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(kāi)始走出田野，走進(jìn)城市居民的生活場(chǎng)景，人們?cè)诔墙冀ǔ筛鞣N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(chǎng)，在摩天大樓中打造種養(yǎng)一體的循環(huán)農(nóng)場(chǎng)……
這樣的場(chǎng)景，在現(xiàn)代科技和裝備的支持下，正在變成現(xiàn)實(shí)。未來(lái)的城市，不僅可以擁有田園風(fēng)光，也有充滿(mǎn)科幻感的超級(jí)植物工廠。
探訪1
全球首座20層的垂直農(nóng)場(chǎng)
一座20層的植物工廠，或許可以稱(chēng)為植物的“摩天大樓”。
12月初，四川成都，中國(guó)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(zhǎng)勢(shì)正好，傳送帶將成熟的蔬菜運(yùn)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(zhuān)門(mén)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(chǎng)，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(dòng)化作業(yè)，播種育苗、移栽定植、間苗、生長(zhǎng)、收獲、包裝，全過(guò)程無(wú)人作業(yè)。
光、溫、水、氣、肥等，在這里完全精準(zhǔn)可控，而其中的LED光源，是作物快速生長(zhǎng)的核心奧秘之一。
萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，光合作用是作物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)。當(dāng)人類(lèi)解析太陽(yáng)光的秘密之后，人工制造光源就成為了可能。中國(guó)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(tuán)隊(duì)首席專(zhuān)家，他告訴記者，通過(guò)LED光源，科學(xué)家們不但可以模擬自然光，而且可以通過(guò)精準(zhǔn)配比，給作物提供最好的光合作用環(huán)境。
李清明說(shuō)：“紅橙黃綠青藍(lán)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(zhǎng)無(wú)關(guān)，有的可能還有害，比如紅光、藍(lán)光、黃光、近紫外光或者是近紅外光，這些光對(duì)作物是有用的。同時(shí)，自然界的光照時(shí)間也難以控制，如果遇到連日陰雨，光照就可能不足，如果長(zhǎng)時(shí)間晴天，對(duì)某些作物來(lái)說(shuō)，光照又可能太長(zhǎng)了。我們則通過(guò)精準(zhǔn)配比，設(shè)計(jì)出可以提供各種光源的設(shè)備，同時(shí)精準(zhǔn)控制光照時(shí)間，促進(jìn)作物生長(zhǎng)?！?/p>
20層的垂直工廠如何建成？中國(guó)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(chǎng)項(xiàng)目參與者許亞良介紹，垂直農(nóng)場(chǎng)自2020年開(kāi)始，最初進(jìn)行的是無(wú)人化生產(chǎn)工藝流程的設(shè)計(jì)，“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(jì)和制造。”
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(wú)20層以上的，“自動(dòng)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(dòng)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(wèn)題，都可能影響自動(dòng)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(shí)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(huì)直接影響垂直農(nóng)場(chǎng)的生產(chǎn)，所以我們通過(guò)攻克空間內(nèi)環(huán)境均勻調(diào)控技術(shù)，解決了這個(gè)問(wèn)題?！?/p>
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?lái)建設(shè)更高的、真正摩天大樓一樣的垂直農(nóng)場(chǎng)，技術(shù)上就可以實(shí)現(xiàn)了。”許亞良說(shuō)。
2023年初，垂直農(nóng)場(chǎng)正式開(kāi)始建設(shè)，目前已開(kāi)始運(yùn)行，這座20層的農(nóng)場(chǎng)，占地面積只有100平方米，但總種植面積達(dá)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(guò)露地100倍。許亞良說(shuō)，“其實(shí)很容易算出來(lái)，從生產(chǎn)速度看，垂直農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境完全可控，生長(zhǎng)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(jì)，垂直農(nóng)場(chǎng)年葉菜產(chǎn)量可以達(dá)到50噸左右，以每人每天500克蔬菜的需求計(jì)算，可供10萬(wàn)人一天的供給，而它所需要的地方，只是一個(gè)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(kuò)大，物資的需求也越來(lái)越高，盡管現(xiàn)代物流可以實(shí)現(xiàn)物資通暢流動(dòng)，但城市內(nèi)部的食物供給，仍然是全球關(guān)注的問(wèn)題?！按怪鞭r(nóng)場(chǎng)、植物工廠，是未來(lái)大城市食物供給的重要途徑之一，垂直農(nóng)場(chǎng)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(shuō)。
探訪2
高樓里的立體種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)
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?cè)谶@棟大樓中，設(shè)計(jì)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(jì)，養(yǎng)殖區(qū)將安置一個(gè)個(gè)巨大的圓形水池，養(yǎng)殖石斑魚(yú)、南美對(duì)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(shí)采用循環(huán)養(yǎng)殖的方式，可以實(shí)現(xiàn)“零排放”，是一種未來(lái)城市綠色高效養(yǎng)殖模式。
在都市中是否可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；B(yǎng)殖？近年來(lái)，高樓養(yǎng)豬、工廠化蝦蟹養(yǎng)殖等越來(lái)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(gè)養(yǎng)殖箱約30厘米見(jiàn)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(yíng)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(zhǎng)成上市。
