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潜心科研,践行富农强农的“中国梦”
发表时间 2017-10-24 14:11 来源 本站原创

  ——记中国农科院农业环境与可持续发展研究所杨其长研究员

  当前,我国正值实现中华民族伟大复兴“中国梦”的重要时期,农业作为国民经济的重要基础,自然也要与时俱进,跟得上时代发展的步伐。从国际大环境来看,现代设施农业发展的高级阶段,则非植物工厂莫属。所谓植物工厂,就是通过设施内高精度环境控制实现作物周年连续生产的高效农业系统,它是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制,使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约的省力型生产。这是一种高投入、高技术、精装备的生产体系,集生物技术、工程技术和系统管理于一体,使农业生产从自然生态束缚中脱离出来,按计划周年性进行植物产品生产的工厂化农业系统,是农业产业化进程中吸收应用高新技术成果最具活力和潜力的领域之一,代表着未来农业的发展方向。中国农科院农业环境与可持续发展研究所杨其长研究员就是植物工厂研究和实践的先驱者,让农作物以非传统耕作方式种植,从而实现富农强农的目的,一直是他的梦想。



杨其长

  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,国际园艺科学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217篇,主编著作7部,授权专利100余件,以第一完成人获国家科技进步二等奖2项、中国专利金奖1项和其他各类科技成果奖励10项,并荣获国家级有突出贡献中青年专家、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。

  作为我国植物工厂高技术研究的倡导者,杨其长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。

  心系农民,立志以设施园艺富农强国

  “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。

  2016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。

  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。

  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壤、不用阳光,可实现任何时间、任何地点的植物智能化生产。

  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,作为农业大国、未来农业强国,我们国家应该要掌握核心关键技术,才能参与激烈的国际竞争。”

  少年立志,远涉重洋取“真经”



杨其长研究员( 右二) 与日本千业大学前校长、日本植物工厂学会会长古在丰树先生( 左一)在植物工厂实验室交流

  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。

  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。

  “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。”

  梦想成真,收获硕果累累

  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暨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。



在美国亚利桑那大学做高级访问学者期间与同事们在一起(左三)

  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。

  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。令人振奋的是,我国的植物工厂开始走向国际。2012-2016年度连续举办5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英国、新加坡等国。

  面向未来,带领卓越团队砥砺前行

  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”。

  成就任何事业都不可能光凭单打独斗,毕竟团队协作是成功的基石。与杨其长一起奋斗的,是一支具有历史传承、朝气蓬勃的年轻团队。他所在的“设施植物环境工程创新团队”,历史上可追溯到1953年华北农业科学研究所“农业小气候研究组”,1957年的农业气象研究室“园艺气象研究组”,历经60多年风雨,凝结了几代科学家,像徐师华、罗中岭、王修兰、吴毅明等老一辈科学家多年的心血,一代一代的接力,才成就了今天的荣集体队。团队一直秉持“求是、专注、谐同、逐梦”的创新文化理念,团队成员之间团结互助,优势互补,共谋发展,形成了“心往一处想、劲往一处使”的良好氛围。团队先后获得中华农业科技奖“优秀创新团队”( 2015)、农业部“青年文明号”(2012)、“2008-2013年度中国农业科学院优秀集体”、科技部“农业生物环境工程”重点领域创新团队等荣誉称号。团队成员魏灵玲研究员被选为中共十九大代表,并荣获第十七届中国科协“求是”杰出青年奖、第二届“中央国家机关青年五四奖章”、“全国最美青年科技工作者”等荣誉称号;程瑞锋博士获研究所首批科研英才培养对象,并成为最年轻的研究室主任;留学归国博士李涛荣获中国科协青年托举计划“优秀青年人才”,并承担重点研发计划项目重任,一代青年人才正在成为团队的学术骨干,也铸就了团队的持续辉煌。

  刚刚在北京结束的2017年国际设施园艺大会,被世界同行称为设施园艺界“奥林匹克”的学术盛会,而且是第一次在中国举办,500多位国内外嘉宾进行了为期4天的学术交流,大会取得了圆满成功。中国农科院作为主办单位之一,杨其长作为大会主席,得到了国际同行的高度认可,充分显示了中国在设施园艺领域的国际影响力。



作为大会主席,组织召开了2017 年国际设施园艺大会

  多年来,杨其长团队一直秉持中国农科院倡导的“顶天、立地”战略定位。在“顶天”方面敢于突破国际前沿,不断缩小与国际高技术差距。目前团队在智能LED植物工厂、节能蓄能等领域等方面的研究已经处于国际前沿水平。

  在提升团队国际影响力方面,多年来,杨其长有一个很重要的感悟就是,整体来看,我国在农业科技领域主流国际舞台的声音很少,发文章是一个方面,国际同行交流(会议等)、同台竞技同样重要。前些年网球选手李娜的例子对杨其长启发很大:“要想争冠军,你不在国际正规赛场比赛,怎么会有人承认?”近年来,只要是最重要的国际学术会议,杨其长团队出席人数、各类报告人数在国际上都是排在靠前的,一般我们的口头报告与邀请报告等约占所有报告的1/13-1/15。杨其长也已经成为国际设施园艺领域最有影响力的专家之一,并担任国际园艺科学学会(ISHS)温室工程专业委员会主席。

  前路漫漫,任重道远。对于植物工厂,对于农业现代化,对于富农强国梦,杨其长及其同事们满怀自信,笃定以行。未来是属于敢于创新的人的,有志者事竟成,光明的前途在等待着他们,让我们拭目以待。