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在電影《流浪地球》里，地球已經不適宜人類生存，大家搬到了地下城，由于沒有了作物生長所必需的土壤和陽光，食物變得極其珍貴，蚯蚓干都成了價值很高的禮物。這一幕當然是人類的想象，但它隱喻了一個普世性的問題：在極端條件下，人類究竟如何為生？雖然“末世”只是一個寓言，但在現實生活中，洪澇、干旱，高溫、寒潮……我們每一個人都或多或少感受到了區域性的氣候災害。頻發的極端天氣，有限的耕地資源，已經叩響了這一問題的現實緊迫性。
中國農業科學院都市農業研究所（以下簡稱農科院都市所）研究員楊其長，帶領團隊研發出了世界首例無人化垂直植物工廠。糧食、瓜果、蔬菜……全都可以在樓房里種植；農作物能夠二倍速生長，在程序化的流水線上源源不斷地產出；在戈壁、荒漠等非耕地，農產品產量和品質甚至可以超過優質大田……這座植物工廠以各種先進場景，為我們落地了一種想象，提供了一種路徑和底氣：我們可以不用靠天吃飯。哪怕沒有土壤和陽光，我們依然可以生存。
楊其長（左二）帶領團隊在植物工廠小麥育種加速器內，觀察記錄小麥生長情況。
這是一種理想答案，還是現實生活的映射？這種模式是否噱頭大于實質？是否會因為造價太高而讓許多人望洋興嘆？沒有土壤和光照，作物怎么生長呢？8.8米的高度，作物成熟期怎么收獲呢？面對這些質疑，楊其長及其團隊來者不拒，“見招拆招”的同時也讓我們走進了這個神奇世界，去觸摸一下農業生產的天花板，去站在人類想象力的邊界線上看看前方的路還有多長。
神奇的光+精準的營養餐
一株水稻，一棵蔬菜，是如何在植物工廠里長大的呢？
就拿生菜為例：科研人員先把種子播在一個帶孔的穴盤上，經過兩三天的催芽，種子變成了小芽苗，再送到育苗車間里育苗。12~14天育出小苗后，把它們種植在栽培盤上，送進栽培車間。再經過20~21天的培育，等生菜長到100~120克重時，就可以進行采收、包裝，最后送到市場上。
沒有陽光、雨水和土壤，它們能存活嗎？
答案是肯定的。而且在植物工廠里，作物會生長得更好，因為它們擁有可調控的LED光和精準的營養大餐。
農業生產的科學本質是植物通過光合作用來為人類生產碳水化合物的過程，這其中的關鍵就在于——光。就像鉆木取火給人類帶來了光明一般，LED燈的出現，對于設施農業來說同樣具有革命性的意義。因為在影響設施農業的六個主要因素（光、溫、水、氣、肥、植保）中，光是唯一的短板。
“LED燈厲害在哪兒呢？”記者問道。
“LED燈可以控制光譜、亮度和時長，作物需要照多久的光，就可以照多久，從而有了一個隨心所欲的光環境。”農科院都市所研究員王森說，它甚至比陽光還要更加適合作物生長，因為陽光的成分十分多樣，有一些并不是植物生長所需。而LED燈只把作物最需要的光選出來，再重新搭配，從而給作物提供了精準的營養大餐，幫助其快速生長。
而且在調配光的時候，科學家們就像畫家，把調色盤里的赤橙黃綠青藍紫盡情搭配。“苗期的時候會加藍光，為了讓作物的根莖更加粗壯，分蘗拔節期加綠光可以加速作物開花，等到結果的時候則加紅光。”王森說，總之就是滿足同一作物在不同生長期對光照的需求。
王森平時的工作就是通過做實驗來確定幾種光（紅光、藍光、遠紅光……）的最優比例，也就是幾種光怎樣組合、各自的比例是多少，才最有利于作物生長，才最節能高效，然后將實驗數據反饋給燈廠。針對不同作物不同屬性精準的光譜配方，科研團隊已經研究出來了1000多種。
此外，對于作物生長所需要的條件，比如光照、營養和環境等，全都可以實現智能化調控，人可以自由、精準地為作物提供適宜的生長環境。說白了就像人一樣，“你喜歡吃什么我就給你什么”。而且在可控環境下，作物也幾乎不會遇到什么病蟲害。
