未來農(nóng)業(yè)：植物工廠、智慧農(nóng)業(yè)

未來農(nóng)業(yè)爆破點(diǎn)：植物工廠、智慧農(nóng)業(yè)、功能食品?植物工廠土地是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的載體和根本。但人口的持續(xù)增長(zhǎng)、土地資源的枯竭、極端氣候事件的頻發(fā)，已經(jīng)使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展到了“瓶頸期”。因此，科學(xué)家們提出了“垂直農(nóng)業(yè)”的概念，也就是利用先進(jìn)的種植技術(shù)，把農(nóng)業(yè)向上延伸，而不是向外擴(kuò)展。這來源于對(duì)植物生長(zhǎng)機(jī)理的理解和利用——我們知道，植物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，它們利用太陽(yáng)光進(jìn)行光合作用，把空氣中的二氧化碳和水轉(zhuǎn)變成葡萄糖、淀粉等有機(jī)物，這樣就可以長(zhǎng)高、長(zhǎng)大，直到開花結(jié)果，繁育后代。植物工廠垂直農(nóng)業(yè)利用的就是這個(gè)原理，即在適宜的條件下，只要給植物足夠的光和必需的營(yíng)養(yǎng)，就可以實(shí)現(xiàn)植物的室內(nèi)種植——把莊稼“種”到空中去，把一幢幢高樓大廈變成一座座農(nóng)場(chǎng)，用車間生產(chǎn)的辦法來生產(chǎn)糧食和瓜果，甚至雞鴨魚肉。這種植物產(chǎn)品生產(chǎn)的工廠化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，就是“植物工廠”。植物工廠是對(duì)光、溫、濕、二氧化碳及營(yíng)養(yǎng)等生長(zhǎng)環(huán)境條件全智能控制的植物高效穩(wěn)定生產(chǎn)系統(tǒng)。植物工廠目前，植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級(jí)階段，被看成農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的“活力股”和“潛力股”，代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。研究發(fā)現(xiàn)，只要對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行控制，就可以對(duì)植物的生長(zhǎng)周期進(jìn)行調(diào)控。通過增加光照、改變“光配方”、改善營(yíng)養(yǎng)液成分等，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)周期和生長(zhǎng)狀態(tài)的控制。比如，生菜和小白菜在農(nóng)田里栽培需要30-40天才能收獲，但是在植物工廠中種植，僅需20天左右。因此，在植物工廠里，植物生長(zhǎng)在人工王國(guó)，只要有足夠的光照（能量）和營(yíng)養(yǎng)（水分、空氣、礦物質(zhì)等），水果、蔬菜乃至糧食就可以“長(zhǎng)了一茬又一茬”，幾乎不受外界的天氣、光照和土壤環(huán)境的影響。植物工廠植物工廠要求固定的設(shè)施，首先需要計(jì)算機(jī)和多種傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行精確控制、測(cè)量和反饋。簡(jiǎn)單說來，就是根據(jù)不同的植物來設(shè)置溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等，還要實(shí)時(shí)測(cè)量植物的生長(zhǎng)和生理狀態(tài)，生成數(shù)據(jù)并反饋至控制系統(tǒng)，對(duì)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。因此，植物工廠依賴的是對(duì)設(shè)施的高精度智能化控制。研究發(fā)現(xiàn)，光質(zhì)影響植物光合作用和光信號(hào)調(diào)節(jié)，在植物生長(zhǎng)、表型與抗性中起重要作用，不同的植物對(duì)不同光譜的光（光質(zhì)）具有偏好性。