植物工厂种出“智慧菜”
新华网 2024-09-28 09:47

试想,如果农业不再“靠天吃饭”,而是通过植物工厂,实现生产效率和效益双提升,这无疑将为现代农业高质量发展带来前所未有的新机遇。

作为现代农业的高阶形态,植物工厂正成为产学研各界合作探索的重要领域。植物工厂发展现状如何?产学研各界该怎样协同,助力攻克植物工厂现有难题?从前端研究到后端应用,如何激发植物工厂的巨大潜力?

带着这些问题,记者来到“海上花岛”上海崇明岛,一场别开生面的植物工厂种植比赛正在这里上演。6个改造后的集装箱内,没有土壤和阳光,靠着人造光、温、水、气、肥环境与智能化控制系统,生菜也能正常生长。

究竟哪个集装箱能种出高产、低耗、质优的生菜?两个月之后,结果将会最终揭晓。

“大赛聚焦AI种植,探索自主设计和建设集装箱植物工厂,既促进了国内外人工智能领域与农业领域跨界合作的生动实践,又实现了学术界、科技界和产业界紧密协同机制创新,必将进一步推动植物工厂快速发展。”浙江大学党委常委、统战部部长叶恭银说。

图为改造后的集装箱

种普通人买得起的“智慧菜”

现代设施农业是利用现代信息技术、生物技术、工程装备技术与现代经营管理方式,为农作物提供相对可控制的环境条件,尽可能摆脱自然依赖,实现高效生产。相对传统大棚、温室而言,植物工厂是高度垂直化、集成化的农业生产系统,代表着智慧农业的新进展,也是现代设施农业发展的新版本。

在未来,植物工厂应用场景十分丰富,不仅能维持城市日常蔬菜供应,甚至在南北极、高原、沙漠等极端环境下也能有所保障。

目前,健康、安全、有品质的“智慧菜”已经进入消费市场,展现出巨大消费潜力。根据Stratistics MRC的报告,2022年全球植物工厂市场规模达到1330亿美元,预计到2028年将达到2250亿美元,预测期内复合年增长率为9.2%。

植物工厂能打破时间和空间限制,可以让蔬果作物生长周期有效缩短,产量可达传统模式的10-20倍。据测算,在大小约30立方米的集装箱,一茬生菜产量能达到150公斤左右。

不过,由于存在前期投入高、研究难度大、商业落地难等问题,叠加各种成本,植物工厂种植的蔬果,价格往往是市面上同类产品的十多倍乃至几十倍。因此,让“智慧菜”不再昂贵,走向普通消费者餐桌,还需很长一段时间。

中国农业大学水利与土木工程学院教授贺冬仙认为,随着技术进步和产业结构调整,植物工厂等高端设施农业的比重将逐步增加,成为未来农业重要发展方向。高品质、高附加值的蔬菜产品将逐步普及,满足更多消费者对健康、新鲜、便捷生活的需求。

围绕设施农业攻坚克难,2020年“多多农研科技大赛”应运而生,从比赛在温室AI种草莓、番茄,再到升级为集装箱植物工厂种生菜,考核难度、竞争强度持续升级,第四次举办的“多多农研科技大赛”再次吸引众多关注。

这是“多多农研科技大赛”第二次比拼集装箱种生菜。针对阻碍植物工厂行业发展的难题,大赛要求参赛队伍自己动手,在上限40万元的预算范围内,将一只20尺的集装箱改造为“新农田”,并设计智慧种植方案进行生菜生产。与之前相比,集装箱改造方案和建设成本也纳入了评比,考核能力也从生产中向生产前延伸,难度明显加大。

图为上海农科院可移动种植架

在农研赛事中挖掘创新思路

在决赛启动仪式上,拼多多“多多农研科技大赛”项目负责人韩帅表示,“参赛队伍极具创意的改造方案,让评委们难以抉择。最终评审团和主办方一致决定,将决赛队伍从4支增加到6支,向全行业展示出更多优秀的创新思路。”

本届比赛选取的品种是散叶生菜“优雅”,在日本植物工厂较为常见,可用于汉堡配菜、火锅涮菜,应用前景广泛。“生菜是植物工厂的模式植物,”作为四届赛事 “元老级”评委,大赛评审组副组长贺冬仙谈到,“‘优雅’长势和产量稳定性高,我们能从系统设计、装备制造、安装调试能力、种植水平等更多维度考察队伍的综合能力。”

