在军队建设光伏型“蔬菜工厂”的现实需求及应把握的关键点

周林斌，陈志雄，杨 军，张 弘

（第一储备资产管理局农副业生产处，江苏 南京 210016）

蔬菜工厂化生产是在人工控制环境的条件下，根据蔬菜的生理代谢特点及生长规律，充分利用自然资源，采用科学化、标准化的技术措施，运用机械化、自动化、智能化手段，使得蔬菜快速生长，达到优质、高效、批量的一种蔬菜生产方式。“蔬菜工厂”是生长环境条件全智能化控制的植物高效生产系统，是植物生产方式的一场革命，它颠覆传统农业生产，不依赖阳光土壤、不受气候环境制约，成为解决人口与资源矛盾、保障国家粮食安全、满足食品安全及国防战略需求的全新途径。在边防哨所等部队，因受种植、气候、运输等条件限制，难以保障新鲜蔬菜的供应，为保障官兵鲜菜供应而建设的蔬菜工厂又常因所在位置而缺少电力供应，需要解决能源供给问题，光伏发电便成为首选。光伏型蔬菜工厂是以太阳能为主要能源，通过光伏发电系统供电的一种新型植物工厂，通过在蔬菜大棚上架设光伏发电设施供应发电；同时，安装在大棚上的太阳能电池板也可起到隔绝红外线的作用，解决了传统蔬菜大棚保温、升温问题，对极端环境具有更广泛的适应性。光伏型蔬菜工厂的诞生，不仅节约了能源，而且大大拓宽了蔬菜工厂建设的地理范围，蔬菜工厂生产得以从都市走向沙漠。

为了探索在军队开展光伏型蔬菜工程运作模式及其发展路径和前景，在南京建设了光伏型蔬菜工厂示范教学工程，本文总结了该模式的技术优势、军队建设光伏型蔬菜工厂的现实需求、光伏型蔬菜工厂的技术内核，并分析了存在问题和制约因素，探究了光伏型蔬菜工厂在部队边远驻地的推广价值和发展前景。

1 我国光伏型蔬菜工厂发展情况

我国利用光伏等清洁能源进行设施农业的研究起步较晚，但近年来发展较快。从2006年中国农科院首次建成人工光利用型植物工厂系统，到2016年中国科学院植物研究所打造的大规模单体面积为10 000 m2的植物工厂投产，植物工厂越来越受到人们的关注[1]。2014年9月，国家能源局下发《关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》，直接把光伏农业的建设提上日程。经济发达国家的蔬菜生产从土地耕整到收获，大部分已实现了机械化，其蔬菜生产机械化发展特点可以概括为区域种植专业化、农艺制度标准化、棚室设施大型化、动力平台专用化、作业机具多样化、生产全程机械化，并且已向自动化、智能化、信息化方向发展。发展光伏型蔬菜工厂既播种了绿色蔬菜，又收获了清洁能源，大大提高了土地利用率，光伏蔬菜工厂的发展必将掀起中国光伏农业史上的第二次革命[2]。

近年来，我国对大型玻璃温室、水培蔬菜设施及人工光型叶菜蔬菜工厂的投资建设需求旺盛，从南到北已有多个投产和在建的大型设施项目频繁被媒体报道。2015年以来逐渐形成了具备产业雏形的几种不同商业模式，2015年12月，作为中国LED芯片大厂的福建三安集团与中国科学院植物研究所合作，共同发起成立了“福建省中科生物股份有限公司”，建设中科三安植物工厂，从光电产业跨界到“光生物”产业，成为中国LED生产企业产业化投资建设植物工厂的先例。成立于2015年的华星环球（深圳）农业有限公司以室内垂直农场为主营业务，在2016年底建成占地面积为3 000 m2，设计生产规模为日产10 000株生菜的喜萃植物工厂。陕西旭田光电农业科技有限公司，2013年3月成立于陕西省杨凌农业高新示范区，之后在全国开展人工光型叶菜工厂的自建自营和承建代营业务。蔬菜工厂产业跨界融合式发展也日渐凸显，国内先后有不少化妆品业界和生物医药提取界涉足人工光型植物工厂，以期达到利用植物工厂的高效生产达到靶向型物资生产的目的。

2 光伏型“蔬菜工厂”的技术优势

光伏型“蔬菜工厂”利用高效的LED照明技术、智能计算机和电子传感系统对植物生长的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，实现全年稳定的连续生产，下面根据光伏型“蔬菜工厂”的特点总结出以下几点技术优势。

