植物工厂,智能环境为农业插上科技的翅膀——访中心智能环境团队负责人刘东

同济大学国家土建结构预制装配化工程技术研究中心

智能环境团队 负责人

疫情期间，阳台种植蔬菜在社交网络平台一炮而红，与之类似的、以家庭种植柜为代表的智能模块化植物舱凭借其智能调控、高产低碳、绿色健康、便捷可移动等优势也慢慢走进大众视野。智能模块化植物舱的应用使得农业种植更加智能化、现代化，越来越多的人开始思考都市农业的发展前景与无限可能。

但对于都市农业这一新兴概念，人们尚存很多疑虑：人工环境下培育的作物是否违背生长规律？蔬菜的口味口感如何？价格在什么范围内？能够智能地调节环境的原理是什么？以及从国家战略角度考量，为什么要在寸土寸金的大城市发展农业，农业现代化有哪些重要意义呢？为此，我们邀请到智能环境团队负责人刘东老师，听他来为我们一一解惑。以下是刘东老师的讲述。

提到“都市农业”，很多人可能首先联想到的是在小花园里种菜，或是摩天大楼的绿色屋顶、露天天台。其实，“都市农业”不能仅仅理解为农村农业在都市的一个延展，我认为它的概念可以更广义，即结合都市的特征，利用先进科技，在有限空间内通过精准的环境控制，实现作物在室内环境下的高效的生产。

第一个特征是传统农业基地与城市距离远，所以需要缩短食物生产加工到人们消费使用之间的交通距离，从而减少运输过程中的污染与能耗并提高农民的实际收益。

第二个特征是都市的人口密集，所以需要在有限的空间内更高效地生产，这就需要利用科技手段进行精准的环境控制，并提高空间利用率的布局方式。

第三个特征是都市对环境污染的控制更为严格，生活生产与养殖种植都会产生污染，如何能够让生产的污染物不仅达到排放标准，更能够减量化、资源化，甚至构建一个能够自洽的生态系统，这是都市农业领域中一个非常有意义的课题。

除此之外，都市还有一个特征就是能耗强度大，且能耗在一天中的变化是有规律的，拿上海举例，夜晚用电量为白天的52%，这就意味着如果不采取相关措施，大量发电厂在夜晚会将弃电，多余的发电量通过接地而舍弃掉。如果我们能够让植物在夜晚利用这部分谷电进行光合作用，不仅可以实现减碳，且利用价格更低的谷电可以使运行成本大幅降低。其实让植物在夜间利用谷电进行光合作用也是一种“削峰填谷”的“储能”方式，在建筑中我们常说的储能是储冷、储热，在都市农业领域，能量则以光合作用的方式储存在植物中。

基于这些都市的特征，我们研发出智能模块化植物舱，即植物工厂。植物工厂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，是利用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，使设施内植物的生长不受或很少受自然条件制约的高效生产方式。

从外观上看，智能模块化植物舱和标准集装箱几乎没有区别，但走进舱内却让人大开眼界，好像进入了一个集装箱农场。智能舱内整齐摆放着一排排生长架，各种植物的幼苗直立生长于长条状水培架上。在智能植物舱里，我们利用无土水肥循环生产环境培育的花卉蔬菜，能避免土壤重金属残留和使用化肥。采用水膜技术后，你可能想象不到，这样培育的植物用水量只有传统种植的5%。

智能模块化植物舱外观

植物舱内无法自然采光，植物生长所需的光线来自一条条LED灯带。这些灯带上交替排列着深红色和深蓝色的LED灯泡，比受自然光生长的作物更容易成熟。因此，利用智能舱培育出的植物生长周期比正常生长周期缩短约50%。

植物舱内部的温度和湿度控制依靠其自带的气候系统。每一台都内置了空调、二氧化碳气阀和风扇，能够创造作物生长所需的环境。植物舱还实行远程控制、智能化管理，减少了人工成本。