其實，光廣泛應用于農業，是從2015年才開始的。它在農業領域的迅猛發展，要得益于我國在國際上處于領先地位的LED制造技術。我們厲害到什么程度呢？用楊其長的話說就是，“全球用于植物照明的LED燈大部分都是從我國進口的。”它讓我國植物工廠的照明發展，直接越過了高壓鈉燈、熒光燈兩個階段，進入了LED時代。哪怕在植物工廠很發達的日本，也是從高壓鈉燈開始發展，最后才進入LED領域的。
除了LED光，破解植物工廠“密碼”的另一關鍵就是作物的營養液。它就像大田里給作物施加的肥料一樣，作用都是給作物提供其生長所必需的礦物質元素以及營養。不同之處在于，營養液做了“減法”。“我們把滿足作物生存需求的物質全保留了，作物不需要的全去掉了。”團隊成員胡江濤告訴記者。
但科學家們還不滿足，還想更加精確，就是要知道“作物目前吸收了多少營養，還要繼續補充多少”。比如少多少氮就補多少氮，少多少鉀就補多少鉀。還要知道作物的不同生長期有什么不同的需求。比如在作物“長個兒”的階段，需要的氮就多。在草莓開花結果的時候，就要給它多添加磷。但能夠精確供給單一元素，其實難度是很大的。“受限于我們目前的監測技術，很多元素的傳感器都還沒有。”胡江濤說，這就是他們未來的研究方向。
楊其長（中）帶領團隊在植物工廠水稻育種加速器內，觀察水稻生長情況。
厲害在哪兒？
從全球范圍來看，第一個植物工廠誕生至今，已經有67年的歷史了，目前制造出來的植物工廠的層數最高也就是18層。因為層數越高，對每一層的環境，比如二氧化碳濃度、光照均勻度的控制，就會越來越難，對技術的要求也越來越高，畢竟罕有機器人能爬到那么高，并將作物成功采摘下來。而農科院都市所植物工廠不斷向上爭取空間，如同作物拔節生長一樣，20層的高度已經不成問題，而且從播種到移栽、傳送、收獲、包裝全流程，由16個機器人來完成。
其實，日本、荷蘭的植物工廠一直領先于世界，我國之所以能夠彎道超車，達到世界第一，是得益于我國快遞行業的飛速發展：幾十米高的機器人運輸都已經司空見慣了。“我們不過是把我國世界領先的工業機器人用到了農業領域，其制造技術完全能滿足我們的需求。”楊其長說。
就像很多“無人農場”還做不到完全無人一樣，當記者問及“無人化植物工廠是否已經做到了無人時”，楊其長很坦誠，“我們的無人化主要還是個概念，雖然大部分的工作都可以讓機器人來做了，但有些事情還是需要人工來完成，比如把種子放到苗盆上，種下去之后再放到栽培架上。此外，當機器出現差錯，也需要技術人員來調整。”即便目前還做不到完全無人，但占地200多平方米的工廠中只需要5個工人。楊其長算了筆賬，“其實按照高度和占地面積算下來，我們僅用3分地的占地面積，實現了6畝地的生產效果。種植的生菜35天就可收獲一次，年產量可以達到50噸以上，相當于60畝良田的產量，比露地生產的產量高了不止200倍。”
除了高效，快速也是植物工廠的一大關鍵詞。為了縮短作物生長周期，楊其長帶領團隊連續攻關，先后解析了“光—溫—養分”耦合作用對水稻快速生長、提早開花與結實的影響機制，探明了大幅縮短水稻生育期的“環境—營養”調控規律與量化參數，攻克了植物工廠水稻快速繁育關鍵技術。團隊成員李宗耕舉了幾個例子：在植物工廠的環境下，三大主糧作物的生長周期都能夠縮短50%以上，而且不受季節影響，可以全年種植，一年可以收5~6茬。除了三大主糧之外的十幾種作物，從種到收，也都可以實現二倍速。
中國農科院都市農業研究所科研人員在植物工廠水稻育種加速器內，觀察水稻生長情況。
除了作物生長周期加速了，育種也加了二倍速的“外掛”。傳統的水稻育種周期長，一年頂多能繁育2~3代，育成一個新品種往往要幾年甚至幾十年的時間。“我們可以讓育種速度縮短到4年或5年，水稻可以實現每年6茬左右的‘快速育種’，周期大大縮短不說，科學家們也不用頂著大太陽蹲在大田里面育種，勞動強度要低很多。”李宗耕說，而且經過快速繁育的種子，放一段時間就可以下地種了，活力非常高，發芽率超過90%。