高樓養(yǎng)豬的模式，近年來(lái)在我國(guó)多個(gè)地方落地。在湖北鄂州市，兩棟26層的養(yǎng)殖場(chǎng)中，生豬居住在真正的高樓中，這里最大的存欄量，可以達(dá)到100萬(wàn)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(jì)可以達(dá)到36萬(wàn)頭。
城市的大樓中，不僅可以種菜，也可以實(shí)現(xiàn)所有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所副所長(zhǎng)甘炳成介紹，建成后的水產(chǎn)工廠，一年中可以多次下苗，實(shí)現(xiàn)不間斷養(yǎng)殖。同時(shí)由于工廠化生產(chǎn)的環(huán)境可控性更強(qiáng)，生長(zhǎng)周期穩(wěn)定，可以專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)下苗時(shí)間，實(shí)現(xiàn)反季節(jié)上市、節(jié)假日集中銷(xiāo)售等，達(dá)到利潤(rùn)的最大化，200多平方米的養(yǎng)殖區(qū)，年經(jīng)濟(jì)效益極為可觀。
水產(chǎn)工廠的上方，則是一座菌類(lèi)智能生產(chǎn)工廠。據(jù)介紹，未來(lái)正式投產(chǎn)后，整個(gè)工廠中，溫度、濕度、二氧化碳濃度都將被嚴(yán)格調(diào)控，可以培育冬蟲(chóng)夏草、鹿茸菇、黑皮雞樅等珍稀菌類(lèi)，也可以生產(chǎn)杏鮑菇、香菇等大宗傳統(tǒng)菌類(lèi)。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(jì)的，適合全自動(dòng)的工廠化生產(chǎn)。
記者看到，整個(gè)7層的大樓，不僅每一層都有特別設(shè)計(jì)的種植、養(yǎng)殖工廠，在走廊、陽(yáng)臺(tái)、露臺(tái)上，也都有利用各自特點(diǎn)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)模式。從大樓的外面看進(jìn)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(yáng)臺(tái)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(bǔ)光，這些設(shè)備和技術(shù)，適用于家庭、商場(chǎng)、辦公樓、學(xué)校、醫(yī)院、餐廳、樓頂?shù)拳h(huán)境，對(duì)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(dú)有的育種加速器
除了生產(chǎn)食物、美化環(huán)境外，城市里的農(nóng)場(chǎng)還能做什么？
在成都，科學(xué)家們建成了一個(gè)特殊的育種加代工廠，被稱(chēng)為“育種加速器”，這也是全球首個(gè)育種加速器。
無(wú)論是作物還是禽畜，育種都是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)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(jì)六十年代開(kāi)始，我國(guó)科學(xué)家們?cè)诤Ｄ线M(jìn)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(guò)程，也被稱(chēng)為“南繁加代”。
但對(duì)需要越冬的冬小麥、一部分喜涼的蔬菜來(lái)說(shuō)，海南并不適宜加代繁育，因此科學(xué)家們會(huì)在青海、寧夏等地加代育種，被稱(chēng)為“北繁加代”。
無(wú)論是“南繁”還是“北繁”，每年只能增加一代，而一個(gè)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(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所博士李宗耕，開(kāi)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(guò)水培，生長(zhǎng)得很順利，李宗耕的實(shí)驗(yàn)，種了四個(gè)架子，每個(gè)架子都是兩層，一共6平方米左右。他在實(shí)驗(yàn)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(gè)驚人的數(shù)字，水稻的生長(zhǎng)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(guó)際上，最快的水稻生長(zhǎng)，也在120天以上。而在植物工廠中，這個(gè)時(shí)間縮短了一半。
“實(shí)驗(yàn)并不是為了育種，但這個(gè)時(shí)間出來(lái)后，我們就開(kāi)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(tuán)隊(duì)研究員王森說(shuō)。
隨后，一個(gè)名為“育種加速器”的平臺(tái)開(kāi)始建設(shè)，而更多的科技攻關(guān)也開(kāi)始進(jìn)行。
植物工廠為何生長(zhǎng)更快？王森介紹，這是因?yàn)椋参锕S里，幾乎所有和生長(zhǎng)相關(guān)的因素都是可控的，“植物生長(zhǎng)需要哪些營(yíng)養(yǎng)元素，需要多少，光合作用需要多少波長(zhǎng)的光線，光照時(shí)間多久最好？這些都可以在植物工廠中進(jìn)行精細(xì)的調(diào)控，相當(dāng)于植物在最佳的環(huán)境中生長(zhǎng)，同時(shí)沒(méi)有冷害、旱情、高溫等負(fù)面環(huán)境的影響，甚至病蟲(chóng)害都極少。這是它生長(zhǎng)更快的重要原因?！?/p>
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(gè)個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)室，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，都有獨(dú)立的溫度、光照、濕度等控制系統(tǒng)。
實(shí)驗(yàn)室里，油菜剛剛開(kāi)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(shí)驗(yàn)室中，有些水稻已經(jīng)開(kāi)始灌漿，有些則剛剛移栽。
所有實(shí)驗(yàn)室中，每一個(gè)架子上，都標(biāo)注了種植的品種、定植時(shí)間。王森介紹，這些作物都是各個(gè)科研單位在進(jìn)行育種的材料，如今，這座全球首個(gè)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(guò)多的水，甚至怕澇，怎樣在實(shí)驗(yàn)室的水培環(huán)境中實(shí)現(xiàn)快速生長(zhǎng)？是這座育種加速器中的核心技術(shù)之一。
“確實(shí)很難種，我們做了很多實(shí)驗(yàn)，花了兩年多的時(shí)間，才攻克了這些難關(guān)?！蓖跎f(shuō)。
兩年多的時(shí)間，一座全球獨(dú)有的育種加速器建成。如今，在這里進(jìn)行育種加代的，包含了大部分常見(jiàn)作物，而每一種作物的生長(zhǎng)時(shí)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(shuō)。
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