密闭环境意味着作物不会受虫害和杂草的影响，种植过程可以完全脱离农药和除草剂，最终产出的食物更安全，也能卖出比传统土壤种植更高的价格。

植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段，是一种高技术、精装备的生产体系，集生物技术、室内环境控制、设施农业、计算机技术等多学科于一体，使种植从自然生态束缚中脱离出来， 实现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融合应用高新技术成果最具活力和潜力的领域之一，代表着未来现代农业的发展方向。

在农业工程这一领域，国家土建结构预制装配化工程技术研究中心智能环境团队做了很多工作并取得了卓越成果，包括聚焦植物工厂的数字化技术体系研究（环境控制与能效提升）；研制了适用平原、高原高寒等环境的智能植物舱、种植柜以及ATU温室的关键技术装备；积极促进与联合国粮农组织资源（如世界水稻研究所）对接，帮助崇明研制了高品质大米标准，促进了农业标准化建设的国际合作。

智能模块化植物舱生产的蔬菜相较于超市中的同类的有机蔬菜更便宜，成本更低，具备价格优势。但是想要推广应用，我认为人们需要重视舌尖上的安全，重视食物的品质而不仅仅是价格。

为什么说食品安全很重要？我们都知道，人赖以生存的三大要素：空气、水和食物。近年来，针对空气污染和水污染，国家都出台了大量法律法规以及措施规范，环境保护意识已经深入人心，然而对于食品安全的关注，却还未真正深入到百姓的观念中。虽然也有相关的法律法规和监测体系，但还是有相当一部分人忽略食品安全的重要性。

我国拥有全世界最完整的工业体系，拿钢铁举例，2021年全球钢铁产量19.5亿吨，而我国钢铁年产量就占了10.3亿吨，我们国家一个宝钢的年产量就几乎相当于整个欧盟的钢铁年产量。发达的工业、极高的能源成本随之而来的便是不可避免的土壤污染，我们960万km²的土地上需要承载全世界一半的煤的燃烧，即便对污染物的排放标准制定得再高，但是排放总量就在那里，污染不容小觑，这些排放物随着雨水和径流进入土壤，这也就是为什么近年来有新闻报道在茶叶、中草药、蔬菜水果中检测出重金属超标。

蔬菜水果的安全问题亟需引起重视

绿色有机农产品需求旺盛

除了重工业带来的污染，另一个对食品安全造成极大威胁的就是农药。我国单位面积的农药用量是发达国家的数倍，化肥用量的总量占全球的1/3，这些都让我们对食品安全产生深深的忧虑。作为科研工作者和教育工作者，我们希望可以探索出一个农工结合的模式，用科技的手段营造一个最适宜作物生长且健康无污染的环境。所以转变观念，吃安全健康的、绿色的而不仅仅是便宜的，唤醒大家重视舌尖上的安全至关重要。

植物舱中种植的蔬菜

在很多人的固有观念里，高科技的设施农业容易与“催熟”“违反自然生长规律”联系到一起，其实不然。拿集装箱植物舱举例，其实科技带来的是通过分析怎样的环境控制可以更好地遵循作物的生长规律，从而提高质量与产量。寻求生物与环境之间的关系，分析其生理参数，构建出基于数据的感知模型，探寻生物与环境的最优关系，从感知到反馈到优化，实现作物产量、营养因子和风味因子的最优。

作物的生长环境包括温度、湿度、气体、水肥、风速和光照等很多因素。其实植物和人一样也是有感觉的，舒适的环境更有利于它们的生长。在充足合适的光照强度和时长、适宜的空气温度、湿度、风速和CO₂浓度条件下，作物的光合作用、蒸腾与呼吸作用才能顺利进行，也能有效控制作物的病害。

