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国际欧亚科学院院士杨其长:作物快速育种、工厂化、城市化是垂直农业关键拓展方向

作者:张玉洁 2023-10-04 10:24

近日,2023未来农业产业发展大会成功举办。设施园艺工程专家杨其长在大会上作了题为“垂直农业现状与发展趋势”的主题分享。

 

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(设施园艺工程专家杨其长分享)

 

人物简介

 

杨其长,设施园艺工程专家,中国农业科学院都市农业研究所首席科学家,国际欧亚科学院院士,农业农村部“都市园艺装备重点实验室”主任,科技部“中国-罗马尼亚‘一带一路’农业合作联合实验室主任。

  

 

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(设施园艺工程专家杨其长分享)

 

各位嘉宾、各位代表,大家上午好,非常荣幸能够出席2023未来农业产业发展大会,今天我的分享将从垂直农业概念、发展现状、技术进展和未来产业拓展四个方向展开。

 

垂直农业是解决未来粮食安全的关键手段之一

 

1999年,美国哥伦比亚大学教授迪克森●戴斯波米尔首次提出了垂直农业和农场的概念,发展至今,垂直农业的概念逐渐明晰,它是一种通过在人工构筑的多层立体空间内进行农业生产(动物、植物、微生物等)工厂化的高效生产方式,也是一种在多层建筑内按照垂直农业方式进行生产的高效农业系统。

 

经过研究和实践,我们认为,垂直农业将有三种具体表现形式,一是温室里的垂直立体栽培,二是人工光环境下的垂直植物工厂,三是高楼大厦里的垂直农场。通过垂直农业,耕种者可以将土地效率提升数千倍,耕地效益也将大幅提升。

 

2022年,我们发表了一篇文章,文章中指出,十层楼的垂直农场可以达到露地种植的220-600倍,因此垂直农业被认为是解决未来粮食安全的关键手段之一。

 

未来五年,世界垂直农场将进入快速发展时期

 

我们发现,垂直农业在国际学术交流中极为活跃,国际垂直农业大会(VertiFarm)每两年举办一届,第一届在荷兰Wageningen大学,第二届于今年5月在成都举办,460多人与会。

 

尽管目前关注垂直农场的专家学者很多,国内外也有大量学术研究,但真正付诸实践的还较为稀缺。近20年来,世界众多学者(更多的是建筑师)都在进行垂直农场的思考与探索,设计了数十种设计方案,今天我选取了其中四种代表设计来给大家进行分享。

 

最早的方案由设计师克里斯-雅克布和迪克森-戴斯波米尔共同设计;第二种是加拿大滑铁卢大学的高登-格拉夫设计的“空中农场”,该农场共有55层,能够利用废弃物发电,实现能源自给;第三种是比利时专家文森特-卡尔博特为纽约罗斯福岛设计的“蜻蜓垂直农场”,它共有132层,可生产水果、蔬菜、肉类、牛奶和鱼等;第四种是美国Mithun建筑设计事务所为奥斯汀市设计的“绿色工程”,它共有250万平方英尺,是由废弃水净化工厂改造而成的生态社区。

 

现阶段,世界各国都在垂直农场领域探索,这里我举几个例子来说明。美国芝加哥垂直农场就是由三层废弃厂房改造而成,甚至可以在空闲区域养育;日本东京的垂直农场由办公/生产一体化的六层楼构成,他们所用的菜都是自己种植的,每次插秧收获的时候都要求有名人到场,尤其是首相要参与相关活动。

 

十年前我们还给英国设计了相关方案,该方案主要利用太阳能、地能技术,同时将自然光和人工光结合起来共同生产食物;德国洪堡大学的垂直农场是菜-鱼-虫一体化的生态循环方案,这是在我一个月前去洪堡大学交流时得知的;中国的垂直农场则比较有名了,在湖北、广西、北京、四川等地都有着楼房养猪的实体方案。

 

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(设施园艺工程专家杨其长分享)

 

根据MIT预测,未来五年世界垂直农场将进入快速发展期,平均年增长率超10%。其中北美地区的垂直农业市场规模最大,亚太地区的垂直农业发展速度则相对最快。

 

降低成本、提升产能是垂直农场的关键发展所在

 

与露地种植和温室种植相比较,减少能耗和劳动力成本是垂直农业技术突破的核心,而如何实现盈利则是现阶段垂直农业发展面临的首要任务。因此我们要尽可能地实现高效生产,同时也需要最大化提高能源与资源利用效率,减少消耗和运行成本。

 

对此,我们可以通过全流程的自动化、智能化、甚至是无人化的技术,减少劳动力使用。在我们的案例中,超高层植物工厂全流程无人作业关键技术已经取得突破,并且创制了全球首个栽培层达20层的垂直无人植物工厂,已将人工成本缩减至最低。

 

此外,提升光效、能效也是减少成本的关键手段之一。目前光能转化效率较低,生长一公斤的蔬菜需要7-10度电,但如果合理利用植物光配方、LED光和激光等技术手段,便能大幅度降低光的能耗。根据实验数据显示,LED聚集照射技术可以使植株从幼苗到收获期高度、直径等参数不断增加,光源也能够根据植株大小调整照射范围(聚光照射),减少50.6%的能耗。

 

除上述两种方法外,营养液栽培及其品质调控技术也是垂直农业的技术核心之一,我们可依据矿质营养学说进行智慧管控。对此,我们重点实验了生菜营养液硒元素吸收与红光的比例关系,我们发现合理提升红光比例能够促进生菜富硒。

 

作物快速育种、工厂化和城市化是主要拓展方向

 

关于垂直农业产业的拓展方向,我认为有以下几方面:

 

一是作物快速育种。前几年我们做了一个很有意思的研究,水稻在原来大田环境下,需要120天以上才能收获,但在垂直农业生态或者植物农业生态中,63天即可获收,该创新方向可为水稻、小麦、玉米、大豆等粮食作物快繁提供新的有效途径,实现一年繁育5-6代,为快速育种提供手段。

 

二是垂直牧草(大麦草、苜蓿等)工厂化生产。此前,我了解到中国非常缺牧草,在垂直农业中,大麦草6-8天即可以收获,这能够有效解决牧草供应不足的痛难点问题。

 

三是垂直农业走向城市。根据实验数据显示,在城市社区构建垂直农场中,30层大楼的垂直蔬菜生产农场每年可产出蔬菜1.08万吨,能够满足4万人的蔬菜供给。目前垂直农业已经进入城市生活的各个角落,社区、家庭、学校、餐厅等均有所涉及,也非常欢迎大家到成都实地参观中国农科院都市所垂直农场。

注:文中如果涉及35斗记者采访的数据,均由受访者提供并确认。

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