其中,降低能耗是考查关键点之一。植物工厂可以给予作物最适宜的生产环境。仅从环境控制来看,光照是重要的能量来源,也是运营成本占比最大部分。传统植物工厂多使用LED光为植物供能,光源转化效率只有30%-40%,这不仅需要耗费更多电力为环境通风和制冷,还易灼伤植物。

环境控制系统很重要,墨泉队研发的可独立微调的多通道混合式液冷照明系统,一方面在植物灯中集成液冷管道,通过高速流动的液体将植物灯废热导入收集系统的管道中,实现冬夏反向调温,降低室内能耗;另一方面开发多通道植物灯,打破传统LED植物种植灯固定光谱配比、只可调节亮度的限制,让每个通道可根据需要实现多档独立微调,更精准地控制植物所需最优生长环境。

图为墨泉旋转栽培架

在答辩现场,这样的“脑洞”随处可见,决赛队伍纷纷展示着奇思妙想,在不同方法路径上碰撞出灵感火花。

“种植架从层架式改为可移动式,可将过道处80厘米的空间充分利用起来,实现极致空间使用率。”“旋转种植架让所有种植槽在传输链条的带动下,缓慢移动形成大回环,打造动态环境,降低整体散热能耗和成本。”“通过将植物蒸腾的水分进行回收,冷凝存储至营养液中,降低植物生长过程中的水分消耗。”“尝试给植物听音乐,以探究声波赫兹对于植物生长的影响。”……

在田间地头办比赛的好处显而易见。利用最前沿的技术,深入产业一线,集结一线青年科学家,合力攻克农业发展中遇到的实际痛点、难点,可以探索更多突破性创新成果,为植物工厂发展蓄力。

产业化落地需坚持长期主义

植物工厂在国内起步晚,处于初级阶段,但发展迅猛,在光源控制、智能化管控等环节打下坚实技术基础,为规模化产业落地按下“加速键”。有数据显示,截至2020年底,中国已有各类规模的植物工厂超过220座。

上海市农业科学院党委副书记徐伟林对记者表示,“植物工厂追求高效、高产、高质的生产种植。这不仅需要农业技术的支持,还需要与电器工程、工业制造等多领域进行跨界融合,共同推动农业生产智能化和高效化。这种跨界联合的模式不仅提高了农业生产的效益,也为农业科研注入了新活力。”

截至目前,已有多项赛事成果被写成论文或进入专利实审受理阶段,涉及植物工厂环控、营养液配方动态调整技术等。包括基于日累积光照量的植物补光方法、增加空气流动降低生菜烧边症状发生率的方法、番茄产量预测模型等一系列比赛过程中形成的创新种植技术,也开始逐步推广应用。除此之外,一些科研成果也实现了“技术产品化”。

比如,赛博农人队在此前赛事中积累的草莓营养液配方动态调整技术,目前已在北京小汤山草莓种植基地应用。作为唯一连续四届比赛都参与的选手,来自赛博农人队的中国农业大学博士生杨浩表示,“国家正在倡导大力发展现代农业,核心技术是推动新质生产力发展的新引擎。我们希望能做出一套区别于传统农业的种植方案,让普通农民也能快速学习上手,为农事生产减负增效。”

赛事合作伙伴光明食品集团的加入,也意味着更为明朗的市场前景。“合作举办挑战赛,就是要把农业科研与产业打通,把实验室与市场打通,通过农研竞赛搭建舞台,创建产学研合作平台,吸引汇集更多优秀科研团队和科创企业投身科技农业。”上海花卉园艺(集团)有限公司光明花博邨分公司总经理袁伟如是说道。

上海市农业农村委员会党组成员、副主任、上海市乡村振兴局副局长夏明林表示,未来几年将着力突破温室和植物工厂关键核心技术,研发柔性农业机器人,创设生产型植物工厂,实现茄果、叶菜等温室生产智慧决策和智能控制。

可以说,举办一场科技农业种植挑战赛,最重要的是借助赛事活动,点燃农业创新的激情,吸引优质人才投身农业,打造创新共同体为农业技术突破添砖加瓦,为现代农业发展凝聚更多共识。

作为主办方代表,韩帅直言,尽管投资周期长、回报慢,拼多多仍坚定长期投入,支持农业前沿技术研发,通过牵头打造农研创新大赛等方式,吸引更多优质人才和企业参与到农业技术创新中,共同推动传统农业转型升级、推进农业高质量发展。

科技创新添动力,农业腾飞正当时,植物工厂话未来。

在数字技术加持下,现代农业正迈向智能化、规模化、绿色化新阶段。当更多力量加入打造农科高地,迈向农业技术变革的大赛道,植物工厂的市场化、产业化将持续擘画农业发展新篇章。

编辑/范辉

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