在设施农业中，我们发现风速在0.2m/s~0.7m/s的范围内对植物生长最有利，风速过低不利于蒸腾作用，所以就需要设计一套风速调节系统。再比如室外空气中的CO₂浓度基本是不变的，但如果室内种植，光合作用会消耗CO₂，呼吸作用又会产生CO₂，这就需要人工补气来营造一个最适宜植物生长的空气环境。通过实验测得CO₂浓度在700ppm~800ppm范围内可以进行更有效的气体调节，我们便可以基于实验数据设计补气系统。植物在380nm~780nm波段的光照可以实现有效的光合作用，那么我们就可以利用LED灯的不同波段对光照条件进行精准控制，包括光照时间和强度。再比如全密闭的环境可以不使用农药，降低化学物质对人体可能造成的危害等等，这些都是科技创造更理想的种植环境的举例。

环境控制系统

水肥布局系统

更科学地设计作物的生长环境，可以缩短作物的生长周期，这种生长周期的缩短并不是违反自然规律，反而恰恰是遵循了自然规律，在适宜的温湿度等环境下生长的植物就像营养均衡的小孩子，长得就会更高更强壮。比如室外种植生菜需要60天，在植物舱中35天就可以食用了；在自然状况下需要120天成熟的水稻，在植物舱里生长仅需要60天，从而可以实现全年生长周期缩短，作物产量也大幅提高，产量相当于大田种植的50~100倍。

对于食物，我们最关注的往往是以下三方面，一是食品安全问题，二是营养成分，三是口味。这三方面，智能模块化植物舱均能提交一份满意的答卷。

首先是食品安全，全密闭的环境可以保证没有虫害，也就无需农药，没有重金属残留，且精准调控的生长环境避免了土壤污染、空气污染以及水污染可能对作物造成的危害，从源头确保食品安全。

其次是对营养因子的检测，2022年5月，我们已经得到了相关的检测报告，报告结果充分显示智能模块化植物舱所培育出的蔬菜在维生素含量等营养成分指标上优于普通大棚培育出的蔬菜，是名副其实的高品质蔬菜。我们通过了CMA（China Inspection Body and Laboratory Mandatory Approval，中国计量认证）的食品检测认证。

一般蔬菜的口味也可以通过对风味因子的检测来验证，经过智能环境培育的作物不仅更安全，而且更好吃。一系列检测报告可以彻底消除人们对于人工环境培育作物的安全性的疑虑。

智能模块化植物舱培育的蔬菜的检测报告

人们对人工环境培育作物的另一个误解就是容易将其与转基因划等号，其实不然，正如前文所说，人工环境是通过科学的实验获得最适宜植物生长的温度、湿度、光照、空气、水肥等，为作物提供最适宜生长的环境。研究发现，其实植物和动物一样，也是有感受的，在舒适的环境下，它们不仅能长得更快，也会更好吃，人工环境就是提供这样一个让植物“最开心”的环境来生长。这与转基因的概念是不同的。

植物舱为植物提供最舒适的生长环境

但是基因工程的科研离不开人工环境，在实验室里，我们可以通过改变植物的生长环境来影响其生物性能，比如可以进行中草药的培育，测试其在哪种环境下药效更强，也可以选育优良品种进行迭代优化。

而智能模块化植物舱，就是用科学实验环境控制的思维做设施农业。实验室是人类为认识自然、改造自然，利用自然界中与人类生产生活相关的物理、化学、生物、辐射等各种因素，经特殊实验技术，按照科学的规律进行实验活动的场所。实验室是实现科技创新、确保社会监管体系正常运转的基础，换言之，智能模块化植物舱就是一种特殊的实验室。

建筑环境与能源利用工程是结合了建筑环境设计、能耗与污染控制的一门学科。同济有两个大的学科群，一个是城市建设与防灾，其中土木工程学院牵头的一个专业是智能建造，另一个我们可以称为智能制造。如何理解他们之间的关系？比如我们要建一个房子，设计房屋结构是智能建造，设计内部家具属于智能制造，但是只有这两个还不够，如果人想要更舒适地居住在里面，提供一个更加宜居且低能耗的环境，我们就还需要智能运维。智能运维、智能建造与智能制造三大领域的基础是人工智能，通过他们共同支撑才能创造出智能环境。

