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【國家獎】不靠天地的農作方式顛覆技術—植物工廠

來源:環境工程研究室 發布時間:2018-01-15 作者:程瑞鋒 點擊量:

       團隊成員在國家“863”、科技支撐計劃等項目支持下,歷經12年的潛心研究,在植物工廠光配方構建、光效與能效提升、營養品質調控以及多因子協同管控等關鍵技術方面取得了多項創新性成果。研發出基于植物光配方的多光質組合LED節能光源及其智能調控技術,創制出光-溫耦合節能環境控制技術,發明了采前短期連續光照調控蔬菜品質技術方法,研發出基于多因子協同管控策略的植物工廠智能化管控技術,集成創制出規模量產型、可移動型和家庭微型等系列化植物工廠產品,并實現在國內外的規模化應用,大幅提升我國植物工廠高新技術研發能力和產業化發展水平,社會、經濟和生態效益顯著。

植物工廠優勢明顯,產業化瓶頸突出

       植物工廠是一種環境高度可控、產能倍增的高效生產方式,不受或很少受自然資源限制,可實現在垂直立體空間的規模化周年連續生產,單位面積產能可達露地40倍以上,甚至可在島礁、極地、太空等特殊場所應用,對保障菜籃子供給、拓展耕地空間與支撐國防戰略具有重要意義。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,因此被認為是對傳統農作方式的顛覆。植物工廠發展潛力巨大,但產業化應用仍面臨一些突出瓶頸,光源光效低、系統能耗大、多因子協同管控難等關鍵技術難題亟待突破。
       作為我國植物工廠高技術研究的倡導者、863項目首席科學家,楊其長研究員率領團隊先后攻克了植物光配方及其LED節能光源創制、光-溫耦合節能環境控制、蔬菜營養品質調控以及多因子協同智能化管控等核心關鍵技術難題,構建了具有我國自主知識產權的植物工廠核心技術體系,使我國成為國際上少數掌握植物工廠高技術的國家之一。

探索植物“光配方”,精確給光促節能

        長期以來,光源能耗較高一直是制約植物工廠產業發展的重要瓶頸之一,探索基于植物光合需求的精確給光技術已經成為國內外研究熱點。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光環境調控,實現精準給光,將是提升光源光效、減少能耗的關鍵。
       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做訪問學者時,偶然發現實驗室的同事已經在利用LED光源進行植物栽培試驗,他通過查閱資料,發現LED是一種可發出各種單色光譜并可組合的半導體光源,非常適合進行光配方構建并實現節能,是未來農業與生物領域重要的人工光源。團隊成員得到這一信息后,立即與中國科學院半導體所等單位合作,創建了國內第一個植物LED光配方實驗室,隨后進行了大量的基于光質生物學效應的植物光配方試驗,建立了一批植物“光配方”數據庫,為植物工廠精確給光和動態智能調控奠定了基礎。以“光配方”為基礎,團隊還先后與國內多家LED企業合作,研發出芯片組合式、熒光粉激發式等多個系列植物LED光源。同時,還根據植株不同生長階段的高度、冠幅大小,創制出移動式、聚光式LED光環境調控技術,與熒光燈相比,實現節能50%以上。

引入室外冷源調光期,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部調溫的空調能耗約占總耗能的15%-35%,而降溫耗能又占空調總耗電量的85%以上。針對春秋與冬季夜晚室外氣溫較低、存在大量冷源的現象,團隊創新提出將光期置于夜晚、引進室外自然冷源降溫的“光-溫耦合節能調溫”方法。通過多年的探索,團隊系統探明了引進室外冷源以及白天與夜晚明暗期互換的光-溫耦合節能調溫控制策略,攻克了引進冷源與防止室內高濃度CO2外溢的技術難題,創制出基于室外冷源與空調協同調溫的節能環境調控技術裝備。
       植物工廠“光-溫耦合節能調溫”實現了以低功率的風機代替高功率的空調,以室外免費的自然冷源代替高能耗制冷系統的技術突破,大幅減少空調運行時間和系統能耗,節能率達24.6-63.0%。

采前連續光照調品質,簡單易行效果好

       植物工廠產出的蔬菜不僅外觀整潔、一致性好、無污染和營養品質高等優點,而且還由于密閉、潔凈環境,微生物污染和病蟲害很少發生,無需使用農藥,不用擔心農藥污染。但由于植物工廠采用營養液栽培,也存在硝酸鹽偏高、維生素C偏低以及次生營養物質含量不高等問題。
       國際上通常在采收前利用無氮營養液或銨態氮取代硝態氮等措施,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現,光對植物體內硝酸鹽、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,在蔬菜采收前如果采用短期連續光照可能會減少硝酸鹽含量、提升品質。經過多年的探索,團隊采用紅藍光LED組合光源對收獲期葉菜實施短期連續光照,發現48小時連續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,研究中還首次發現綠光短期連續光照對蔬菜品質提升也具有重要影響。

集成創新獲突破,產業前景振人心

       團隊經過多年的創新研發,在植物工廠五大核心技術領域:植物光配方及LED光源創制、光-溫耦合節能環境控制、營養液立體栽培、蔬菜品質調控以及多因子協同智能管控等取得了重要突破,集成創制出規模量產型、可移動型和家庭微型等系列化成套技術產品,走出了一條完全國產化的自主創新道路。“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業發展;移動型植物工廠在我國南海島礁等地應用,成功解決了部隊吃新鮮菜難題,為國防事業做出了突出貢獻。2016年6月3日,團隊成果“智能LED植物工廠”在國家“十二五”科技創新成就展展出,受到習近平總書記等中央領導的高度評價,被贊譽為“農作方式的顛覆性技術”。目前,植物工廠正以前所未有的速度快速推進,一批批高品質蔬菜正源源不斷地供給城市居民,社區、家庭、超市、飯店、商場、學校等城市的各個角落也出現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。

 


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