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尝试育种产粮 工厂优势打破时空限制
2021-09-14 10:46:45 来源:科技日报

成排的番茄树被安置在各自的“工位”,室内环境数据由信息台操控,农户只需做些修剪工作……位于湖州德清县的水木莫干山都市农业综合体内,一座占地40亩的蔬菜工厂全年运作,年产西红柿约120万公斤,可满足5万人全年需求。

类似这样的高效、优质植物工厂,正逐渐为公众所熟知。

8月下旬,浙江省农业高质量发展大会召开,提出要大力实施科技强农行动,在种源关键核心技术攻关、绿色生态种养、农业生物技术和工厂化农业等方面寻求突破,变革农业生产效率。

“植物工厂通过设施内高精度环境控制,实现作物周年连续生产,代表着未来农业的发展方向,也是实现农业减排、助力碳中和的重要技术之一。”浙江省农科院数字农业工厂研究室主任孔德栋表示,作为多项技术的集成系统,植物工厂的应用并不局限于种植瓜果蔬菜,就实施科技强农行动,或大有用武之地。 

脱离成本尴尬 技术革新才能转亏为盈

早在上世纪,“植物工厂”概念便被提出。数十年来,得益于水培、LED人工光源及自动控制等技术迭代突破,植物工厂快速发展,目前在世界多国研发应用。

同时,运行能耗与装备成本,则是影响植物工厂良发展的关键因素。

不难理解,植物工厂通常在封闭环境下进行作物生产,虽无需占用大面积土地,且不受环境条件限制,相应地,需要构建包括建设结构、空调系统、人工光源、多层栽培系统、营养液循环以及计算机控制系统在内的配套工程与装备。

“植物工厂初始化投资,每米建设费用为数千到一万元不等。能耗成本约占全部生产成本的30%左右,主要包括人工光源及高密度植物、封闭的环境所带来的降温降湿能耗。”杭州汉徽光电科技有限公司CEO李许可介绍,原来的LED灯光设备产热严重,驱动能耗高,生物能效低下,光照设备功率大,额外增加空调工作量。作为植物工厂的核心装备,光照技术的重要不言而喻。

几年,围绕植物工厂成本压缩,国内外通过产学研合作,取得了相应的技术突破。  

孔德栋介绍, 2018年可谓是植物工厂发展的分水岭。通过技术革新,国际范围内,植物工厂逐渐摆脱成本尴尬,积极探索商业模式。 

“光合作用是植物生长最重要的生物化学反应,因此研发高生物能效和解码植物数字环境始终是垂直农业最关键的核心技术。”李许可介绍,公司研发的第四代植物光合LED芯片和光照系统,每方米的能耗控制在50-150W之间,相对于目前主流的WRB(白红蓝混光)或RGB(红蓝绿混光)光照设备可节能30%~50%,用于叶菜、果菜、草莓和小型谷物作物以及部分作物育种上,在浙江省农科院、安徽省农科院、上海市农科院等院所已推广应用。

浙江大学生仪学院副院长、国际半导体照明联盟专家周泓教授表示,国内较为成熟的植物工厂,其单位面积产量,目前可达传统农业的数十倍,但要在全国进一步推广,持续降低装备成本和运行能耗仍是未来研究的重点。

尝试育种产粮 工厂优势打破时空限制

不久前,中国农业科学院与中国水稻研究所联合团队,在植物工厂环境下成功实现水稻种植60天左右收获的重要突破,将传统大田环境下120天以上的水稻生长周期缩短了一半。

中国农科院作物科学研究所所长钱前接受媒体采访时表示,对于大多数作物来说,要想培育出新的优良种质,需要经过若干代繁殖,通常需要几年甚至数十年时间。依靠植物工厂技术,打破了这个时空瓶颈。

