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农科讲坛2016年第5期即将开谈

杨其长讲述农作方式革新—智能LED植物工厂

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    2016年第5期农科讲坛将于9月22日(星期四)下午2:00在国家农业图书馆报告厅举行。本期农科讲坛特邀中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所二级研究员、博士生导师,中国农科院设施植物环境工程创新团队首席科学家杨其长开讲“农作方式革新—智能LED植物工厂”。敬请关注。
 
    杨其长,男,1963年8月出生,安徽无为人,我国植物工厂的奠基人。现任中国农科院农业环境与可持续发展研究所二级研究员、博士生导师,院学术委员会委员、设施植物环境工程创新团队首席科学家,兼任农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室主任,国际园艺学会温室工程专业委员会主席,2017年国际设施园艺大会主席。1996年3月获中国农业大学生物环境工程专业博士学位,2005.04~2006.04荷兰瓦赫宁根大学访问学者,2013.10~2014.01美国亚利桑那大学高级研究学者。
    杨其长研究员一直从事“设施园艺环境工程”领域的研究,在植物工厂与温室节能工程等方面进行了多项开创性工作。先后主持国家863计划、自然科学基金等课题30余项,发表论文187篇,主编著作7部,授权专利100余件,获国家科技进步二等奖、中国专利金奖以及各类科技成果奖励13项,并获得农业部中青年有突出贡献专家、国务院政府特殊津贴专家、百千万人才国家级人选、全国农业科研杰出人才等称号。带领团队入选农业部创新团队、中国农科院2008-2013年度先进集体、中华农业科技奖创新团队奖。
    作为我国植物工厂高技术研究的倡导者,2002年以来率领团队先后攻克植物工厂光配方及LED光源创制、光-温耦合节能环境控制、营养品质调控以及智能化管控等重大关键技术,并形成了具有自主知识产权的植物工厂技术体系,使我国成为继日本、美国、荷兰等国之后少数掌握植物工厂高技术的国家之一。2016年6月,“智能LED植物工厂”成果亮相国家“十二五”科技创新成就展,受到习近平等党和国家领导人以及社会各界的高度关注和广泛赞誉。


他为农作物打造一个天堂
---记不忘初心的梦想实践者杨其长研究员

 
    在电影《火星救援》中,身为植物学家的主人公马克在极其恶劣的环境中种出了自给自足的土豆,虽然历经艰难,但土豆在火星上欣欣向荣生长的镜头让影迷感动之余又充满惊叹。然而,影迷眼中不可思议的事情并非科幻,在设施农业科学家们看来,这其实是植物工厂的概念延展,是他们毕生所追求的事业。杨其长就是这项伟大事业的先驱者,让农作物以非传统耕作方式种植,一直是杨其长的梦想。
    杨其长,博士,中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所二级研究员,农业环境工程研究室主任,博士生导师,兼任国际园艺学会(ISHS)温室工程专业委员会主席,农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室主任,中国农业科学院学术委员会委员,中国农业科学院农业科技创新工程设施植物环境工程创新团队首席科学家。先后主持承担国家“863”计划和国家自然科学基金等项目40余项,获得国家科技进步二等奖1项、中国专利金奖1项,发表论文100余篇,获授权专利100余件,荣获“百千万人才工程”国家级人选、农业部有突出贡献中青年专家、全国优秀农业科技工作者、全国农业科研杰出人才等称号。
    “现在中国最辛苦的还是农民,我们农业科研人员要真真切切的为农民干点事”,这是杨其长心底深藏的情怀。千百年来,农民一直梦想着能够在不受气候干扰的条件下进行耕作,在理想的环境中按照自己的意愿去生产和收获,农产品甚至可以在程序化的流水线上源源不断地产出。杨其长一直致力于这项伟大的梦想,希望有朝一日为农民圆梦。
    梦想点燃了一个人生命的希望和热情,梦想催动了一个人奋起战斗的勇气和决心,梦想激扬着一个人无视眼前的任何困难,梦想鼓舞着一个人百折不挠,永不放弃!这,就是梦想的力量!
