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未来农业科技三个突破点:植物工厂、智慧农业、功能食品
发布日期:2021-01-11 09:36 访问次数:

该文来自《光明日报》2020年12月10日16版文章《未来农业科技畅想曲》,跟随国科大现代农业科学学院科教融合办公室主任石东乔和国科大现代农业科学学院常务副院长冯锋的文字,了解农业领域中的植物工厂、智慧农业和功能食品吧。


面朝黄土背朝天——这是人们对农业的印象。

传统农业是一种资源密集型、劳动密集型产业,但科技的发展,特别是生物技术、信息技术、物流业的飞速发展,正让农业摆脱水土等资源和劳动力的束缚。

那么,未来农业什么样?

一位高一男生曾这样回答:我希望我在书房里坐着看书的时候,伸手就能从“植物屏风”里摘一颗新鲜的小西红柿放在嘴里;我还希望在家里点一点计算机或手机屏幕,就可以给庄稼浇水、施肥,给牛羊牲畜添加饲料;我再打几个电话,就能把农场里收获的粮食、水果分发到各地的超市;还有,种出让人吃了不长胖的粮食,让妈妈吃了既健康又苗条,永远年轻……

如果以专业的眼光来分析,他的这段话包含着未来农业的三个突破点:植物工厂、智慧农业、功能食品

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新华社发

植物工厂

土地是传统农业的载体和根本。但人口的持续增长、土地资源的枯竭、极端气候事件的频发,已经使传统农业的发展到了“瓶颈期”。

因此,科学家们提出了“垂直农业”的概念,也就是利用先进的种植技术,把农业向上延伸,而不是向外扩展。这来源于对植物生长机理的理解和利用——我们知道,植物生长靠太阳,它们利用太阳光进行光合作用,把空气中的二氧化碳和水转变成葡萄糖、淀粉等有机物,这样就可以长高、长大,直到开花结果,繁育后代。

垂直农业利用的就是这个原理,即在适宜的条件下,只要给植物足够的光和必需的营养,就可以实现植物的室内种植——把庄稼“种”到空中去,把一幢幢高楼大厦变成一座座农场,用车间生产的办法来生产粮食和瓜果,甚至鸡鸭鱼肉。

这种植物产品生产的工厂化农业系统,就是“植物工厂”。

植物工厂是对光、温、湿、二氧化碳及营养等生长环境条件全智能控制的植物高效稳定生产系统。目前,植物工厂是设施农业发展的高级阶段,被看成农业产业化领域的“活力股”和“潜力股”,代表着未来农业的发展方向。研究发现,只要对生长环境进行控制,就可以对植物的生长周期进行调控。通过增加光照、改变“光配方”、改善营养液成分等,就可以实现对植物生长周期和生长状态的控制。比如,生菜和小白菜在农田里栽培需要30-40天才能收获,但是在植物工厂中种植,仅需20天左右。因此,在植物工厂里,植物生长在人工王国,只要有足够的光照(能量)和营养(水分、空气、矿物质等),水果、蔬菜乃至粮食就可以“长了一茬又一茬”,几乎不受外界的天气、光照和土壤环境的影响。

植物工厂要求固定的设施,首先需要计算机和多种传感器对环境进行精确控制、测量和反馈。简单说来,就是根据不同的植物来设置温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等,还要实时测量植物的生长和生理状态,生成数据并反馈至控制系统,对环境进行动态调节。因此,植物工厂依赖的是对设施的高精度智能化控制。

研究发现,光质影响植物光合作用和光信号调节,在植物生长、表型与抗性中起重要作用,不同的植物对不同光谱的光(光质)具有偏好性。LED植物生长灯就是室内种植环境的“小太阳”,通过采用不同的LED光源,可以实现对光波和光谱的精确控制和搭配。比如,优化红光/远红光的比例,可以提高三色堇的开花数量和质量,如果想让石竹花的花青苷含量增加,花色红艳,建议增加680nm的光;而要想长出又大又肥厚的绿油油的生菜,就需要多用蓝光和红光。我国的研发人员根据植物对光环境的要求,开发出了80多种专用光配方,用以满足不同植物的生长发育需求

没有土壤,植物工厂中的植物“吃”什么?