植物工廠LED植物生長(zhǎng)燈就是室內(nèi)種植環(huán)境的“小太陽(yáng)”，通過采用不同的LED光源，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波和光譜的精確控制和搭配。比如，優(yōu)化紅光/遠(yuǎn)紅光的比例，可以提高三色堇的開花數(shù)量和質(zhì)量，如果想讓石竹花的花青苷含量增加，花色紅艷，建議增加680nm的光；而要想長(zhǎng)出又大又肥厚的綠油油的生菜，就需要多用藍(lán)光和紅光。我國(guó)的研發(fā)人員根據(jù)植物對(duì)光環(huán)境的要求，開發(fā)出了80多種專用光配方，用以滿足不同植物的生長(zhǎng)發(fā)育需求。沒有土壤，植物工廠中的植物“吃”什么？植物工廠和田野生產(chǎn)不同，植物工廠要求潔凈的栽培空間，對(duì)某些育苗、組織培養(yǎng)型的植物工廠來說，甚至需要無菌培養(yǎng)室。在這種條件要求下，就需要以營(yíng)養(yǎng)液來“飼喂”植物。植物工廠采用循環(huán)流動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)液來為植物提供營(yíng)養(yǎng)。我們常說，蘿卜青菜，各有所愛，不同的植物也有不同的“口味”和“取食偏好”。比如，葉菜類、茄瓜類、花菜類的蔬菜，對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的要求各不相同，食用類和藥用類的植物對(duì)于營(yíng)養(yǎng)液的成分、酸堿性、溫度等也有不同的“挑剔”程度。這就要求植物工廠內(nèi)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行個(gè)性化配制、滅菌、輸送和回收，實(shí)時(shí)監(jiān)控營(yíng)養(yǎng)液發(fā)生的變化并自動(dòng)補(bǔ)充和校正，確保植物時(shí)刻處于一個(gè)穩(wěn)定優(yōu)良的營(yíng)養(yǎng)液環(huán)境中。植物工廠由此看來，只要做到精準(zhǔn)的人工控制，就可以在植物工廠里實(shí)現(xiàn)萬物生長(zhǎng)的夢(mèng)想。植物工廠技術(shù)的突破，使高樓農(nóng)場(chǎng)、荒漠農(nóng)場(chǎng)、太空農(nóng)場(chǎng)、航海農(nóng)場(chǎng)、極地農(nóng)場(chǎng)等成為可能。根據(jù)目前的技術(shù)水平，1萬平方米的百層大樓可日產(chǎn)生菜、小白菜180噸，如果建設(shè)植物工廠，4棟大樓就能滿足新加坡600萬人每年25萬噸蔬菜的需求。我們也可以想象，只要在艦船上、空間站上建造規(guī)模合適的植物工廠，帶上種子、水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，利用太陽(yáng)能或其他清潔能源，就可以長(zhǎng)出既新鮮又有營(yíng)養(yǎng)的糧食、蔬菜和水果來，解決航海、航天、沙漠、極地等環(huán)境中的吃飯問題。智慧農(nóng)業(yè)近幾年來，“信息化”和“人工智能”不僅是兩個(gè)使用率非常高的時(shí)髦詞匯，也變成了很多行業(yè)的核心詞匯和努力方向。同樣地，在信息化和人工智能的共同幫助下，智慧農(nóng)業(yè)離我們?cè)絹碓浇?。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)農(nóng)村人口伴隨城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速而大量涌入城市，2011年，中國(guó)大陸的城鎮(zhèn)人口首次超過了農(nóng)村。人口分布和人口結(jié)構(gòu)的改變，提出了一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問題：“誰來種地？”智慧農(nóng)業(yè)2016年，國(guó)務(wù)院發(fā)布《全國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃（2016-2020年）》，指出農(nóng)業(yè)的根本出路在于現(xiàn)代化，我國(guó)將大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。