智能环境有两大适用场景，一是满足工业生产与工艺要求的环境，另一个是满足生物生长要求的环境。这里的生物生长不仅仅是人，而是扩展到动物、植物，我们现在致力于研究的就是环境与生物相互感知、协同、优化、迭代。比如如何测定我在这个环境里是否舒适，我们会测量人在这个环境里的心率、血压等等一系列生理指标，构建一套基于大量数据的感知模型。比如最近正在做的智能口腔诊疗就是智能环境的应用。我们利用外负压系统技术优势对口腔诊疗室进行重新设计研制的新先进口腔诊疗舱，在保证牙医及患者健康同时，营造安全舒适的就诊环境。智能化系统可以实现医生与患者之间的无障碍感知、互动，增强了诊疗的安全性及舒适体验。

口腔诊疗舱概念图

同样这一系列感知模型也适用于植物和动物，例如智能植物舱或者养猪养鸡。目前我正在写一本名叫《积极环境学》的书，就是在研究不同环境下生物的不同感知，包括病人对诊疗环境的感知、不会说话的婴儿对周围环境的感知以及动植物对环境的感知，如何依靠科学的数据、算法以及人工智能来寻求生物生存的最优环境，这是非常有意思的一个领域。

我们的团队组成非常完备，包括建筑热环境、建筑景观环境、建筑光环境、声环境、水环境以及固废治理的研究。其中，建筑热环境在研究智能环境控制与能效提升、建筑热物理与空气污染物控制、冷热源设备快速仿真研发等课题，建筑景观环境在研究美丽乡村环境、生态型绿色屋顶建设等课题，目的就是要构建一个大环境观。未来我们需要研究先进农业环境控制的关键技术，探索构建可持续的产学研合作模式，在已有基础上不断深耕和发展，在此领域逐渐形成学术领导力和影响力。结合国家的双碳发展目标，既要以专业的环境控制保障科学实验室、先进农业植物工厂正常发挥其在国民经济系统中支撑作用，也要探索其低碳发展的技术路径。

传统的大棚种植蔬菜，从菜地到菜场的过程中，流通环节运输成本高，农民田头的售价一般占最终市场售价的30%~50%，而且运输过程中的碳排放也不容小觑。智能模块化植物舱的普及可以最大限度减少运输流通环节的成本，不仅可以让农民的收入增加，从更深层次分析，也可降低交通运输能耗，有利于城市交通与道路的能力提升。

将蔬菜从菜地搬到植物舱中，就是利用科技手段实现社会治理的很好事例，极大改善“衣食住行”中的“食”与“行”，这正可以呼应习总书记提出的“大食品观”“大交通观”，从而助力人民实现美好生活。在这一领域，同济大学有得天独厚的优势，作为一流的综合性大学，我们拥有一套完整的学科体系，可以实现与城市建设、道路交通等各领域专家的深度合作交流，政产学研各界共同优化推进，最终实现国家的总体战略规划。

事实上，农业城市化与社区化已经成为全球发展的一大趋势。法国创业公司Agricool在巴黎建了三个农场，农场内共7个集装箱，⽣产草莓、罗勒、⾹菜、欧芹、⽣菜等五种产品，直接销售给消费者。这些种植出来的草莓比零售店里的草莓平均富含超过20%的糖分和30%的维生素C。营养丰富、零农药污染，食用更健康安心。法国市场上有机草莓的价格⼤约是每250克6.7欧元，Agricool的草莓价格为每250克4欧元，⽆中间商模式使得集装箱生产出的作物在价格上更有竞争⼒。

Agricool在巴黎农场的集装箱植物舱

AgriGarden在中国北京同样有农业城市化与社区化的典型案例：来⾃AgriGarden的设计团队以植物⼯⼚为核⼼，以种植为主要功能做加法，搭载休闲⽔吧、沙拉吧、咖啡吧、观景台等休闲空间，在这个空间里还能进⾏家居、办公、商业、种植实验室的融合，实现蔬菜和用户的零距离接触。

