西藏高原以风光可再生能源驱动植物工厂可行性研究

西藏高原以风光可再生能源驱动植物工厂可行性研究

作者：吴怡然

来源：《农业工程技术·综合版》2020年第03期

摘要：截至2019年，地球上有77亿人口，需要在节约土地的情况下规模化种植出更多的食物，与之匹配的绿色能源正引起全人类的广泛关注。该文以高原作为突破点，根据高原概况和社会性食品卫生，阐述无土栽培和立体种植的亮点、模式，带动光伏发电、风力发电在立体种植中的实际运用，希望打造可以循环持续产出洁净果蔬的植物工厂，以工业化技术推进农业发展。

关键词：植物工厂;立体种植;无土栽培;太阳能;光伏发电;CO2减排;垂直轴风力发电

吴怡然. 西藏高原以风光可再生能源驱动植物工厂可行性研究[J]. 农业工程技术，2019，40（08）：38-41.

西藏自治区位于青藏高原西南部，北纬26°50′-36°53′，东经78°25′-99°06′之间，是中国西南边陲重要门户和国防屏障。全区面积120.223万平方公里，平均海拔4000 m以上，素有“世界屋脊”之称。自治区设有拉萨、昌都、日喀则、林芝、山南、那曲6个地级市，1个阿里地区，常住人口308万人。人口分布：日喀则70万、昌都65万、拉萨55万、那曲46万、山南32万、林芝19万、阿里9万。2019年12月23日，西藏已基本消除绝对贫困，全域实现整体脱贫。

西藏自治区空气稀薄，气压低，含氧量少，平均空气密度为海平面空气密度的60%-70%，含氧量比海平面少35%-40%。（NASA）水平峰值日照时数（h）：拉萨5.450、昌都4.847、山南5.408、日喀则5.733、那曲5.299、阿里5.559、林芝4.717;拉萨气象站：春季全区平均风速最大，为3.0 m/s，夏、秋、冬季依次为2.3 m/s、2.1 m/s、2.5 m/s。气温低，积温少，昼夜温差大，年均气温为-2.4℃-12.1℃，自东南向西北递减，每年6月-7月最高，1月最

低，日温差15℃以上。季节性降水明显，年降水量66.3-894.5 mm，东南向西北递减，降水集中在5-9月，占年降水量的80%-95%。大部分地区年大风日数在30天以上，西部和北部高达100-160天。干旱、洪涝、雪灾、霜冻、冰雹、雷电、大风、沙尘暴等灾害性天气频繁发生，其中冰雹居全国之首。气候垂直变化大，自东南向西北依次为：热带、亚热带、高原温带、高原亚寒带、高原寒带。区域气候变暖明显，尤其是1991-2010年西藏增温强烈，升温率达

0.79℃/10年，明显高于全国其他区域。耕地面积343.14万亩，人均耕地1.41亩，分布零散，休耕时间长，土质较差，土壤肥力与水分流失严重，属低产田。受自然条件和技术条件限制，全区均垦系数仅为0.2%。

一、高原立体化种植

1、项目背景

至2018年底，西藏全区累计公路通车里程97785 km，大部分生产生活物资需从其他地区进入，特别是时鲜蔬菜、肉类、禽蛋等主要通过G214、G318、青藏铁路、航空等运入，中转环节较多，物价上浮较大;且途中时间较长，特别是时鲜类蔬菜较易变质腐败，亚硝酸盐急剧升高。亚硝酸盐具有致癌作用，进入人体后会对人体产生危害，严重的可以引起中毒致人死亡。日常食用较多的蔬菜，强烈建议杜绝食用长途运输、搁置时间长、腐败的蔬菜、隔夜菜、剩菜、腌制的咸菜。蔬菜应具备新鲜、健康、美味、价优四大特点。

全球所需农产品产值在万亿级，市场区域跨度大，深化设计和规模化供应链整合的种植方式将成为可能。技术进步促进生产方式进步，随着蔬菜种植方式改变，世界各地都将迎来一系列农业变革。例如城市中种植农作物，建造城市农场，从而实现本土本地生产、本土本地消費，人们自主决定吃什么蔬菜，并学会种植这些蔬菜。

例如建造房顶温室。仅在户外打造露天农场是不够的，要进一步开发城市空间，让蔬菜在室内生长、生产。由于避免了传统农业存在的农药残留、病虫害、污染、低产等问题，从而使口感和质量100%可控、符合消费者需求;同时提高空间的利用率、提高产值以及达到节约土地的目的，新一代工厂化、立体化，智能化和工业化种植技术应运而生。

2、市场展望

城市农场的生产使命就是让城市能在食品生产方面自给自足，我们开始审视立体种植这种模式，希望以办公室为研究中心，研究大自然，寻求最佳生长条件，满足不同植物的需求;然后进行模拟设计，研究不同的光谱和营养方案，以及白天可能发生变化的不同环境等，通过技术手段创造许多不同的小气候环境，培育数千个不同的植物品种。通过这种模式生产出来的食物蔬菜具有很高的营养价值，并以口感作为植物的评价标准。

根据需求订制蔬菜。如果客户需要蔬菜更甜一些，我们可以用数学和模型来改变环境条件，下一次就能为客户生产出更甜的植物。不用任何农药，也不喷任何化学制剂，选用非转基因种子，生产出最干净、最健康的食物。

未来无土栽培和立体种植系统进入超市将节省99%的能耗，包括但不限于运输、冷藏、物流等产生的能耗，还能解决当前食物体系所面临的的严重浪费问题。进行规模化生产，推广到所有超市、酒店、餐馆、办公室甚至可能推广到的每家每户，建立城市营销网络。随着城市农场的快速兴起，城市居民和农民的界限将越来越模糊。未来，凭借先进的通信技术和智能工具，人们可以在自己家中种植新鲜、健康的蔬菜，实现全年供应不断。

3、项目现状

利用上层空间在城市中大力发展城市农场，在种植集装箱、工厂内安装传感器，能够对室内的亮度、湿度和空气质量进行实时监测。农场就像真正的无菌实验室，里面的所有因素都会得到精确的控制，所有的作物生长不必担心自然环境状况，生长周期短于传统露天生长的农作物。

植物工厂里，蔬菜瓜果生长在“集装箱”里，只需一键启动，系统就能实现全自动栽培，针对植物本身的最佳生长需求进行环境模拟，大大提高蔬菜瓜果的生长质量和效率。通过发光二极管（以下简称LED）控制光照时间，只用7-8 h就可以满足植物对光照的需求，在培养方面很有优势，而且还能缩短整个生长周期。发芽阶段基本上只要白光就可以;发芽期过后，主要需要蓝光和红光进行光合作用。在自然光照条件下，光合作用能效通常较低，而利用LED为每株作物提供所需红光和蓝光，能有效提高光合作用效率，促进作物生长，确保每个月收获两次。传统农场采收率为60%-70%，室内收获得益于先进的技术手段，采收率可达95%左右，每年总产量约81吨。

二、太阳能光伏

1、太阳能概述

中国的太阳能资源十分丰富，全国有2/3以上的地区，年日照时数在2000 h以上。太阳能既是一次性能源，又是可再生能源，资源丰富，可免费使用，无需运输，而且对环境没有任何污染。随着工厂化、立体化模式发展，智能化和工业化种植所需能源，如风能、水能、海洋温差能、波浪能、生物质能、潮汐能、化石能等，广义上都来源于太阳能;狭义的太阳能则仅限于太阳辐射能的光热、光电和光化学能的直接转换。

2、太阳能的三大优点

太阳能是人类可以利用的最丰富的能源，可以说“取之不尽，用之不绝”。