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【国家奖】不靠天地的农作方式颠覆技术

2018-10-30 04:21作者:未知来源:未知浏览次数:

  从近日举行的2017年度国家科学技术奖励大会上获悉,中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所杨其长研究员牵头完成的“高光效低能耗LED智能植物工厂关键技术及系统集成”获国家科学技术进步二等奖。

  环发所杨其长领衔的科研团队在国家“863”、科技支撑计划等项目支持下,历经12年的潜心研究,在植物工厂光配方构建、光效与能效提升、营养品质调控以及多因子协同管控等关键技术方面取得了多项创新性成果。研发出基于植物光配方的多光质组合LED节能光源及其智能调控技术,创制出光-温耦合节能环境控制技术,发明了采前短期连续光照调控蔬菜品质技术方法,研发出基于多因子协同管控策略的植物工厂智能化管控技术,集成创制出规模量产型、可移动型和家庭微型等系列化植物工厂产品,并实现在国内外的规模化应用,大幅提升我国植物工厂高新技术研发能力和产业化发展水平,社会、经济和生态效益显著。

  植物工厂是一种环境高度可控、产能倍增的高效生产方式,不受或很少受自然资源限制,可实现在垂直立体空间的规模化周年连续生产,单位面积产能可达露地40倍以上,甚至可在岛礁、极地、太空等特殊场所应用,对保障菜篮子供给、拓展耕地空间与支撑国防战略具有重要意义。植物工厂完全可以摆脱太阳、土地的约束,在工厂化条件下按需生产,因此被认为是对传统农作方式的颠覆。植物工厂发展潜力巨大,但产业化应用仍面临一些突出瓶颈,光源光效低、系统能耗大、多因子协同管控难等关键技术难题亟待突破。

  作为我国植物工厂高技术研究的倡导者、863项目首席科学家,杨其长研究员率领团队先后攻克了植物光配方及其LED节能光源创制、光-温耦合节能环境控制、蔬菜营养品质调控以及多因子协同智能化管控等核心关键技术难题,构建了具有我国自主知识产权的植物工厂核心技术体系,使我国成为国际上少数掌握植物工厂高技术的国家之一。

  长期以来,光源能耗较高一直是制约植物工厂产业发展的重要瓶颈之一,探索基于植物光合需求的精确给光技术已经成为国内外研究热点。植物光生理特征表明,光受体对光谱具有选择性吸收的特征,具体表现为红蓝光谱大量吸收、光谱微量吸收,参照李比希“植物营养配方”思想,可将这种光特性称之为“光配方”。如果能够按照植物“光配方”进行人工光源配置及其动态光环境调控,实现精准给光,将是提升光源光效、减少能耗的关键。

  早期的高压钠灯、荧光灯等光源,由于光谱固定,无法按照“光配方”进行调控,光配方的突破必须有新光源的支撑。2005年,杨其长研究员在荷兰瓦赫宁根大学做访问学者时,偶然发现实验室的同事已经在利用LED光源进行植物栽培试验,他通过查阅资料,发现LED是一种可发出各种单色光谱并可组合的半导体光源,非常适合进行光配方构建并实现节能,是未来农业与生物领域重要的人工光源。团队成员得到这一信息后,立即与中国科学院半导体所等单位合作,创建了国内第一个植物LED光配方实验室,随后进行了大量的基于光质生物学效应的植物光配方试验,建立了一批植物“光配方”数据库,为植物工厂精确给光和动态智能调控奠定了基础。以“光配方”为基础,团队还先后与国内多家LED企业合作,研发出芯片组合式、荧光粉激发式等多个系列植物LED光源。同时,还根据植株不同生长阶段的高度、冠幅大小,创制出移动式、聚光式LED光环境调控技术,与荧光灯相比,实现节能50%以上。

  植物工厂耗电成本占总运行成本的50%-60%,其中用于植物工厂内部调温的空调能耗约占总耗能的15%-35%,而降温耗能又占空调总耗电量的85%以上。针对春秋与冬季夜晚室外气温较低、存在大量冷源的现象,团队创新提出将光期置于夜晚、引进室外自然冷源降温的“光-温耦合节能调温”方法。通过多年的探索,团队系统探明了引进室外冷源以及白天与夜晚明暗期互换的光-温耦合节能调温控制策略,攻克了引进冷源与防止室内高浓度CO2外溢的技术难题,创制出基于室外冷源与空调协同调温的节能环境调控技术装备。

  植物工厂“光-温耦合节能调温”实现了以低功率的风机代替高功率的空调,以室外免费的自然冷源代替高能耗制冷系统的技术突破,大幅减少空调运行时间和系统能耗,节能率达24.6%-63.0%。

  植物工厂产出的蔬菜不仅外观整洁、一致性好、无污染和营养品质高等优点,而且还由于密闭、洁净环境,微生物污染和病虫害很少发生,无需使用农药,不用担心农药污染。但由于植物工厂采用营养液栽培,也存在硝酸盐偏高、维生素C偏低以及次生营养物质含量不高等问题。

  国际上通常在采收前利用无氮营养液或铵态氮取代硝态氮等措施,来减少蔬菜硝酸盐的累积,但这些方法往往都是以降低蔬菜产量为代价,存在明显缺陷。团队在分析植物光合生理特征时发现,光对植物体内硝酸盐、维生素C和代谢等过程具有明显的影响,尤其是可以加速硝酸盐的代谢过程。于是假设,在蔬菜采收前如果采用短期连续光照可能会减少硝酸盐含量、提升品质。经过多年的探索,团队采用红蓝光LED组合光源对收获期叶菜实施短期连续光照,发现48小时连续光照后生菜中的硝酸盐含量最低,与初始值相比,其叶片和叶柄中的硝酸盐含量分别降低了2061.1mg·kg-1和2090.3mg·kg-1,降低幅度达30%以上;可溶性糖含量最高,与初始值相比,叶片和叶柄中的可溶性糖含量分别提高了17倍和5倍;Vc含量显著提升50%以上。同时,研究中还首次发现绿光短期连续光照对蔬菜品质提升也具有重要影响。

  团队经过多年的创新研发,在植物工厂五大核心技术领域:植物光配方及LED光源创制、光-温耦合节能环境控制、营养液立体栽培、蔬菜品质调控以及多因子协同智能管控等取得了重要突破,集成创制出规模量产型、可移动型和家庭微型等系列化成套技术产品,走出了一条完全国产化的自主创新道路。“家庭低碳智能植物工厂”于2010年首次在上海世博会展出后,在国际上引起巨大影响,大大推动了微型植物工厂的产业发展;移动型植物工厂在我国南海岛礁等地应用,成功解决了部队吃新鲜菜难题,为国防事业做出了突出贡献。2016年6月3日,团队成果“智能LED植物工厂”在国家“十二五”科技创新成就展展出,受到习总等中央领导的高度评价,被赞誉为“农作方式的颠覆性技术”。目前,植物工厂正以前所未有的速度快速推进,一批批高品质蔬菜正源源不断地供给城市居民,社区、家庭、超市、饭店、商场、学校等城市的各个角落也出现了各种类型的植物工厂身影,植物工厂正在融入城市生活,成为城市无所不在的重要组成部分。

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