科学家研制室内农业生长系统 或无需太阳光

据英国《独立报》近日报道,荷兰科学家研制出了一套室内农业生长系统,可用其他光源代替太阳光来让植物生长。科学家们表示,用这套系统种植农作物的效率更高,农作物的生长时间更长,且不会受到天气的影响;更重要的是,该系统的耗水量仅为传统农业的10%。对于日益缺水的地球来说,不啻为一个福音。

科学家们认为,不需要太阳光呵护的农业种植未来会成为我们食品的主要来源。不过,也有人质疑该系统可能会增加二氧化碳的排放量和能源消耗。

太阳是地球上几乎所有生命的基础。没有太阳光,地球将是一个冰冷而黑暗的孤岛。俗话说,万物生长靠太阳。太阳光对食物来说更是不可或缺。

各种农作物使用太阳光将二氧化碳和水变成糖分(农作物的“食物”)和氧气(供农作物呼吸之用),这是植物最宝贵的化学反应。但是,随着全球人口不断激增,地球母亲几乎无法哺育如此众多的子女。粮食问题成为悬在世人头上的“达摩克利斯之剑”。

有鉴于此,一群荷兰科学家认为,人类应另辟蹊径提供更多食物。不过,这并非是胡乱改变农作物的基因或将大量肥料填入浸满硝酸盐的土壤中以让农作物“大快朵颐”。荷兰这个名为“植物实验室”(PlantLab)的科研团队的最新方法是完全不用太阳光来种植农作物。

“我们种植出来的农作物可能看起来黯淡无光。”杰特扬·梅乌斯是该五人团队中的一员。他表示,那并非因为农作物已经腐烂发臭或对其基因进行过改造,只是因为该植物实验室内种植的农作物仅仅沐浴在蓝光和红光下,没有绿光来供它们反射。

梅乌斯表示,在该实验室内,农作物都被装在大的地下滑动托盘内,其由一只机器人手臂所护理,这些机器人手臂也会适时给予适当的营养,让这些植物茁壮成长。自从1989年起,该研究团队就一直在研究植物,他们希望能更好地理解植物的需求并使它们的生长过程更高效。

“在一个开阔的田地或温室内生长的植物并不能最大程度地发挥其成长潜力。”梅乌斯说,“我们将植物种植在完全受控制的环境下,我们称其为‘植物乐园’。这个环境更适合农作物生长。”

植物实验室的控制环境基于物理学的一些基本原理。植物呈现出绿色是因为它们反射绿光,这意味着这些特定波长的光并不参与光合作用,因此,如果人们试图在绿光下种植番茄,那一定会以失败告终。在反射光线的过程中,植物被加热,不过,植物也同人一样,拥有一个冷却机制,该冷却机制会耗费一些本来用于植物生长的能量,因此减慢了植物生长的速度和效率。

“植物拥有一种非常聪明的冷却方式。”梅乌斯解释道,“它们通过根部吸收水,并通过叶子将水分蒸发出去。蒸发需要的能量从叶子处获得,植物因此而被冷却。”

通过让植物实验室内的农作物只接受蓝光和红光的照射,可以避免将其加热,以节省更多能量为其生长所用。为了给予植物理想的生长环境——这些环境在现实世界里几乎是凤毛麟角,科学家们也对地下梁托的空气进行了严格控制。

尽管在黑暗中培育农作物还存在很多技术障碍,但其潜在的好处却很多。科学家们表示,通过这种方式,人们能获得更有营养且没有空气污染的食物;另外,世界各地的人们一年到头都能吃到新鲜的蔬菜。

该科研团队目前正在同生活在冬季运动区的人磋商。这些地区冬天会吸引大量游客,导致新鲜蔬菜告急。“在冬天,为这里的人们提供完全新鲜的蔬菜是一个非常诱人的想法。”梅乌斯说。

而植物实验室的垂直农业为人类做的最大一件好事是节水。梅乌斯表示,他们种植农作物的耗水量仅为传统户外种植的10%。而且,该系统使用的水大部分都会被植物吸收,最终被人们食用。其余被蒸发的水分会被收集起来,并被该系统重新利用。“节水可能是我们最重要的工作。”梅乌斯表示,“未来,水可能比能源更重要。”

美国哥伦比亚大学的微生物学家迪克森·德斯坡米尔是在摩天大楼里实施垂直农业的倡导者,他表示:“如果想要改变我们的种植系统,户外农业的下一个机会要等到何时呢?明年。而室内农业的机会则出现在明天。”

这种室内农业种植方式会增加农作物的生长时间。梅乌斯对此进行了严格的计算。他说:“在目前的天气情况下,一年之中,适合种植的时间可能有1000个小时到1500个小时。然而,或许有时阳光会很猛烈,不太适合植物呼吸生长。而在我们的系统中,植物可以一天24小时接受光线的照射。不过,我们一般只让植物接受20个小时的光线个小时生长,依此类推,一年之内,植物可获得约7.3万个小时的生长时间,是依靠自然光生长时长的5倍到6倍。

