2023-12-19 15:48:46
當(dāng)城鄉(xiāng)邊界日漸消弭，城市與自然融為一體，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)就開始走出田野，走進城市居民的生活場景，人們在城郊建成各種工廠化農(nóng)業(yè)設(shè)施，在城市中心劃出一片片小型社區(qū)農(nóng)場，在摩天大樓中打造種養(yǎng)一體的循環(huán)農(nóng)場……
這樣的場景，在現(xiàn)代科技和裝備的支持下，正在變成現(xiàn)實。未來的城市，不僅可以擁有田園風(fēng)光，也有充滿科幻感的超級植物工廠。
探訪1
全球首座20層的垂直農(nóng)場
12月1日，位于成都的中國農(nóng)科院都市農(nóng)業(yè)研究所垂直農(nóng)業(yè)大樓。新京報記者 周懷宗攝
一座20層的植物工廠，或許可以稱為植物的“摩天大樓”。
12月初，四川成都，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所的一座大樓中，一座20層的垂直植物工廠中，一層層的架子上，翠綠的蔬菜長勢正好，傳送帶將成熟的蔬菜運出，并將移栽的新苗送入。每一層架子上都被紫色的燈光籠罩，這是科學(xué)家們專門給出配方的光源，為植物的光合作用提供最合適的光照。
這是全球首座20層的垂直農(nóng)場，總高9.3米，包括兩大部分，人工光育苗室和垂直立體栽培區(qū)。所有功能區(qū)全程采用自動化作業(yè)，播種育苗、移栽定植、間苗、生長、收獲、包裝，全過程無人作業(yè)。
光、溫、水、氣、肥等，在這里完全精準可控，而其中的LED光源，是作物快速生長的核心奧秘之一。
萬物生長靠太陽，光合作用是作物生長的基礎(chǔ)。當(dāng)人類解析太陽光的秘密之后，人工制造光源就成為了可能。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所研究員李清明，是設(shè)施園藝光生物學(xué)與光環(huán)境調(diào)控創(chuàng)新團隊首席專家，他告訴記者，通過LED光源，科學(xué)家們不但可以模擬自然光，而且可以通過精準配比，給作物提供最好的光合作用環(huán)境。
李清明說：“紅橙黃綠青藍紫，自然界的光，包含著很多不同的部分，有的是光合作用必需的，有的和植物生長無關(guān)，有的可能還有害，比如紅光、藍光、黃光、近紫外光或者是近紅外光，這些光對作物是有用的。同時，自然界的光照時間也難以控制，如果遇到連日陰雨，光照就可能不足，如果長時間晴天，對某些作物來說，光照又可能太長了。我們則通過精準配比，設(shè)計出可以提供各種光源的設(shè)備，同時精準控制光照時間，促進作物生長?！?/p>
20層的垂直工廠如何建成？中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所助理研究員、垂直農(nóng)場項目參與者許亞良介紹，垂直農(nóng)場自2020年開始，最初進行的是無人化生產(chǎn)工藝流程的設(shè)計，“從工藝上看，20層垂直植物工廠與傳統(tǒng)工藝有較大區(qū)別，包括一些設(shè)備也是前所未有的，需要特別設(shè)計和制造?！?/p>
為什么是20層？20層的難處又在哪里？許亞良介紹，植物工廠的建設(shè)中，層數(shù)越高，難度就越大，當(dāng)前全球植物工廠的建設(shè)和研究中，尚無20層以上的，“自動化生產(chǎn)的工藝是難題之一，比如栽培架，20層有9米多高，自動輸送、管理的流程非常復(fù)雜，任何一處水平度不夠，或者銜接有問題，都可能影響自動化生產(chǎn)。但更難的是環(huán)境調(diào)控的均勻性，底層和頂層之間，由于空間高度的不同，環(huán)境其實是不一樣的，尤其是溫度。20層的栽培架，頂層溫度要比底層高5℃左右，這會直接影響垂直農(nóng)場的生產(chǎn)，所以我們通過攻克空間內(nèi)環(huán)境均勻調(diào)控技術(shù)，解決了這個問題。”
攻克20層難關(guān)，意味著攻克了工廠化種植向上發(fā)展的一道瓶頸?！拔磥斫ㄔO(shè)更高的、真正摩天大樓一樣的垂直農(nóng)場，技術(shù)上就可以實現(xiàn)了。”許亞良說。