近年發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》《數(shù)字鄉(xiāng)村發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃（2019—2025年）》等，都對(duì)農(nóng)業(yè)數(shù)字化和智能化發(fā)展做出了頂層設(shè)計(jì)和系統(tǒng)謀劃。2019年，國(guó)家支持在一些省、市、自治區(qū)開展示范，建設(shè)“農(nóng)業(yè)信息高速公路”。因此，我國(guó)農(nóng)業(yè)目前正處于從“以人為本”的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向“以智能機(jī)械為本”的未來農(nóng)業(yè)的快速轉(zhuǎn)型期。“讓機(jī)器來種地、管地”也成了破解“誰來種地”發(fā)展瓶頸的出路。智慧農(nóng)業(yè)無人機(jī)、智能機(jī)器人、大數(shù)據(jù)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，將使農(nóng)業(yè)進(jìn)入數(shù)字化、精準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的智慧農(nóng)業(yè)時(shí)代。我們可以把數(shù)據(jù)平臺(tái)看作是智慧農(nóng)業(yè)的“大腦”，它通過數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)和集成系統(tǒng)來獲取和分析數(shù)據(jù)并進(jìn)行決策，從而指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，未來的農(nóng)民將和鋤頭、水泵說“拜拜”，因?yàn)樗梢酝ㄟ^遠(yuǎn)程操作來完成從播種到收獲的各個(gè)環(huán)節(jié)。毫無疑問，未來的農(nóng)場(chǎng)將是無人農(nóng)場(chǎng)，未來的農(nóng)民將在電腦上、甚至手機(jī)上指揮各種智能機(jī)械，有條不紊地完成種莊稼、長(zhǎng)莊稼和收莊稼的工作。智慧農(nóng)業(yè)春天，無人駕駛的農(nóng)機(jī)和機(jī)器人在田野里協(xié)同作業(yè)，在翻整土地的同時(shí)精準(zhǔn)施用根據(jù)土壤成分和作物需要而制備的肥料，多機(jī)聯(lián)動(dòng)完成播種和育苗的各個(gè)步驟。通過無人機(jī)和各類傳感器、攝像頭來監(jiān)測(cè)和掌握農(nóng)田的水、肥、溫度、作物長(zhǎng)勢(shì)、病蟲害等信息，經(jīng)過“大腦”處理后，針對(duì)不同的地點(diǎn)、農(nóng)作物、甚至不同的植株，形成特異的工作方案，通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)按需灌溉、準(zhǔn)確施肥以及病蟲害精準(zhǔn)生物防治。智慧農(nóng)業(yè)秋天，到了收獲的季節(jié)，自動(dòng)化設(shè)備可以提前噴施落葉劑，并在采收的同時(shí)加以生物保鮮處理并打包，轉(zhuǎn)入流通環(huán)節(jié)，進(jìn)入農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，使優(yōu)質(zhì)、安全、綠色的農(nóng)產(chǎn)品及時(shí)出現(xiàn)在人們的餐桌上。和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，以數(shù)字科技為支撐的未來農(nóng)業(yè)將是集約化、規(guī)?；h(huán)境友好型的高效農(nóng)業(yè)，是一場(chǎng)翻天覆地的生產(chǎn)方式變革。因此，農(nóng)業(yè)成了蓬勃向上的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，未來的農(nóng)場(chǎng)是無污染綠色生態(tài)農(nóng)場(chǎng)，農(nóng)民也將成為人人羨慕的職業(yè)。功能食品隨著人民生活水平的提高，人們不再滿足于吃飽肚子，而更注重于攝取綠色、健康的食品。