    梦想开花的日子
    今年6月初,国家“十二五”科技创新成就展上,杨其长所率领的设施植物环境工程团队自主研发的智能LED植物工厂一经亮相,便吸引了众多眼球。更令人欣喜的是,该成果还得到习近平等党和国家领导人的高度评价。
    智能LED植物工厂依托中国农业科学院农业科技创新工程和国家“863”计划项目研制而成,被誉为“土地利用和农作方式的颠覆性技术”,可大幅提高作物产能,是21世纪解决人口、资源、环境问题的重要途径。
    植物工厂果真有这么神奇么?就像神话故事里的大罗神仙,吹口仙气就能让万物复苏,凡事尽在掌控之中。杨其长说,植物工厂的秘诀就在于几乎不依赖外界环境影响而掌控植物生长。
    通俗来讲,植物工厂是在封闭环境下通过设施内的高精度控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统,是由计算机对植物生育过程的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境要素进行全天候控制,不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式。杨其长说,农业生产的科学本质其实就是植物通过光合作用来为人类生产碳水化合物的一个过程。智能LED植物工厂就是遵循这个科学原理,根据不同作物对营养和光照等环境要素的需求,对“工厂”内环境与营养要素进行实时自动调配,精准供给植物,以确保植物健康生长,这样就实现了不用土、不用阳光,可实现任何时间、任何地点的植物智能化生产。
    随着智能化植物工厂的神秘面纱被揭开,杨其长颇为兴奋地介绍,作为一种全新的生产方式,植物工厂的技术优势主要表现为:一是作物生产计划性强,可在不受外界环境影响的条件下,实现周年均衡生产;二是单位面积产量高,可大幅提高资源利用效率,产量可达露地自然栽培的几十倍甚至100倍,用水量却不到5%;三是机械化、自动化程度高,劳动强度低,工作环境舒适;四是不施用农药,产品安全无污染;五是多层式、立体栽培,节省土地和资源;六是不受或很少受地理、气候等自然条件影响;七是与现代生物技术紧密结合,可以生产出稀有、价高、富含营养的植物产品。因此,在太空、荒漠、戈壁、海岛、水面、摩天大楼等非耕地区域进行作物生产不再是梦。让人不禁联想,如果《火星救援》的主人公有这样的植物工厂,在外太空生存便不再堪忧。
    在杨其长眼里,植物工厂还有更大的价值所在。
    对于我国这样一个人口多、耕地少、人均资源相对不足的农业大国来说,发展植物工厂尤有重大意义。“全球人口的快速增长,可用耕地的不断减少,如何利用有限的耕地满足人们对食物日益增长的需求已经成为全球性难题;随着城市化的快速发展和人们生活水平的不断提高,人们对洁净安全农产品的需求越来越迫切;同时,农业从业人口老龄化,年轻人不愿务农的现象日趋严重,吸引年轻人务农也已经成为全球面临的重大课题。”杨其长表示,“植物工厂恰恰提供了解决上述问题的可能途径。”
同时,作为一项技术高度密集的产业,植物工厂集中体现了现代生物技术、智能装备与信息技术的最新科技成果,是目前许多发达国家农业高技术研究的热点和焦点,也是显示一个国家农业高技术水平的重要标志。在杨其长看来,植物工厂颠覆了传统的农作方式,代表了未来农业发展的方向,从这一层面来说,掌握植物工厂核心关键技术具有战略意义。“在农业的高技术竞争中,我们国家应该要掌握关键技术,才能参与激烈的国际竞争。”
梦想在童年生根发芽
    杨其长来自安徽农村,小时候与父辈们过着面朝黄土背朝天的农耕生活,繁重的体力劳动让这个自称“懒惰”的少年十分不爽。“如果有一天,全天下的农民能在轻松、愉快的环境下劳作,不必忍受烈日风霜之苦,只有丰收的喜悦”,这个梦想从儿时就在杨其长心里扎下了根,怀记在心。