由于作物育種周期較長，以往為了縮短研發時間，科學家們會利用南北環境差異和時間賽跑，在冬季去海南育種。“以后我們可以幫著育種家們在實驗樓或單位附近建植物工廠，這樣一年四季都可進行加代育種，省去了兩地奔波的舟車勞頓之苦。”李宗耕說。
安不安全？貴不貴？
說了植物工廠那么多的優點，還是有人不太看好：“植物工廠生產出來的東西根本不能吃，都是藥水泡大的。”“不過是科學家們自娛自樂罷了，造價那么高，一般地區怎么可能蓋得起？”
中國農科院都市農業研究所研發的移動式植物工廠。
面對大眾的疑問，團隊的人都聽慣了，植物工廠是設施農業的高級階段，是新鮮事物，公眾不夠了解情有可原。“就像大棚蔬菜似的，一開始人們也是覺得反季節蔬菜不能吃，對人體有害。”王森覺得，還是自己做的科普太少，“現在大家比較推崇天然的、綠色的，在土壤里面栽種的，要給大家一個接受和理解的過程。”
“其實我們研究植物營養學的這些人，知道植物從土壤吸收的東西就是它基本所需的營養。”胡江濤解釋道，地球上有100多種元素，并不都是植物生長所需要的。早在19世紀，德國有機化學家李比希和農學家沃爾尼等科學家發現，植物生長發育所需的元素只有氮、磷、鉀、鈣、氧等17種元素。這17種元素只要缺少了其中1種，植物就不能正常生長，所以被稱為必需元素。“因此我們不管是做水培，還是考慮施用肥料，人工環境下提供的都是能夠保證植物基本生存的必需元素，并沒有多余的有害物質。”
對于大家的口中的“藥水”，胡江濤表示無需擔心，農藥的作用對象是蟲害或者病菌，“我們不用農藥，因為我們室內沒有病蟲生存的空間。也沒有雜草，不會用除草劑。植物工廠內的環境是為每種植物打造的專屬環境，還去掉了土壤里面的有害微生物、重金屬等有害物質，比外界環境要安全得多。”
“安全和健康大家絕對可以放心，但也不是說我們就十全十美了，比如在風味上還差一些，但這就是我們接下來要重點攻克的課題。”眼下，胡江濤在想方設法提高酚類物質的含量來改善作物的口感和風味。酚類物質是作物自身產生的次級代謝物質，比如酚酸、花青素、類黃酮等等。其中花青素決定果實的顏色，它的含量越高，果實的顏色就越鮮艷。盡管科學家們一直在努力，但想要全面超越大田作物的口感，“還是需要一步步來”。
而第二個質疑，確實戳到楊其長心里去了，成本問題一直是困擾研究團隊的關鍵性問題。在植物工廠里，成本主要來源于4個方面：電力、人力、日常折舊及種子種苗等其他資產的成本。在這四個部分中，每一部分都有降低成本的可能性。但由于工廠本身對建材的要求較高，日常使用產生的折舊，相對很難實現降本目標。
但是電力和人力的降本是“大有可為”的，“所以我們現在大部分的研究工作，就在于如何降低電力損耗、減少人力成本。”楊其長說。在電力損耗方面，60%~65%來自于光源能耗，未來還要對LED燈進行進一步“挑選”。“團隊傾向于少用一些發熱的光譜，用的是紅光、藍光，或者加一些綠光、紅外線、近紫外線等一些發熱量低的光譜，這樣能大幅度地減少光源能耗。”
這些措施產生的效果是實打實的：葉菜生長周期在20天左右，原來在高壓鈉燈的時候，一公斤的葉菜生長耗電量大概是60度，熒光燈用電量下降至35度，現在使用的LED燈僅用7度電左右。從理論上推算，未來應用LED光配方后，1公斤的葉菜用電能減少到4度左右。
此外，以機械裝備輔助機器人代替人力，是未來實現植物工廠無人化的重要方式。因此，當工廠機械化程度不斷提高，人力成本的問題也自然迎刃而解。楊其長很欣慰，“工廠中的很多步驟都是可以程序化操作的，如果能夠在這方面減少50%或者更多人力的話，那植物工廠出品的農產品的競爭優勢就又上了一個臺階，這些都是能夠預見的。”
打開土地利用新世界
楊其長說，植物工廠的秘訣就在于不依賴外界環境氣候而掌控植物生長。對于“靠天吃飯”的傳統農業來說，這簡直是科幻般的存在。但科幻距離現實還有多遠？無人植物工廠如何走出成都，在我國廣袤的土地上遍地開花？這不僅是科學家，也是我們每一個人的愿景。
