，無法按照“光配方”進行調(diào)控，光配方的突破必須有新光源的支撐。2005年，楊其長研究員在荷蘭瓦赫寧根大學(xué)做訪問學(xué)者時，偶然發(fā)現(xiàn)實驗室的同事已經(jīng)在利用LED光源進行植物栽培試驗，他通過查閱資料，發(fā)現(xiàn)LED是一種可發(fā)出各種單色光譜并可組合的半導(dǎo)體光源，非常適合進行光配方構(gòu)建并實現(xiàn)節(jié)能，是未來農(nóng)業(yè)與生物領(lǐng)域重要的人工光源。團隊成員得到這一信息后，立即與中國科學(xué)院半導(dǎo)體所等單位合作，創(chuàng)建了國內(nèi)第一個植物LED光配方實驗室，隨后進行了大量的基于光質(zhì)生物學(xué)效應(yīng)的植物光配方試驗，建立了一批植物“光配方”數(shù)據(jù)庫，為植物工廠精確給光和動態(tài)智能調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。以“光配方”為基礎(chǔ)，團隊還先后與國內(nèi)多家LED企業(yè)合作，研發(fā)出芯片組合式、熒光粉激發(fā)式等多個系列植物LED光源。同時，還根據(jù)植株不同生長階段的高度、冠幅大小，創(chuàng)制出移動式、聚光式LED光環(huán)境調(diào)控技術(shù)，與熒光燈相比，實現(xiàn)節(jié)能50%以上。

　　引入室外冷源調(diào)光期，光-溫耦合省能耗

　　植物工廠耗電成本占總運行成本的50%-60%，其中用于植物工廠內(nèi)部調(diào)溫的空調(diào)能耗約占總耗能的15%-35%，而降溫耗能又占空調(diào)總耗電量的85%以上。針對春秋與冬季夜晚室外氣溫較低、存在大量冷源的現(xiàn)象，團隊創(chuàng)新提出將光期置于夜晚、引進室外自然冷源降溫的“光-溫耦合節(jié)能調(diào)溫”方法。通過多年的探索，團隊系統(tǒng)探明了引進室外冷源以及白天與夜晚明暗期互換的光-溫耦合節(jié)能調(diào)溫控制策略，攻克了引進冷源與防止室內(nèi)高濃度CO2外溢的技術(shù)難題，創(chuàng)制出基于室外冷源與空調(diào)協(xié)同調(diào)溫的節(jié)能環(huán)境調(diào)控技術(shù)裝備。

　　植物工廠“光-溫耦合節(jié)能調(diào)溫”實現(xiàn)了以低功率的風機代替高功率的空調(diào)，以室外免費的自然冷源代替高能耗制冷系統(tǒng)的技術(shù)突破，大幅減少空調(diào)運行時間和系統(tǒng)能耗，節(jié)能率達24.6%-63.0%。

　　采前連續(xù)光照調(diào)品質(zhì)，簡單易行效果好

　　植物工廠產(chǎn)出的蔬菜不僅外觀整潔、一致性好、無污染和營養(yǎng)品質(zhì)高等優(yōu)點，而且還由于密閉、潔凈環(huán)境，微生物污染和病蟲害很少發(fā)生，無需使用農(nóng)藥，不用擔心農(nóng)藥污染。但由于植物工廠采用營養(yǎng)液栽培，也存在硝酸鹽偏高、維生素C偏低以及次生營養(yǎng)物質(zhì)含量不高等問題。

　　國際上通常在采收前利用無氮營養(yǎng)液或銨態(tài)氮取代硝態(tài)氮等措施，來減少蔬菜硝酸鹽的累積，但這些方法往往都是以降低蔬菜產(chǎn)量為代價，存在明顯缺陷。團隊在分析植物光合生理特征時發(fā)現(xiàn)，光對植物體內(nèi)硝酸鹽、維生素C和代謝等過程具有明顯的影響，尤其是可以加速硝酸鹽的代謝過程。于是假設(shè)，在蔬菜采收前如果采用短期連續(xù)光照可能會減少硝酸鹽含量、提升品質(zhì)。經(jīng)過多年的探索，團隊采用紅藍光LED組合光源對收獲期葉菜實施短期連續(xù)光照，發(fā)現(xiàn)48小時連續(xù)光照后生菜中的硝酸鹽含量最低，與初始值相比，其葉片和葉柄中的硝酸鹽含量分別降低了2061.1mg·kg-1和2090.3mg·kg-1，降低幅度達30%以上；可溶性糖含量最高，與初始值相比，葉片和葉柄中的可溶性糖含量分別提高了17倍和5倍；Vc含量顯著提升50%以上。同時，研究中還首次發(fā)現(xiàn)綠光短期連續(xù)光照對蔬菜品質(zhì)提升也具有重要影響。　

　　集成創(chuàng)新獲突破，產(chǎn)業(yè)前景振人心

　　團隊經(jīng)過多年的創(chuàng)新研發(fā)，在植物工廠五大核心技術(shù)領(lǐng)域：植物光配方及LED光源創(chuàng)制、光-溫耦合節(jié)能環(huán)境控制、營養(yǎng)液立體栽培、蔬菜品質(zhì)調(diào)控以及多因子協(xié)同智能管控等取得了重要突破，集成創(chuàng)制出規(guī)模量產(chǎn)型、可移動型和家庭微型等系列化成套技術(shù)產(chǎn)品，走出了一條完全國產(chǎn)化的自主創(chuàng)新道路。“家庭低碳智能植物工廠”于2010年首次在上海世博會展出后，在國際上引起巨大影響，大大推動了微型植物工廠的產(chǎn)業(yè)發(fā)展；移動型植物工廠在我國南海島礁等地應(yīng)用，成功解決了部隊吃新鮮菜難題，為國防事業(yè)做出了突出貢獻。2016年6月3日，團隊成果“智能LED植物工廠”在國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展展出，受到中央領(lǐng)導(dǎo)的高度評價，被贊譽為“農(nóng)作方式的顛覆性技術(shù)”。目前，植物工廠正以前所未有的速度快速推進，一批批高品質(zhì)蔬菜正源源不斷地供給城市居民，社區(qū)、家庭、超市、飯店、商場、學(xué)校等城市的各個角落也出現(xiàn)了各種類型的植物工廠身影，植物工廠正在融入城市生活，成為城市無所不在的重要組成部分。