立體栽培架、LED燈光環(huán)境調(diào)控、精準(zhǔn)營養(yǎng)供給……大田中需要120天才能成熟的水稻，在位于成都的植物工廠中，只需要60天就可以收獲。這是我國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所植物工廠創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，與我國水稻研究所錢前團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)的一項(xiàng)新成果，據(jù)介紹，這一突破，將傳統(tǒng)大田環(huán)境下120天以上的水稻生長周期縮短了一半，為加速作物育種提供了新的技術(shù)途徑。
植物工廠中種植的水稻。受訪者供圖
植物工廠里的水稻
7月中旬，位于成都的我國農(nóng)科院都市農(nóng)業(yè)研究所所屬的植物工廠中，四層的立體栽培架成排地豎立在廠房中，每一層架子上，都種滿了成熟的水稻。
科研人員將栽培板去除，一塊塊收割不同品種的矮桿水稻，其中有兩個(gè)品種表現(xiàn)出高產(chǎn)的特性，單層栽培架的綜合產(chǎn)量達(dá)到每平方米0.98公斤，相當(dāng)于畝產(chǎn)650多公斤。這些水稻，從育苗到收割，僅僅用了63天。同樣品種的水稻，在室外大田中，則需要120天才能收獲。
植物工廠栽培的水稻，從育苗到收割僅用63天。受訪者供圖
只有原來一半的時(shí)間，這些水稻是怎樣長成的？研究團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家、都市所研究員楊其長告訴發(fā)文人，實(shí)驗(yàn)中種植的水稻，是由我國農(nóng)科院水稻研究所錢前院士團(tuán)隊(duì)提供的矮桿品種，這些品種適合在立體栽培架上栽培，但在大田中，她們的生長周期和其他水稻差不多，都需要120天左右。
“實(shí)現(xiàn)60天收獲的核心，是改變原來靠天吃飯的模式，將水稻生育期中的各個(gè)環(huán)節(jié)加以精準(zhǔn)控制，”楊其長說，“通過人工環(huán)境下的浸種、催芽及其快速發(fā)芽，苗期LED精準(zhǔn)供光，定植后根據(jù)不同生育階段的作物需求，進(jìn)行環(huán)境與營養(yǎng)的優(yōu)化調(diào)控，大幅提升光合速率，并通過誘導(dǎo)提早抽穗開花、促進(jìn)水稻快速結(jié)實(shí)，大幅縮短生育周期，實(shí)現(xiàn)快速收獲。”
植物工廠是什么樣的？
完成這些精準(zhǔn)控制的，是一整套完整的水稻工廠化栽培技術(shù)及相應(yīng)的設(shè)備。楊其長介紹，“如立體栽培系統(tǒng)，這是一套包括四層立體栽培架、深液流栽培槽、營養(yǎng)液循環(huán)供給設(shè)備等多種設(shè)備的系統(tǒng)。再如智能LED人工光源系統(tǒng)、溫濕度二氧化碳控制系統(tǒng)以及環(huán)境與營養(yǎng)智能管控系統(tǒng)等，可以精準(zhǔn)控制光線、溫度、濕度、二氧化碳等，保證任何時(shí)候，都是最適宜水稻生長的。還有深液流水培技術(shù)，精準(zhǔn)供給作物營養(yǎng)、基于水稻光配方的LED光環(huán)境調(diào)控技術(shù)、環(huán)境與營養(yǎng)精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)等，以保障水稻不同生育階段的環(huán)境與營養(yǎng)需求”。
水稻工廠化栽培采用LED人工光源系統(tǒng)。受訪者供圖
相比多變且不可測的自然環(huán)境，在植物工廠中，全程精準(zhǔn)控制的栽培體系，使得水稻任何時(shí)候都處在最佳的生長環(huán)境中，這成為水稻快速收獲的主要原因。“傳統(tǒng)稻田種植模式是在大田開放式條件下進(jìn)行生產(chǎn)，受自然環(huán)境影響大，環(huán)境與營養(yǎng)均可不控，生育周期相對較長。植物工廠環(huán)境下的種植方式，可完全擺脫外界自然環(huán)境的影響，環(huán)境與營養(yǎng)精準(zhǔn)可控，大幅縮短生育周期、顯著提升作物產(chǎn)量。”楊其長說。
為何要工廠化種植
工廠化種植在蔬菜中較為常見，楊其長告訴發(fā)文人，在糧食作物中，多數(shù)工廠化栽培的研究，多集中在利用溫室或人工氣候室，進(jìn)行糧食作物的加代育種試驗(yàn)，或進(jìn)行作物某一個(gè)生育階段的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。“至于進(jìn)行糧食作物全生育期的栽培試驗(yàn)，所見還是比較少的。”
楊其長介紹，植物工廠環(huán)境下水稻全生育期的栽培試驗(yàn)，探索作物不同生育階段的環(huán)境營養(yǎng)需求，研究水稻快速生長以及工廠化生產(chǎn)的技術(shù)途徑，尤其是水稻的豎向多層立體栽培以及不同生育階段機(jī)械化技術(shù)的探究，在國際上尚屬首次。
為何要將水稻搬到工廠中？楊其長介紹了該研究的初衷，“一是想利用植物工廠環(huán)境與營養(yǎng)精準(zhǔn)可控的技術(shù)優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)育種受地域、季節(jié)、氣候等因素的制約，實(shí)現(xiàn)一年六代以上的迭代加速育種；二是想探索一下工廠化條件下進(jìn)行糧食作物種植的新模式，通過豎向多層種植使食物產(chǎn)能呈幾何級數(shù)增長，為未來保障糧食安全提供新的技術(shù)途徑。”
未來能吃到工廠種植的大米嗎？
在蔬菜生產(chǎn)中，工廠化種植已有不少經(jīng)驗(yàn)，各地都有不少實(shí)踐者。
此次實(shí)驗(yàn)成功的工廠化水稻種植，是否可以推廣？在未來，人們可以吃到工廠中種植的大米嗎？楊其長告訴發(fā)文人，植物工廠技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但植物工廠種植水稻這一模式才剛剛起步。未來的推廣可以有兩個(gè)方向，一是可廣泛用于加速育種。采用植物工廠進(jìn)行加速育種可不受土地、空間和氣候條件的約束，甚至可以就近建在實(shí)驗(yàn)樓或育種單位附近，一年四季均可進(jìn)行加代育種，大大節(jié)省育種工作者的時(shí)間成本和旅行成本。“在加速育種方面，相當(dāng)于為育種家提供了一個(gè)超級加速平臺(tái)，使育種周期大幅縮短，完全可以快速推廣。”楊其長說。
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，植物工廠相對更高的設(shè)施成本、能耗、技術(shù)要求，目前仍未完全解決，“加上水稻價(jià)值相對較低，大規(guī)模推廣有一定的難度。但這種模式為未來解決食物安全提供了一種新的方式與途徑。隨著未來都市農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展以及低成本能源的廣泛使用，采用工廠化方式生產(chǎn)糧食也是有可能的。”楊其長說。
發(fā)文人 周懷宗
編輯 張樹婧 校對 陳荻雁