在楊其長看來，智能植物工廠最大的優勢就是能夠解決耕地資源不足的問題，可在城市的高樓里，以及荒漠、戈壁、海島、水面等非可耕地進行農業生產，為解決大城市以及一些環境惡劣、土地資源稀缺地區的食物安全問題提供一種思路。
人多地少，已經成為我國耕地資源現狀不爭的客觀事實，對于城市農業而言，這一矛盾更加凸顯。比如一些超大型城市，人口數量很多，但蔬菜自給率卻在逐年下降，很多農產品都是從外地調運而來。
“未來在城市的周邊或者內部建設植物工廠大樓，能夠用最少的土地、肥力、人力資源，為城市居民生產出更多的食物產品，這有望賦予城市農業生產更多主動權。”但楊其長也坦言，這很大程度依賴于植物工廠現有電力、人力成本的降低，才能把蔬菜價格降到一個合理區間內，讓居民的日常消費成為可能。楊其長愛用火車的例子來形容未來植物工廠與大田農產品的區別，“現在火車有綠皮車也有高鐵，時間長短，價格高低不同，全憑乘客意愿乘坐。”植物工廠生產的菜潔凈安全，營養豐富，在未來很長的一段時間內，這種獨特品質和空間優勢，將是這些“白領”蔬菜在城市農產品市場中的差異化標簽。
除了滿足城市食物自給，帶有體驗性、娛樂性的陽臺農業，也將是未來植物工廠切入居民生活的另一重要場景。中國人經常被調侃為“把喜歡種菜刻入了DNA”。無疑，在居住區聚集的城市，社區種菜平臺確實具備落地生根的可能，“但也是存在很多問題的。一是很多人不會種，二是缺乏服務，所以未來植物工廠的技術要想在一些城市社區、家庭進行推廣，需要構建完備的服務體系，同時種植技術還要可復制、易學。”楊其長說，此外，植物工廠以及一些企業也在努力研制更智能的種菜產品，例如家用智能種菜機、“魚菜共生”機器……通過濕簾、水泵、排風扇、增光燈等設備，來控制溫度、濕度、光照，配合溫室環境控制系統，用現代先進技術模擬最適合蔬菜生長的原始自然環境，滿足城市居民參與、體驗與休閑的精神需求，超越農產品消費的本有價值，以體驗經濟帶動更廣泛大眾了解農業、參與農業。
據第三次全國國土調查顯示，2019年我國實有耕地19.18億畝，比2009年第二次全國國土調查時減少了1.13億畝。考慮到我國后備耕地資源有限、不穩定耕地退耕、發展建設占用等因素，依靠擴大播種面積，來增加糧食和農產品供給的潛力十分有限。如果我們再把鏡頭對準我國西部，這里國土面積遼闊，戈壁、荒漠連綿不絕，可利用的優質耕地更是少之又少。用設施農業手段為國家騰出更多的耕地空間，一直是楊其長心中的一大愿景。近年來，他花費大量時間在南疆的戈壁沙漠，研制完成了適合沙漠地區的高效節能沙漠連棟溫室，并在和田建起了1萬多畝的示范基地。今年4月26日，在新疆和田沙漠溫室里，快速繁育水稻首次試種成功。花了15天育種后，僅用了60天時間，就迎來了一季水稻的收獲季。相比于田間栽種的生長周期平均在120~150天左右的水稻，在沙漠溫室里長大的快速繁育水稻，生長周期縮短了將近一半的時間。
“在沙漠上建溫室，建設用地成本比內地便宜很多，1平方米的總體建設費用僅為350元左右，是荷蘭玻璃溫室的三分之一。同時，因為和田地區光熱資源好，保障水稻品質的同時，日光溫室可以大大降低能耗成本，發展前景非常樂觀。”楊其長興奮不已，在讓水稻生育期減半之后，科研團隊又在沙漠溫室里相繼探索了大豆、玉米、小麥等主糧作物，以及油菜、苜蓿等作物的快速繁育關鍵技術。
“不光在沙漠，在我國其他地區，植物工廠落地的最主要形式就是溫室。而且100萬畝地能當500萬畝用，效益的增加并不是以破壞性、不可持續為代價的。”王森補充道，相比于一些通過不合理的耕地開發方式、農業生產技術，致使耕地部分生態功能和生產能力降低，不得不進行輪作休耕來維持農業生產活動，植物工廠具有天然的優勢，不僅環境可控、綠色高效，還能周年化運行，立體種植，單位土地利用效率可成百上千倍疊加。“如果說有朝一日能作為耕地的補充，將為我國農產品供給提供更多保障。”
希望這一天早日到來。
（圖片均由受訪者提供）
作者：農民日報·中國農網記者 顏旭 祁倩倩