生物技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了農(nóng)業(yè)和健康產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，一來科學(xué)技術(shù)不斷解析食品成分、膳食結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)條件與人體健康的關(guān)系，使人們了解怎樣通過“吃”來增強(qiáng)體質(zhì)、提高免疫力；二來現(xiàn)代生物技術(shù)使培育具有特殊功能的植物成為可能，育種技術(shù)和栽培技術(shù)的提高，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品定量富集某些營(yíng)養(yǎng)成分或功能性物質(zhì)，引領(lǐng)未來農(nóng)業(yè)向功能性農(nóng)業(yè)發(fā)展，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)和具有某些特殊功能的食品，也常被稱為功能農(nóng)產(chǎn)品。根據(jù)功能食品的消費(fèi)群體，可以把功能食品分為一般性功能食品和特殊性功能食品。功能食品一般性功能食品的著眼點(diǎn)是營(yíng)養(yǎng)和保健，針對(duì)健康消費(fèi)群體。促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)均衡、增加膳食纖維、調(diào)節(jié)機(jī)體生理狀態(tài)、提高免疫力等，往往通過食用一般性功能食品而實(shí)現(xiàn)。比如α-亞麻酸（ALA）屬于Omega-3系列多不飽和脂肪酸，是機(jī)體必需的生命活性因子二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）的合成前體，對(duì)健康至關(guān)重要，但是人體不能自身合成α-亞麻酸，α-亞麻酸在我們的日常食物中含量也很低。功能食品因此科學(xué)家將目光投向一些特殊植物資源，比如牡丹。牡丹一共有9個(gè)野生種，全部起源于中國(guó)。牡丹花國(guó)色天香，被視為我們的國(guó)花，但是你也許不知道，某些油用牡丹品種的種子含有大量的油脂，其中α-亞麻酸的含量尤為可觀。據(jù)測(cè)算，油用牡丹籽畝產(chǎn)200kg左右，含油率20%以上，其中不飽和脂肪酸含量高達(dá)92%，特別是α-亞麻酸的含量達(dá)43%。因此，牡丹油即是一類可以預(yù)防心血管疾病的保健食用油。再比如被稱為“糧食之母”的藜麥，是唯一一種單體植物即可大體滿足人體基本營(yíng)養(yǎng)需求的食物。鋅和硒是人體必需的微量元素，可以增強(qiáng)免疫力、改善視力、提高注意力，并減少疲勞感，目前已經(jīng)用傳統(tǒng)育種或生物工程的方法培育出了富含鋅和硒的大米，可供腦力勞動(dòng)者食用。功能食品我國(guó)植物資源豐富，枸杞、蓮子、人參等藥用資源種類繁多，這些植物不僅具有很高的藥用價(jià)值，而且還可以直接拿來或者經(jīng)過選育和改造后作為“藥食同源”的保健食品服務(wù)于大眾。為特殊人群生產(chǎn)特異功能食品一直是科學(xué)家們努力的方向。有數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)人的平均體重超過了其他很多國(guó)家，中國(guó)也成為世界上“最胖”的國(guó)家之一。肥胖癥、糖尿病、高血壓、高血脂等“富貴病”也越來越常見，為此大家總在問，有沒有讓人吃了不發(fā)胖的食物？可不可以給糖尿病患者生產(chǎn)特殊的糧食？富含高抗性淀粉的谷物是一個(gè)有效的解決途徑，也是國(guó)內(nèi)外作物育種和功能食品研究的熱點(diǎn)。功能食品我們知道，大米、面粉、玉米面的主要成分是淀粉，比如在小麥種子中，淀粉含量占胚乳重量的80%以上。我們吃的淀粉首先被淀粉酶水解，逐級(jí)消化產(chǎn)生寡糖、葡萄糖，直接被人體利用或者以糖原的形式存儲(chǔ)在肝臟。而抗性淀粉主要存在于高直鏈、低支鏈淀粉顆粒中，被稱為“抗酶解淀粉”或“難消化淀粉”，人吃下后難以快速消化，有助于保持血糖水平的恒定，還具有膳食纖維的功能，促進(jìn)腸胃蠕動(dòng)，增加鋅、鈣、鎂離子的吸收，不僅可以促進(jìn)人體健康，還是糖尿病和肥胖癥患者的理想口糧。功能食品基因組學(xué)研究、分子設(shè)計(jì)育種、基因編輯技術(shù)、合成生物學(xué)技術(shù)、野生種質(zhì)資源挖掘和植物栽培技術(shù)的飛速發(fā)展，已