Agricool在北京的集装箱植物舱

智能植物舱还在第十届中国花卉博览会亮相，引发不少媒体和嘉宾关注。智能植物舱适用于无法种植植物的地区，具有占地小、产量高、灌溉用水量极少、绿色健康等优点。

智能模块化植物舱亮相花博会

智能模块化植物舱的经济价值可用于沙漠、极端气候地区的花卉蔬菜种植，改善人类在恶劣环境下的生态生产生活环境，还可以用于科研方面，在模拟任何气候条件下培育种苗也能发挥作用。比如为保证“雪⻰”号科考船⼯作⼈员天天都能吃上新鲜的蔬菜，极地科考船移动式植物⼯⼚半年可⽣产蔬菜4,000⽄以上，提供菜品10个以上。智能模块化植物舱还可用于脱贫攻坚：许多贫困地区工业发展落后，农业发展自然条件不足，耕地条件较差，十分需要农业产业化技术。亦可用于西部建设的后勤保障工作，例如中铁建的“川藏铁路应急保障”课题项目等，目前我们的智能模块化植物舱已经顺利抵达川藏铁路，为我国的西部建设保驾护航。

“雪⻰”号科考船上的植物工厂随时随地为工作人员提供新鲜蔬菜

首先，我们可以基于大数据得出蔬菜需求的地域化特点。中华人民共和国农业农村部数据显示，2019年全国进口蔬菜总贸易量为50万t，贸易金额达9.6亿美元，其中天津、上海、广东、广西等地的贸易量占较大比重。依托大数据分析的方法，智能模块化植物舱可精准安排生产，填补当地蔬菜贸易缺口，推进相应地区居民生活水平的进一步提高。

其次，我们可以基于大数据总结出蔬菜生产的变化趋势。中华人民共和国农业农村部数据显示，2011－2016年山东省蔬菜种植面积与产量均稳中有升，而2017年山东省蔬菜种植面积与产量均呈现断崖式下滑，2018年又略有回升。这一变化趋势说明山东省在产业结构改革的探索中，其蔬菜生产的固有产业受到了一定的影响，而这也与2019年山东省蔬菜进口贸易量占全国20%以上相对应。依托大数据分析的方法，智能模块化植物舱可填补当地蔬菜生产的量减。

2011－2018年我国蔬菜种植面积与产量变化曲线

数据来源：中华人民共和国农业农村部

除此之外，根据大数据显示，我们能够发现农业生产受自然灾害制约。中华人民共和国农业农村部数据显示，2016年全国农业生产的病虫草鼠害发生与防治面积均基本相当，说明传统农业生产仍面临着自然灾害较大的制约。而智能模块化植物舱标准化、封闭式、工厂化等技术优势可为农业生产提供有力保障，有效规避病虫草鼠害等自然灾害，促进我国农业产业化发展的进程。

其实GDP不足1%不代表农业在大城市不重要，更不代表农业领域在大城市没有发展前景，恰恰相反，上海可以充分利用其长三角一体化和商贸经济圈的区位优势与科技优势、人才优势、经济优势，打造成吸引长三角地区、全国乃至全世界的先进农业科技实验示范中心。

2017年10月，在同济大学中意学院的帮助下，崇明与联合国粮农组织建立合作，这也是联合国粮农组织首次以城市为对象建立合作。联合国在农业领域有三大组织：联合国粮农组织、世界粮食规划署、国际农业发展基金会，这三个机构总部都在罗马，所以意大利在农业领域是受到世界认可的，这一合作对于上海乃至全国的农业发展都具有深远的意义。

以上海崇明"两无化"大米国际标准与认证体系建设科创项目为例，这项课题是联合国粮农组织（FAO）主持的“上海崇明‘两无化‘水稻技术集成与示范项目（TCP/CPR/3702）”的配套科创课题项目。旨在通过国际标准制定并设计认证体系，建立自主可控的可持续国际标准及认证体系，以发展可持续农产品价值链，提升农业区域公共品牌的含金量，实现可持续的"两无化"消费和生产模式。