    周国平曾说,梦想永远是现在式,而决非将来式。上大学时,杨其长积极响应那个年代 “农业的根本出路在于机械化” 的号召,而选择了农业机械化专业,这与他儿时的梦想不谋而合,他不断努力试图触摸梦想,为日后工作奠定了深厚的专业基础。工作以后,他不忘初心,一直从事设施农业方面的研究工作,离实现植物工厂的梦想也越来越近。
梦想与现实的博弈
    有人说,梦想绝不是梦,两者之间的差别通常都有一段非常值得人们深思的距离。
    “植物工厂的概念在世界上提出的时间较早,但是敢于碰触的人不多。”自从关注植物工厂开始,杨其长就在搜集研究资料,并把其作为科研选题的重要方向。直到2002年,他获得了科技部科学仪器设备升级改造项目“植物无糖培养环境综合调控系统”的支持,开始了密闭式人工光植物系统的研究;2004年,再次获得科技部升级改造项目“植物水耕栽培装置及其营养液自控系统”的支持,进行了水耕栽培营养液在线检测和控制系统的研究。正是这两个课题的支持,为其后来的植物工厂研究奠定了重要基础。2005年,他根据多年的积累和对国际前沿的把握,出版了国内第一部植物工厂专著《植物工厂概论》,在这部书中,他全面系统地对植物工厂的发展历程、国际动态以及相关的核心技术进行了介绍,为我国植物工厂技术突破与产业发展奠定了理论基础。 但真正意义上的植物工厂研究尚未开始。2005年4月,杨其长在国家留学基金委的资助下赴荷兰瓦赫宁根大学留学一年。
    留学期间,杨其长发现欧洲人在悄悄地从事LED光源在植物栽培系统的试验研究。通过查阅资料,他发现LED是一种非常好的节能光源,红蓝光LED组合可为植物光合作用提供理想的光谱,是未来农业与生物领域重要的人工光源。杨其长抓住了这一敏锐的信息,并且设想如果将LED用于植物工厂以替代传统的荧光灯,将是一个重要的发展方向。有了想法之后,他马上通过邮件和电话告知国内的助手们赶紧行动起来。于是,试验紧锣密鼓地展开,不到半年的时间,一座20平方米的小型植物工厂试验系统建设完毕。2006年4月,杨其长回国后,在这座小型植物工厂中先后进行了LED植物育苗、叶用蔬菜以及药用植物栽培的试验研究,取得了一大批原始数据,为LED植物工厂的应用提供了理论支撑。
    虽然在国内的试验进展比较顺利,但游学国外的杨其长明白,植物工厂系统才是核心。只有通过自主研发,攻关克难,掌握植物工厂系统各环节关键技术,才能在植物工厂领域占得一席之地。杨其长坦言,“植物工厂作为技术高度集成的农业系统,就像航天工程、磁悬浮、大飞机等技术一样,发达国家不会轻易示人。在我访问国外的植物工厂时,无论是研究单位还是生产企业,基本不让拍照,对一些核心技术更是讳莫如深,甚至有意把显示参数的屏幕遮挡起来。因此,在植物工厂这类农业高技术领域,必须依靠自主研发。”
梦想的第一片真叶
     如果说前期的小型植物工厂只是自家的试验品,就像一粒种子刚刚发出鹅黄色的嫩芽。而走出实验室的植物工厂,就像已经成长起来的植株,有了第一片真叶,便有了更加顽强的生命力。
    2009年,是载入中国植物工厂发展历史并值得纪念的一年。9月,国内第一例智能型植物工厂研制成功,标志着我国在植物工厂领域已经取得重大技术突破,成为世界上少数掌握植物工厂高技术的国家。该成果首次亮相于第七届中国国际农产品交易会与第八届中国长春国际农业食品博览(交易)会,于开幕式一周前才宣告成功。杨其长说,团队接到这个任务时离博览会开幕不到5个月,时间紧、任务重,而且又是第一次把实验室的成果搬到生产实际中,面积还要扩大十倍,困难可想而知。在原有基础上,团队决定采取总体设计、分头施工的思路,边施工、边优化修改方案。直到会前一周,系统各部分安装调试完毕,栽培槽中的蔬菜长势喜人、育苗床上的种苗整齐健壮,国内第一例智能型植物工厂终于宣告建成。