2.1 对自然环境依赖小

光伏型“蔬菜工厂”不需要土壤，任何能盖房子的地方就能进行“蔬菜工厂”生产，且在任何自然环境下及不适宜植物生长的地方如沙漠化高温区域，都能进行生产。

2.2 全年稳定、高效、优质生产

由于光伏型蔬菜工厂不需要土壤、不依赖自然环境条件，“蔬菜工厂”内蔬菜产量和品质不会随季节和环境的变化而改变。在“蔬菜工厂”密闭生产空间内，人工光源、温度、湿度、CO2可人为控制，营造安全洁净的最佳生长环境，蔬菜生长周期短，全年365 d连续生产，产量高且稳定。以叶菜类蔬菜生产为例，就1栋10层（每层高4 m）建筑的“蔬菜工厂”而言，其产量是相同面积的传统大田的600倍。由于光与其他环境均为最适宜条件，和传统大田生产相比较，“蔬菜工厂”生产的蔬菜风味品质更好。

2.3 资源利用率高，较传统滴灌农业节水上百倍

光伏型“蔬菜工厂”中的植物是通过吸收水中的营养成分来保证植物生长的需求，大部分水可循环利用，理论上讲其水分利用效率超过90%。完全密闭的生产环境的水不会丢失在自然环境中，植物蒸腾及蒸发的水分能够通过冷凝水的形式再利用；因此，即使相对于节水的滴灌农业，其水利用效率仍可提高几十乃至上百倍。

2.4 产品质量安全有保障

传统农业杀虫剂和农药的普遍使用导致农药残留超标现象时常发生，环境污染问题越来越突出，重金属与其他污染物也成为食品卫生安全的隐患。由于“蔬菜工厂”属于洁净生产环境，采取严格控制病虫进入“蔬菜工厂”内的管理措施，让植物生长在一个无病虫的高度洁净环境内，有利于生产无农药、无重金属、无致病菌污染的蔬菜，保障产品质量安全。

2.5 有利于机械化与自动化管理

“蔬菜工厂”内的植物生长整齐一致，且面积较大，易实现机械化和自动化管理，可大幅度减少劳动力的使用；适宜的环境条件（温度与湿度）和机械化与自动化也使得整个劳动过程更轻松与舒适，使其成为吸引现代人从事农业生产的重要手段。

3 军队建设“蔬菜工厂”的现实需求

3.1 解决驻海岛、戈壁、沙漠等部队官兵吃菜难的问题

海岛、戈壁、沙漠受土地（壤）等资源的制约，很难使用常规方式进行蔬菜生产。“蔬菜工厂”采用无土栽培技术，用人工配制的营养液供给植物生长所需的各种矿物质营养，并可根据需要调节其成分，只要光照、温度适宜，便可进行蔬菜生产，可解决驻海岛、戈壁、沙漠等部队官兵吃菜难的问题。多年的实践证明，大豆、菜豆、豌豆、马铃薯、甘蓝、叶莴苣、番茄、黄瓜等作物都适合无土栽培。

3.2 解决无市电供应部队官兵吃菜难的问题

对于无市电供给的地区，采用光伏发电系统给“蔬菜工厂”供电，利用LED植物光谱技术，在净化厂房内进行蔬菜工厂化种植，一年四季可进行连续生产，可解决无市电供应部队官兵吃菜难的问题。

3.3 解决高海拔、低温寒冷地区部队官兵吃菜难的问题

由于采用自动化环境温度控制及智能化装备，保持“蔬菜工厂”室内温度常年在18～24 ℃，即使室外在-40 ℃的地区，也能进行蔬菜生产。可以建成集装箱式“蔬菜工厂”，部队换防到环境恶劣地区时其可随部队搬迁转移，及时解决部队官兵吃菜难的问题，即部队换防到哪里，集装箱式菜园就跟进到哪里，官兵吃菜有保障。

3.4 解决部队官兵驻防时间长，蔬菜需求量大的问题

在人工控制生长环境下，蔬菜生长周期短、产量高，全年可持续生产，产量超过传统栽培方式的数十倍甚至百倍以上，可充足供应部队。

4 光伏型“蔬菜工厂”的核心技术

光伏型“蔬菜工厂”核心技术包括植物照明技术、无土栽培技术、环境控制技术和智能化系统集成技术等。

4.1 人工光源

由于白炽灯、高压钠灯、荧光灯作为植物生产的光源表现出高耗能和低光效（光谱不完全有利于植物生长与发育），其已被淘汰。LED 灯作为新型光源，具有体积小、寿命长、光效高、可控性好、光谱可调（可根据植物需求定制专用光谱）和节能环保等优点，现已成为“蔬菜工厂”的理想光源。

4.2 无土栽培技术

随着科技发展，无土栽培新技术被广泛应用到现代农业设施建设中，其技术已经非常成熟，实施效果显著[3]。“蔬菜工厂”主要采用无土栽培方式（或称为植物水培技术）进行生产，即将作物生长所需的矿物质营养元素配制成一定浓度的水溶液，循环供给植物吸收利用。植物无土栽培核心技术包括适宜某种植物生长发育的专用营养液和保障植物根部有充足氧气供应的营养液溶氧控制技术，保障植物根系的旺盛活力和对矿物质养分的吸收。在水培技术中，植物吸收的矿物质养分都是离子态的，吸收更加均衡，也更有利于对环境洁净度的管控，且大部分水可循环利用。