2023年初，垂直農(nóng)場正式開始建設(shè)，目前已開始運行，這座20層的農(nóng)場，占地面積只有100平方米，但總種植面積達到2000平方米左右。以占地面積而言，相比露地生產(chǎn)，垂直植物工廠的產(chǎn)能超過露地100倍。許亞良說，“其實很容易算出來，從生產(chǎn)速度看，垂直農(nóng)場生產(chǎn)環(huán)境完全可控，生長速度很快，而且是周年生產(chǎn)。以生菜等葉菜為例，一年可以生產(chǎn)12茬左右，而露地只有2茬，這就是6倍。從生產(chǎn)面積看，20層就是20倍，兩者相乘，就是120倍，刨除一些意外因素，至少是100倍以上?！?/p>
科研人員預(yù)計，垂直農(nóng)場年葉菜產(chǎn)量可以達到50噸左右，以每人每天500克蔬菜的需求計算，可供10萬人一天的供給，而它所需要的地方，只是一個底面積100平方米、高9.3米的栽培架而已。
隨著城市規(guī)模的持續(xù)擴大，物資的需求也越來越高，盡管現(xiàn)代物流可以實現(xiàn)物資通暢流動，但城市內(nèi)部的食物供給，仍然是全球關(guān)注的問題?！按怪鞭r(nóng)場、植物工廠，是未來大城市食物供給的重要途徑之一，垂直農(nóng)場的研究，則可以幫助我們用更少的空間，生產(chǎn)出更多的食物?！痹S亞良說。
探訪2
高樓里的立體種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)
11月30日，從垂直農(nóng)場外觀看，每一層陽臺上都種滿了無土栽培的蔬菜。新京報記者 周懷宗攝
20層的垂直植物工廠，位于一棟7層的大樓中，植物工廠共有3層樓高。其余的4層，則是不同的種植養(yǎng)殖區(qū)，科學(xué)家們在這棟大樓中，設(shè)計了一整套種養(yǎng)循環(huán)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。
大樓的4層，是一座智慧水產(chǎn)工廠，面積約268平方米，層高6米。根據(jù)設(shè)計，養(yǎng)殖區(qū)將安置一個個巨大的圓形水池，養(yǎng)殖石斑魚、南美對蝦等水產(chǎn)品。水產(chǎn)工廠采用高密度養(yǎng)殖及蝦蟹垂直立體養(yǎng)殖技術(shù)，同時采用循環(huán)養(yǎng)殖的方式，可以實現(xiàn)“零排放”，是一種未來城市綠色高效養(yǎng)殖模式。
在都市中是否可以實現(xiàn)規(guī)模化養(yǎng)殖？近年來，高樓養(yǎng)豬、工廠化蝦蟹養(yǎng)殖等越來越多，在北京延慶區(qū)，一家大閘蟹工廠中，穴居的螃蟹，被養(yǎng)殖在幾乎全封閉的養(yǎng)殖箱中，每個養(yǎng)殖箱約30厘米見方，密密麻麻的養(yǎng)殖箱摞在一起，仿佛螃蟹的“公寓”。在這里，30平方米的養(yǎng)殖箱，可以養(yǎng)殖1000只螃蟹，循環(huán)養(yǎng)殖的模式，用水只需要5噸。特別營造的環(huán)境和精心配比的飼料，讓螃蟹只需要30天就可以長成上市。
高樓養(yǎng)豬的模式，近年來在我國多個地方落地。在湖北鄂州市，兩棟26層的養(yǎng)殖場中，生豬居住在真正的高樓中，這里最大的存欄量，可以達到100萬頭。在廣州，2023年初投產(chǎn)的一處“樓房豬舍”中，年出欄量預(yù)計可以達到36萬頭。
城市的大樓中，不僅可以種菜，也可以實現(xiàn)所有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所副所長甘炳成介紹，建成后的水產(chǎn)工廠，一年中可以多次下苗，實現(xiàn)不間斷養(yǎng)殖。同時由于工廠化生產(chǎn)的環(huán)境可控性更強，生長周期穩(wěn)定，可以專門設(shè)計下苗時間，實現(xiàn)反季節(jié)上市、節(jié)假日集中銷售等，達到利潤的最大化，200多平方米的養(yǎng)殖區(qū)，年經(jīng)濟效益極為可觀。
水產(chǎn)工廠的上方，則是一座菌類智能生產(chǎn)工廠。據(jù)介紹，未來正式投產(chǎn)后，整個工廠中，溫度、濕度、二氧化碳濃度都將被嚴格調(diào)控，可以培育冬蟲夏草、鹿茸菇、黑皮雞樅等珍稀菌類，也可以生產(chǎn)杏鮑菇、香菇等大宗傳統(tǒng)菌類。與普通食用菌工廠使用的密封菌棒不同，這里的菌棒都是特殊設(shè)計的，適合全自動的工廠化生產(chǎn)。
記者看到，整個7層的大樓，不僅每一層都有特別設(shè)計的種植、養(yǎng)殖工廠，在走廊、陽臺、露臺上，也都有利用各自特點設(shè)計的生產(chǎn)模式。從大樓的外面看進去，透明的玻璃幕墻內(nèi)，一排排各種形態(tài)的種植架，整齊地排列在陽臺上，種植架上種著不同的蔬菜，在冬日里依然翠綠。