    首例智能型植物工厂建筑面积200平方米,由育苗工厂和蔬菜工厂两部分组成。该植物工厂的核心技术包括节能LED光源、制冷-加热双向调温控湿、光照-CO2耦联光合调控、空气均匀循环与流通、营养液(EC、pH、DO和液温等)在线检测与控制、立体栽培、图像信息传输、环境数据采集与自动控制等13个相互关联的控制子系统,可实时对植物工厂的温度、湿度、光照、气流、CO2浓度以及营养液等环境要素进行自动监控,实现智能化管理,所栽培的叶用莴苣从定植到采收仅用18-20天时间,比常规栽培周期缩短40%,单位面积产量为露地栽培的25倍以上,且产品清洁无污染,商品价值高。
    经过不懈努力,该技术成果目前已推广到北京、上海、山东等20多个省区,以及南海岛礁等设施蔬菜生产基地。
硕果累累,成就梦想
    杨其长介绍,我国首次提出植物工厂“光配方”及“光-温耦合”智能管控等创新概念,并先后取得基于“光配方”的LED光源创制、光-耦合节能环境控制、蔬菜营养品质调控以及基于物联网的植物工厂智能化管控等技术的重大突破,实现了一批具有自主知识产权核心成果的规模化应用,使我国成为继美国、日本、荷兰等之后少数掌握植物工厂技术的国家。
    令人振奋的是,我国的植物工厂开始走向国际。2012-2015年度连续举办4期植物工厂技术国际培训班,20多个国家的学员接受了系统的植物工厂训练;基于光配方的植物LED光源产品已推广到美国、日本、欧洲等国际市场;植物工厂成套产品已推广到新加坡等国。
面向未来的挑战
    植物工厂虽然拥有众多优势以及广泛的社会需求,但在实际发展过程中也面临着一些“瓶颈”。杨其长说,植物工厂普及和推广的核心是工业产品化,从目前来看,植物工厂标准化、模块化装备的研发方面还有待提高。在研发力量方面,目前参与研究的主要是科研单位、高校和中小企业,“希望未来有中国的大企业能积极参与其中,只有实现植物工厂标准化、规模化生产,才能在国际竞争中赢得地位。”在经济效益方面,与露地、大棚相比,植物工厂由于初期建设成本高、能耗大等原因,总体上单位生产成本还相对偏高,仍需进一步降低成本。
    杨其长认为,随着“一带一路”战略的推进,未来植物工厂有望像中国高铁等高技术一样,实现技术装备的出口。“国家应该及时出台配套政策,使植物工厂尽快形成新的产业和产能”,杨其长对植物工厂未来的应用前景充满信心,他表示,“未来植物工厂可能也是代表中国的符号之一”。
有艺术气质的理工科博士
    对杨其长的专访一直在有序地进行,氛围既不紧张也不轻松,因为这位理工科博士聊起专业的话题总是高度认真与严谨。然而,访谈最后的一个话题,却让记者意外看到了这位科学家的另一面。抛开专业知识,聊起个人爱好,杨其长竟哈哈大笑起来,生活中他其实是一个温文尔雅、落落大方的人。他的爱好秉持静若处子,动如脱兔的哲学观,这是他引以为豪的。杨其长坚持羽毛球运动30年,一般每周二、周五都会与俱乐部球友约球,今年他拿了全院双打亚军,去年是季军,历史最好成绩拿过冠军。他认为,“注意锻炼,保持良好的精神状态和体能才能更好地搞研究。运动与科研并不冲突”。但是,提起另一项喜好就不得不在时间上做出取舍。杨其长对书法非常热爱,研究生期间还曾萌生过读书法艺术博士的念头。他现任中央国家机关书法协会理事、农业部书法协会常务理事,主要钻研行书和行草体,在书法艺术上造诣深厚。杨其长说,“现在绝对不敢轻易写书法,我干事很认真,一幅作品要在脑海里构思良久,一旦投入,就拔不出来,时间久了就耽误搞科研,书法演练还是留到退休以后吧”。
    记得有位女科学家曾说,退休以后要成为广场舞一霸。科学家们将最好的年华投入到繁重的科研生活中,个人的兴趣爱好往往只能冷藏,做出取舍。舍得之间,浇灌梦想的花蕾。
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