在入花期要选配父母本进行杂交授粉、无系后代需要全程跟踪、逐一记录不同生育期的长势或产量、以及观察植物大田表现等……育种周期长是杂交水稻育种过程中的突出问题,其原因在于育种材料的纯合稳定需要通过连续自交多代。

“除了满足大规模工厂式的作物生产应用外,在育种方面,植物工厂可以充分发挥其工厂化环境参数灵活可控优势,尽可能降低因时空、气候局限造成的育种成本。”李许可说,通过调节植物所需的光、温、水、气、肥等关键指标来加速作物光合作用,突破育种受地理、季节、光热条件限制,缩短育种年限,加快新材料、新品种的选育,解决品种选育投入大、周期长、效率低、工作量大等育种研发中的痛点。

李许可介绍,公司团队去年尝试在智能光合LED系统下室内种植水稻,1m2种植面积所需光照系统的功率仅仅144W,两次采收周期分别为90天和80天。去年12月又在室内实验室开展小麦种植研究,小麦抽穗也比北方大田种植环境下提前了两个月。

所谓“橘生淮南则为橘,生于淮北则为枳”,植物品种在推广过程中面临着复杂多变的生态环境,各地区的光、温、水、气、病虫害等条件都有差别。如对光温敏感大豆是典型的短日照和喜温植物,对光周期和温度的反应相当敏感,品种的推广范围受到限制,育种的效益降低。

“以往在户外选育油菜,通常是一年两季,采用智能LED光谱系统后,虽然设施成本略有增加,但因为使用了可精准调控光谱模拟作物原生地或者种植地光环境和气候,作物培育周期显著缩短,可实现一年连续3到4代繁育,使每年的快速繁殖计划增加大约两倍;同时也省下异地加代繁育的费用,大幅提升科研工作者的研究水和效率,有力缓解育种的“卡脖子”难题。”安徽省农科院作物研究所费维新研究员认为 。

协同绿色能源 人工牧草缓解生态压力

根据《中国科学院院刊》报道,年来我国居民膳食结构持续升级,优质动物蛋白需求增大,牧草需求刚增加,今后国内牧草饲料需求量将达到 1000 万吨/年。然而,国内牧草产品质量较差,而且 75% 以上地区的牲畜冬季缺草,导致牧草干草大量依赖进口。

目前,国内牧草种质资源保护基本采用异地保护方式,导致牧草的遗传多样损失,牧草种质资源亟待加强保护与利用。与此同时,因干旱少雨等自然灾害和超载过牧等人为因素导致牧区草原普遍存在“退化”“沙化”“盐碱化”现象,亟需休养生息。

 “所幸,集装箱式的移动牧草工厂应需而生。”孔德栋说,以团队与企业联合研制的成果为例,一个40尺标准集装箱,占地约30方米,种植大麦草周期为7天,9个月可生产牧草270吨。

周泓教授也表示,牧草植物工厂的投放应用,还需考虑能源供给问题。2019年南疆地区的弃光率曾高达14%,光伏消纳弱,弃光率高和限电问题严重制约着西北光伏产业的发展。因此,可综合考虑依托风电、光伏发电设备就供电,或直接为牧草工厂配备光伏板,便可解决牧草植物工厂的供能问题。团队正积极对接内蒙古等地牧区,将弃风、弃光协同推进能源发展与草牧业的提升。

无独有偶,国家电投集团已在内蒙、延安等地,与植物工厂企业合作建设光伏+植物工厂,在缺乏耕地资源的地方种植蔬菜水果以及牧区所缺牧草,提高清洁能源消纳的同时节约耕地资源。

周泓表示,无论是工厂式牧草还是室内培育植物,植物工厂化的发展和解决需要不断的突破现有种+养的构架,从长远来看,这类“新能源+植物工厂+畜牧业”的生态循环模式可以大大减轻土地、用水压力,缓解土地荒漠化现状,推动畜牧业的碳中和和碳排放,实现生态环境的良循环,提升农业的核心竞争力。

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