“這些園藝栽培，主要依靠自然光生產(chǎn)，不需要特別補光，這些設(shè)備和技術(shù)，適用于家庭、商場、辦公樓、學(xué)校、醫(yī)院、餐廳、樓頂?shù)拳h(huán)境，對創(chuàng)造都市居民新生活方式、提高人民生活幸福指數(shù)、改善城市生活環(huán)境、降低城市碳排放等，都有很好的幫助”。農(nóng)科院都市農(nóng)業(yè)研究所科研人員王芳介紹。
探訪3
全球獨有的育種加速器
11月30日，育種加速器中，每一個種植架上，都標注了材料名稱、定植時間等。新京報記者周懷宗攝
除了生產(chǎn)食物、美化環(huán)境外，城市里的農(nóng)場還能做什么？
在成都，科學(xué)家們建成了一個特殊的育種加代工廠，被稱為“育種加速器”，這也是全球首個育種加速器。
無論是作物還是禽畜，育種都是一個漫長的過程，需要一代代選育，而每一代都需要數(shù)月去完成。如水稻，一年最多只能種2到3季，玉米一年只能種1到2季，每季都需要120天以上。從上世紀六十年代開始，我國科學(xué)家們在海南進行“加代”育種，海南的熱帶氣候，可以讓作物多種一季，也就是在一年中增加一代，這種加速育種過程，也被稱為“南繁加代”。
但對需要越冬的冬小麥、一部分喜涼的蔬菜來說，海南并不適宜加代繁育，因此科學(xué)家們會在青海、寧夏等地加代育種，被稱為“北繁加代”。
無論是“南繁”還是“北繁”，每年只能增加一代，而一個品種的育成，可能需要十多代甚至更多代的選育。是否有一種更快的方式呢？
2020年，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所博士李宗耕，開始嘗試在植物工廠中種植水稻。在以往，植物工廠更多種植速生的蔬菜，很少有人種植水稻、小麥等糧食作物，一方面成本太高、收益太低，一方面也有許多難題未能解決。
水稻是水生作物，在植物工廠中，通過水培，生長得很順利，李宗耕的實驗，種了四個架子，每個架子都是兩層，一共6平方米左右。他在實驗室里育苗，2020年“五一”左右，轉(zhuǎn)移到水培的架子上，到當(dāng)年7月份，水稻順利成熟，從定植到收獲，全程用了63天。
這是一個驚人的數(shù)字，水稻的生長期一般需要170到175天，除去育苗的35到40天，一般需要130天左右，在國際上，最快的水稻生長，也在120天以上。而在植物工廠中，這個時間縮短了一半。
“實驗并不是為了育種，但這個時間出來后，我們就開始想，這種模式是不是可以用到育種上？”農(nóng)科院都市農(nóng)業(yè)研究所智能園藝裝備團隊研究員王森說。
隨后，一個名為“育種加速器”的平臺開始建設(shè)，而更多的科技攻關(guān)也開始進行。
植物工廠為何生長更快？王森介紹，這是因為，植物工廠里，幾乎所有和生長相關(guān)的因素都是可控的，“植物生長需要哪些營養(yǎng)元素，需要多少，光合作用需要多少波長的光線，光照時間多久最好？這些都可以在植物工廠中進行精細的調(diào)控，相當(dāng)于植物在最佳的環(huán)境中生長，同時沒有冷害、旱情、高溫等負面環(huán)境的影響，甚至病蟲害都極少。這是它生長更快的重要原因。”
在農(nóng)科院都市農(nóng)業(yè)研究所，記者看到，建成的育種加速器，大約有2000平方米，分成一個個不同的實驗室，每一個實驗室，都有獨立的溫度、光照、濕度等控制系統(tǒng)。
實驗室里，油菜剛剛開出黃色的花朵，棉花枝頭的棉桃正在吐絮，旁邊的玉米正在抽穗。一間種著各種水稻的實驗室中，有些水稻已經(jīng)開始灌漿，有些則剛剛移栽。
所有實驗室中，每一個架子上，都標注了種植的品種、定植時間。王森介紹，這些作物都是各個科研單位在進行育種的材料，如今，這座全球首個育種加速器中，已經(jīng)入駐了數(shù)十家育種單位。
和水稻不同，小麥、大豆、玉米等作物，并不喜歡過多的水，甚至怕澇，怎樣在實驗室的水培環(huán)境中實現(xiàn)快速生長？是這座育種加速器中的核心技術(shù)之一。
“確實很難種，我們做了很多實驗，花了兩年多的時間，才攻克了這些難關(guān)?！蓖跎f。
兩年多的時間，一座全球獨有的育種加速器建成。如今，在這里進行育種加代的，包含了大部分常見作物，而每一種作物的生長時間，幾乎都縮短了一半?！靶←湸蟾?5天成熟，縮短了63%，一年可以繁育5代以上。大豆53天左右，縮短了51%，一年可以繁育6代以上。玉米75天左右，縮短了50%，一年可以繁育4代以上。棉花83天左右，縮短了50%，一年可以繁育4代以上。還有辣椒、苜蓿等，也都縮短了一半甚至更多。”王森說。
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