和田野生产不同,植物工厂要求洁净的栽培空间,对某些育苗、组织培养型的植物工厂来说,甚至需要无菌培养室。在这种条件要求下,就需要以营养液来“饲喂”植物。植物工厂采用循环流动的营养液来为植物提供营养。

我们常说,萝卜青菜,各有所爱,不同的植物也有不同的“口味”和“取食偏好”。比如,叶菜类、茄瓜类、花菜类的蔬菜,对营养液的要求各不相同,食用类和药用类的植物对于营养液的成分、酸碱性、温度等也有不同的“挑剔”程度。这就要求植物工厂内对营养液进行个性化配制、灭菌、输送和回收,实时监控营养液发生的变化并自动补充和校正,确保植物时刻处于一个稳定优良的营养液环境中。

由此看来,只要做到精准的人工控制,就可以在植物工厂里实现万物生长的梦想。植物工厂技术的突破,使高楼农场、荒漠农场、太空农场、航海农场、极地农场等成为可能根据目前的技术水平,1万平方米的百层大楼可日产生菜、小白菜180吨,如果建设植物工厂,4栋大楼就能满足新加坡 600万人每年25万吨蔬菜的需求。我们也可以想象,只要在舰船上、空间站上建造规模合适的植物工厂,带上种子、水和营养物质,利用太阳能或其他清洁能源,就可以长出既新鲜又有营养的粮食、蔬菜和水果来,解决航海、航天、沙漠、极地等环境中的吃饭问题。

当然了,你也可以在自家的厨房、客厅和书房,设置功能不同、格调各异的微型植物工厂,让生活和工作更有趣味。


智慧农业


近几年来,“信息化”和“人工智能”不仅是两个使用率非常高的时髦词汇,也变成了很多行业的核心词汇和努力方向。同样地,在信息化和人工智能的共同帮助下,智慧农业离我们越来越近。

进入21世纪,我国农村人口伴随城镇化进程的加速而大量涌入城市,2011年,中国大陆的城镇人口首次超过了农村。人口分布和人口结构的改变,提出了一个很现实的问题:“谁来种地?

2016年,国务院发布《全国农业现代化规划(2016-2020年)》,指出农业的根本出路在于现代化,我国将大力推进农业现代化。近年发布的《新一代人工智能发展规划》《数字乡村发展战略纲要》《数字农业农村发展规划(2019—2025年)》等,都对农业数字化和智能化发展做出了顶层设计和系统谋划。2019年,国家支持在一些省、市、自治区开展示范,建设“农业信息高速公路”。因此,我国农业目前正处于从“以人为本”的传统农业向“以智能机械为本”的未来农业的快速转型期。“让机器来种地、管地”也成了破解“谁来种地”发展瓶颈的出路。

无人机、智能机器人、大数据技术在农业上的应用,将使农业进入数字化、精准化、网络化和智能化的智慧农业时代。我们可以把数据平台看作是智慧农业的“大脑”,它通过数据应用服务和集成系统来获取和分析数据并进行决策,从而指导农业生产。因此,未来的农民将和锄头、水泵说“拜拜”,因为他可以通过远程操作来完成从播种到收获的各个环节

毫无疑问,未来的农场将是无人农场,未来的农民将在电脑上、甚至手机上指挥各种智能机械,有条不紊地完成种庄稼、长庄稼和收庄稼的工作。

春天,无人驾驶的农机和机器人在田野里协同作业,在翻整土地的同时精准施用根据土壤成分和作物需要而制备的肥料,多机联动完成播种和育苗的各个步骤。通过无人机和各类传感器、摄像头来监测和掌握农田的水、肥、温度、作物长势、病虫害等信息,经过“大脑”处理后,针对不同的地点、农作物、甚至不同的植株,形成特异的工作方案,通过远程控制实现按需灌溉、准确施肥以及病虫害精准生物防治。

秋天,到了收获的季节,自动化设备可以提前喷施落叶剂,并在采收的同时加以生物保鲜处理并打包,转入流通环节,进入农业物联网,使优质、安全、绿色的农产品及时出现在人们的餐桌上。

和传统农业相比,以数字科技为支撑的未来农业将是集约化、规模化、环境友好型的高效农业,是一场翻天覆地的生产方式变革。因此,农业成了蓬勃向上的朝阳产业,未来的农场是无污染绿色生态农场,农民也将成为人人羡慕的职业。