上海崇明"两无化"大米国际标准与认证体系建设科创项目

上海崇明"两无化"大米项目通过建立优生态、高标准、严科技的“两无化”大米国际标准体系；设计了“两无化”大米可持续“评价指标－认证模式－认证规范－认证规则"的认证整体技术解决方案，最终形成"两无化"大米标准及配套认证实施规则。

上海崇明"两无化"大米项目流程

与联合国粮农组织建立合作有哪些意义呢？首先是与国际农业领域一流的专业资源对接学习，协助我们完成一系列政策和标准的制定；其次是借此开展一系列人才培养工作，完成我国农业领域专业人员的培训；第三是有机会结合上海的地域优势制定自己的地方标准，进而争取参与和主导制定国际标准；第四是利用上海的优势以及联合国的资源，未来崇明也许可以借此机会向世界讲好中国故事，推动全球农业的更好发展；第五是利用上海的科技优势、区位优势、人才优势、国际合作优势，以联合国粮农组织为载体，打造一个面向全球展示的先进农业示范基地。

国际食品认证

基于这些战略层面的考量，我们就不难理解上海所承担的责任，并不是农业生产，更重要的是农业技术与政策的引领，以及建立一个交流合作的国际化窗口。

如果留心观察，你会发现每年我国开年的一号文件一定是与农业相关，由此可见国家极其重视农民，重视农村，重视农业。我国具有悠久的农业文明，农业发展至关重要，现在社会很多建设也是基于农业文明。21世纪的全球竞争什么最重要？有人说是高新科技，有人说是能源之争，但我认为更重要、更基础的是食品，“民以食为天”，食品的安全、足量、质量是普通老百姓安身立命的根本。如果没有科技，生活会不便利但不至于伤筋动骨；如果没有能源，会影响到社会的支撑以及战争的爆发；但是如果没有粮食，很难想象我们能撑多久？

随着我国城镇化的不断发展，农业人口的绝对量与占比逐年减少，老龄化问题严重，原本生活在农村的年轻人也逐渐向非农业领域发展。在上海，以前是“三个农民200岁”现在是“四个农民300岁”。中国社会科学院农村发展研究所2022年5月6日发布的《中国乡村振兴综合调查研究报告2021》显示，农村全体人口中60岁及以上人口的比重达到了20.04%，65岁及以上人口的比重达到了13.82%，完全达到了“老龄化社会”的标准。和全国老龄化数据相比（2019年中国60周岁及以上人口占总人的18.1%，其中65周岁及以上人口占总人口的12.6%），农村地区的老龄化程度远超全国情况。农业劳动力的素质和结构对农业农村现代化和乡村振兴提出了挑战。机械化程度的逐渐提升，使得农业所需的人口数量下降，农业绝对人口降低。提出现代农业的转型，必须要从我国实际出发，把握好发展阶段的脉搏，科学引领我国现代化进程中的城乡格局变化。

中国特色农业现代化持续推进，成就举世瞩目。经过60多年的持续推进，目前中国农业现代化进程已处于中期阶段。按照近年来的平均推进速度，到2035年中国总体可以基本实现农业农村现代化，但各地区、各领域的进程差别较大。加快由农业大国向农业强国转变是实现农业现代化的必由之路。现代农业强国的标志大体可归纳为“四强一高”，即农业供给保障能力强、农业竞争力强、农业科技创新能力强、农业可持续发展能力强和农业发展水平高。面向中长期发展，要将农业现代化一般规律与中国农村改革经验紧密结合，围绕粮食安全、现代农业产业体系、农业绿色化转型、科教兴农等重点领域，实施分地区、分阶段、分重点的梯次推进战略，实现农业农村现代化，完成由农业大国向农业强国的转变。我们团队的智能模块化植物舱、种植柜、ATU温室的关键技术装备以及与联合国粮农组织资源的对接，都是为了这一目标做出的努力。