傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是一種資源密集型、勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè),但科技的發(fā)展,特別是生物技術(shù)、信息技術(shù)、物流業(yè)的飛速發(fā)展,正讓農(nóng)業(yè)擺脫水土等資源和勞動(dòng)力的束縛。那么,未來(lái)農(nóng)業(yè)什么樣?一位高一男生曾這樣回答:我希望我在書(shū)房里坐著看書(shū)的時(shí)候,伸手就能從“植物屏風(fēng)”里摘一顆新鮮的小西紅柿放在嘴里;我還希望在家里點(diǎn)一點(diǎn)...
傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是一種資源密集型、勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè),但科技的發(fā)展,特別是生物技術(shù)、信息技術(shù)、物流業(yè)的飛速發(fā)展,正讓農(nóng)業(yè)擺脫水土等資源和勞動(dòng)力的束縛。那么,未來(lái)農(nóng)業(yè)什么樣?
一位高一男生曾這樣回答:我希望我在書(shū)房里坐著看書(shū)的時(shí)候,伸手就能從“植物屏風(fēng)”里摘一顆新鮮的小西紅柿放在嘴里;我還希望在家里點(diǎn)一點(diǎn)計(jì)算機(jī)或手機(jī)屏幕,就可以給莊稼澆水、施肥,給牛羊牲畜添加飼料;我再打幾個(gè)電話,就能把農(nóng)場(chǎng)里收獲的糧食、水果分發(fā)到各地的超市;還有,種出讓人吃了不長(zhǎng)胖的糧食,讓媽媽吃了既健康又苗條,永遠(yuǎn)年輕……如果以專業(yè)的眼光來(lái)分析,他的這段話包含著未來(lái)農(nóng)業(yè)的三個(gè)突破點(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(lái)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(kāi)花結(jié)果,繁育后代。
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(chē)間生產(chǎn)的辦法來(lái)生產(chǎn)糧食和瓜果,甚至雞鴨魚(yú)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)。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(lái)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(guò)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(shuō)來(lái),就是根據(jù)不同的植物來(lái)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。LED植物生長(zhǎng)燈就是室內(nèi)種植環(huán)境的“小太陽(yáng)”,通過(guò)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(kāi)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(kāi)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(méi)有土壤,植物工廠中的植物“吃”什么?
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(lái)說(shuō),甚至需要無(wú)菌培養(yǎng)室。在這種條件要求下,就需要以營(yíng)養(yǎng)液來(lái)“飼喂”植物。植物工廠采用循環(huán)流動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)液來(lái)為植物提供營(yíng)養(yǎng)。
我們常說(shuō),蘿卜青菜,各有所愛(ài),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。
由此看來(lái),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(wàn)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(wàn)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(wàn)人每年25萬(wàn)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(lái),解決航海、航天、沙漠、極地等環(huán)境中的吃飯問(wèn)題。當(dāng)然了,你也可以在自家的廚房、客廳和書(shū)房,設(shè)置功能不同、格調(diào)各異的微型植物工廠,讓生活和工作更有趣味。
智慧農(nóng)業(yè)
近幾年來(lái),“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?lái)越近。
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(guò)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(wèn)題:“誰(shuí)來(lái)種地?”
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(kāi)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(lái)農(nóng)業(yè)的快速轉(zhuǎn)型期?!白寵C(jī)器來(lái)種地、管地”也成了破解“誰(shuí)來(lái)種地”發(fā)展瓶頸的出路。
無(wú)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(guò)數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)和集成系統(tǒng)來(lái)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(lái)的農(nóng)民將和鋤頭、水泵說(shuō)“拜拜”,因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)遠(yuǎn)程操作來(lái)完成從播種到收獲的各個(gè)環(huán)節(jié)。毫無(wú)疑問(wèn),未來(lái)的農(nóng)場(chǎng)將是無(wú)人農(nóng)場(chǎng),未來(lái)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。
春天,無(wú)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(guò)無(wú)人機(jī)和各類傳感器、攝像頭來(lái)監(jiān)測(cè)和掌握農(nóng)田的水、肥、溫度、作物長(zhǎng)勢(shì)、病蟲(chóng)害等信息,經(jīng)過(guò)“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(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)按需灌溉、準(zhǔn)確施肥以及病蟲(chóng)害精準(zhǔn)生物防治。
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(lái)農(nóng)業(yè)將是集約化、規(guī)模化、環(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(lái)的農(nóng)場(chǎng)是無(wú)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(lái)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(guò)“吃”來(lái)增強(qiáng)體質(zhì)、提高免疫力;二來(lái)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(lái)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。
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(guò)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。
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。
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(lái)或者經(jīng)過(guò)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(guò)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(lái)越常見(jiàn),為此大家總在問(wèn),有沒(méi)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)。
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。
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,已經(jīng)為科學(xué)家們提供了制造更健康的食品和培育更多功能農(nóng)產(chǎn)品的技術(shù)、方法和材料。
隨著對(duì)基因和分子模塊功能的深入研究,某些農(nóng)作物的育種過(guò)程也越來(lái)越像模塊玩具的“插件拼裝”過(guò)程,而合成生物學(xué)和基因編輯技術(shù),不僅可以將植物體原本不存在的合成代謝途徑導(dǎo)入植物,還可以實(shí)現(xiàn)野生資源的快速馴化,因此,在多種分子生物研究技術(shù)的加持下,將不同的優(yōu)良性狀結(jié)合起來(lái),培育出高產(chǎn)、抗逆、綠色、營(yíng)養(yǎng)、具有特種功能的新品種,滿足不同消費(fèi)者需要,已慢慢成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)狀。