垂直农业的另一个好处是缓解农业用地日益紧张的现状。此前,德斯波米尔就提出了“垂直农场”的构想,即在城市里30层以下高度的建筑上生产食物(包括养殖鱼类和家禽)来供给街区。他认为,人们可以采用“水耕法”(在液体中)或者“气耕法”(在空气中)栽种植物,而不必使用土壤。人们还可以在封闭的灌溉系统中循环用水以减少用水量、避免径流造成土肥流失,运输费用也将趋近于零。

德斯波米尔设想的高层农场目前还没有真正建成,但是,据美国《史密森学会会刊》2010年8月报道,在英国德文郡的佩恩顿动物园里,一个液体耕种、精细灌溉的菜园已经运营两年了。该系统种植的包括莴苣、菠菜、药草在内的11000多棵绿叶蔬菜产品都用来喂养园里的动物。这个菜园建在温室中,占地1000平方英尺,大约是在耕地建菜园占用土地面积的二十分之一。

动物园里负责种植农作物的凯文·弗雷迪亚尼表示,该农作物种植系统的关键技术——一套九英尺的移动式高架组合装置,可以保证农作物的适当给养、光和呼吸,还可以继续扩大规模。弗雷迪亚尼表示,他的垂直农业项目也很节水,最终耗水量可以低至传统种植方法耗水量的4%到6%。

垂直农业的概念也已远渡重洋,来到日本东京。在那儿,一家名为Nuvege的公司正在运行一个4层楼高的垂直农业平台,其主要产品是生菜。对于室内农业而言,生菜是一个非常好的选择,因为其进行光合作用的整个表面都能被食用,使操作更有效。Nuvege公司表示,他们种植生菜时没有用到土壤,所以,最终得到的生菜既不会受到害虫的侵扰也没有土壤产生的其他有害物质,不经过水洗就能直接食用。

另外一个垂直农业项目阿尔法农场(Alpha Farm)正在英国曼彻斯特进行,该项目由德斯波米尔于今年夏天发起,预计2013年为人类提供食物。

尽管如此,还是有不少人对该植物实验室垂直农业项目持怀疑态度,他们最大的担心是,该项目可能会耗费大量能源。此前已有前车之鉴,在英国,为了降低加热成本,有些人在温室和聚乙烯管道中种植番茄,结果,种植过程排放出的二氧化碳比从1000公里外的西班牙运来番茄排放出的二氧化碳更多。因此,有人担心,荷兰科学家提出的人造光源和加热大量种植在地下的农作物会排放出更多二氧化碳。

对此,该科研团队解释道,尽管金融和能源成本很大,但新技术或能为减少成本助一臂之力。将植物种植在隔热环境中会使植物生长的温度更容易控制且成本很低。

另外,新一代灯泡也可以解决光照问题。包括发光二极管(LED)、高压钠灯以及荧光灯在内的新一代光源的运行成本都很低,发光二极管还能准确提供植物实验室的农作物生长所需要的光线。

除了技术之外,还有一个公众认知的问题。有些环保人士担心,在室内种植农作物,会让人类在更大程度上“远离大自然”。对此,梅乌斯解释道:“为了采用更智能的方式生产食物从而挽救地球,我们必须让技术渗入日常生活中。”

不过,弗雷迪亚尼的系统使用的也是自然光而非发光二极管提供的光线。他说:“作为一个先锋性的实验项目,我们的垂直农业系统就是要证明,食物能够在人口密集的城市中生长,其能耗也能远远低于目前在距离城市很远的地方种植食物这样一种方式。”弗雷迪亚尼表示,他已证明,垂直农业是可行的。

不过,对于仅仅使用发光二极管提供光线来种植农作物,他也有自己的疑虑。他指着一棵清爽诱人的生菜表示:“只有当你在全光谱的光线下种植生菜时,才会出现这种绿色的色调。”他补充说,就目前的技术而言,发光二极管发出的光线厘米后,其强度会减弱很多,这将大大限制以发光二极管作为光源系统的农业系统的潜能。

但是,荷兰科学家们表示,技术和知识在不断改进。终有一天,我们将知道,我们赖以生存的每种农作物将吸收何种光线。弗雷迪亚尼也认为,在接下来的5年内,发光二极管会变得越来越好,越来越便宜,足以为植物提供它们需要的所有光线。

弗雷迪亚尼的“垂直农场”用到的高架装置由英国Valcent制品有限公司制造而成,该公司表示,他们正与30多个国家的潜在客户进行洽谈,公司发言人汤姆·本特利说:“现在,农业存在很多问题,解决这些问题要用到很多不同的办法,垂直农场或许是其中不可或缺的一部分。”(来源:《科技日报》)

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