功能食品


随着人民生活水平的提高,人们不再满足于吃饱肚子,而更注重于摄取绿色、健康的食品。生物技术的发展促进了农业和健康产业的结合,一来科学技术不断解析食品成分、膳食结构和营养条件与人体健康的关系,使人们了解怎样通过“吃”来增强体质、提高免疫力;二来现代生物技术使培育具有特殊功能的植物成为可能,育种技术和栽培技术的提高,可以实现农产品定量富集某些营养成分或功能性物质,引领未来农业向功能性农业发展,生产优质、营养和具有某些特殊功能的食品,也常被称为功能农产品。

根据功能食品的消费群体,可以把功能食品分为一般性功能食品和特殊性功能食品。

一般性功能食品的着眼点是营养和保健,针对健康消费群体。促进营养均衡、增加膳食纤维、调节机体生理状态、提高免疫力等,往往通过食用一般性功能食品而实现比如α-亚麻酸(ALA)属于Omega-3系列多不饱和脂肪酸,是机体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)的合成前体,对健康至关重要,但是人体不能自身合成α-亚麻酸,α-亚麻酸在我们的日常食物中含量也很低。

因此科学家将目光投向一些特殊植物资源,比如牡丹。牡丹一共有9个野生种,全部起源于中国。牡丹花国色天香,被视为我们的国花,但是你也许不知道,某些油用牡丹品种的种子含有大量的油脂,其中α-亚麻酸的含量尤为可观。据测算,油用牡丹籽亩产200kg左右,含油率20%以上,其中不饱和脂肪酸含量高达92%,特别是α-亚麻酸的含量达43%。因此,牡丹油即是一类可以预防心血管疾病的保健食用油。

再比如被称为“粮食之母”的藜麦,是唯一一种单体植物即可大体满足人体基本营养需求的食物。锌和硒是人体必需的微量元素,可以增强免疫力、改善视力、提高注意力,并减少疲劳感,目前已经用传统育种或生物工程的方法培育出了富含锌和硒的大米,可供脑力劳动者食用。

我国植物资源丰富,枸杞、莲子、人参等药用资源种类繁多,这些植物不仅具有很高的药用价值,而且还可以直接拿来或者经过选育和改造后作为“药食同源”的保健食品服务于大众。

为特殊人群生产特异功能食品一直是科学家们努力的方向。有数据显示,中国人的平均体重超过了其他很多国家,中国也成为世界上“最胖”的国家之一。肥胖症、糖尿病、高血压、高血脂等“富贵病”也越来越常见,为此大家总在问,有没有让人吃了不发胖的食物?可不可以给糖尿病患者生产特殊的粮食?富含高抗性淀粉的谷物是一个有效的解决途径,也是国内外作物育种和功能食品研究的热点。

我们知道,大米、面粉、玉米面的主要成分是淀粉,比如在小麦种子中,淀粉含量占胚乳重量的80%以上。我们吃的淀粉首先被淀粉酶水解,逐级消化产生寡糖、葡萄糖,直接被人体利用或者以糖原的形式存储在肝脏。而抗性淀粉主要存在于高直链、低支链淀粉颗粒中,被称为“抗酶解淀粉”或“难消化淀粉”,人吃下后难以快速消化,有助于保持血糖水平的恒定,还具有膳食纤维的功能,促进肠胃蠕动,增加锌、钙、镁离子的吸收,不仅可以促进人体健康,还是糖尿病和肥胖症患者的理想口粮

基因组学研究、分子设计育种、基因编辑技术、合成生物学技术、野生种质资源挖掘和植物栽培技术的飞速发展,已经为科学家们提供了制造更健康的食品和培育更多功能农产品的技术、方法和材料。

随着对基因和分子模块功能的深入研究,某些农作物的育种过程也越来越像模块玩具的“插件拼装”过程,而合成生物学和基因编辑技术,不仅可以将植物体原本不存在的合成代谢途径导入植物,还可以实现野生资源的快速驯化,因此,在多种分子生物研究技术的加持下,将不同的优良性状结合起来,培育出高产、抗逆、绿色、营养、具有特种功能的新品种,满足不同消费者需要,已慢慢成为农业生产的现状

人们常说,没有做不到,只有想不到。试问,你想要什么样的高颜值、富营养、口感佳的农产品?

请提出来,让科学家们来为你生产!


责任编辑:曲云燕
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