4.3 智能化环控技术

人工智能化农业是利用物联网、大数据、云计算等现代信息技术，实现精准、高效、可持续的农业生产管理方式[4]。人机智能协作技术，集中实现了蔬菜规模化全生长周期的人机智能协作管理，对促进蔬菜种植的绿色高效可持续发展及产业升级具有重大战略意义。利用“蔬菜工厂”,人们可以创造最适宜植物生长发育的环境条件，实现作物的高产与优质生产；因此，环境控制技术成为“蔬菜工厂”的核心技术之一。“蔬菜工厂”环境控制技术是利用计算机和多种传感器装置对植物生长发育所需的温度、湿度、光照时间和CO2浓度等进行自动化控制，通过制冷与加热双向调温控湿系统、均匀送风系统、光环境调节系统、CO2增施系统、环境数据采集与自动监控系统的应用，来实现“蔬菜工厂”的全程监控及周年连续生产。

5 建设“蔬菜工厂”应把握的关键点

5.1 按需建设

经过实地调研，有的部队驻地在高原或高寒地区，全年无霜期不超过80 d、年平均气温在0 ℃以下；有的部队驻地在偏僻的海岛、戈壁、沙漠，无土壤和淡水，不通市电。这些地方采取自然种植方式难以长出蔬菜，基层官兵吃菜难，吃到新鲜蔬菜更是难上加难。建设光伏型“蔬菜工厂”生产蔬菜，可以实现一年四季不间断生产，满足部队需求。

5.2 规模适度

采用光伏型“蔬菜工厂”生产蔬菜，建设和运行成本要高于自然种植成本，生产多了容易造成浪费，生产少了满足不了官兵需求。为了解决这一矛盾，目前部队配置了班用、排用和连用“蔬菜工厂”，规定了不同的建设尺寸，从源头上杜绝了超大规模建设带来的资金浪费。

5.3 节约资源

光伏型“蔬菜工厂”主要采用太阳能供电，在安装太阳能光伏板时要综合考虑，网架离地面应在2.5 m以上，这样光伏板下可以种植耐阴植物如生姜、黄连、葡萄等，也可开挖成池塘养鱼，提高土地利用率，防止造成土地浪费。

5.4 健康环保

蔬菜栽培设备主要由栽培层架、栽培槽、定植板、植物照明灯具、营养液供排系统等组成，所用材料要达到卫生指标，要确保在高湿环境下长期使用不生锈、不腐蚀、不容易与营养液发生化学反应。绿色环保蔬菜的生产对生产环境、种植土壤、灌溉用水、生产管理过程、农药残留标准都有严格的要求[5]。应严格按照建设规范建设“蔬菜工厂”，控制各项指标，防止设备与材料对种植造成二次污染，确保“蔬菜工厂”生产的蔬菜食用安全。

5.5 人才培养

“蔬菜工厂”作为一种通过高精设备控制的细微环境，使作物能够周年生产并产生较高效益的高效农业技术，整个系统由计算机控制，温度、湿度、光照、营养液及二氧化碳的浓度等环境因素都由计算机自动控制，大大减少了人力成本，并且不受外界自然因素影响。“蔬菜工厂”是一个国家农业科技发展水平的一个标志，集合了现代工业、生物科技、营养液开发以及信息技术；因此，要有超前意识，着力培养一支熟悉设施、生态农业和生物科技专业知识的复合型人才队伍。

6 光伏型蔬菜工厂发展前景

首先，建设光伏型蔬菜工厂是蔬菜产业发展的必然趋势。光伏型蔬菜的生产是蔬菜生产方式的改革以及创新，直接或间接地影响顾客的购买率。经济愈加繁荣，人们的生活方式以及追求也会提升，对于蔬菜也会更加追求质量安全、品质优良、新鲜健康、购买快捷等。人工光伏型蔬菜工厂技术可以针对特定人群进行指向性品种生产与质量调控，必将成为未来社会为高品质生产和高收入人群提供个性化蔬菜的新型生产方式，有着美好的发展前景。第二，发展光伏型蔬菜工厂有利于规范蔬菜市场的管理。将国外的优质资源及先进的蔬菜产业技术与我国的国情及经验相结合，改进蔬菜生产技术，提高采后处理的水平，有利于加强对蔬菜市场依法治理和规范管理，较快地提高我国蔬菜产品质量。第三，发展光伏型蔬菜工厂将成为我国进行农业产业结构调整的一个重要手段。工厂化蔬菜产业结构的调整并非仅仅是蔬菜种植种类和面积比例的改变，而应立足于蔬菜产业链整体结构调整，进一步立足在种业、栽培、生产、加工、贮运、流通等领域，逐步完善蔬菜产业体系。第四，保障“菜篮子”，促进部队战斗力提升。“用兵制胜，以粮为先”，部队伙食保障是保障打赢的基础性工作，关系官兵身体健康，连着部队战斗力的生成。把农业科技最新成果应用于边防军营，对于加强军营“菜篮子”建设具有重要的战略意义。