作者：石東喬（中國科學院遺傳與發育生物學研究所副研究員）；馮鋒（中國科學院大學現代農業科學學院常務副院長、研究員）
面朝黃土背朝天——這是人們對農業的印象。傳統農業是一種資源密集型、勞動密集型産業，但科技的發展，特別是生物技術、信息技術、物流業的飛速發展，正讓農業擺脫水土等資源和勞動力的束縛。那麽，未來農業什麽樣？一位高一男生曾這樣回答：我希望我在書房裏坐著看書的時候，伸手就能從“植物屏風”裏摘一顆新鮮的小西紅柿放在嘴裏；我還希望在家裏點一點計算機或手機屏幕，就可以給莊稼澆水、施肥，給牛羊牲畜添加飼料；我再打幾個電話，就能把農場裏收獲的糧食、水果分發到各地的超市；還有，種出讓人吃了不長胖的糧食，讓媽媽吃了既健康又苗條，永遠年輕……如果以專業的眼光來分析，他的這段話包含著未來農業的三個突破點：植物工廠、智慧農業、功能食品。
植物工廠
土地是傳統農業的載體和根本。但人口的持續增長、土地資源的枯竭、極端氣候事件的頻發，已經使傳統農業的發展到了“瓶頸期”。因此，科學家們提出了“垂直農業”的概念，也就是利用先進的種植技術，把農業向上延伸，而不是向外擴展。這來源于對植物生長機理的理解和利用——我們知道，植物生長靠太陽，它們利用太陽光進行光合作用，把空氣中的二氧化碳和水轉變成葡萄糖、澱粉等有機物，這樣就可以長高、長大，直到開花結果，繁育後代。垂直農業利用的就是這個原理，即在適宜的條件下，只要給植物足夠的光和必需的營養，就可以實現植物的室內種植——把莊稼“種”到空中去，把一幢幢高樓大廈變成一座座農場，用車間生産的辦法來生産糧食和瓜果，甚至雞鴨魚肉。
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這種植物産品生産的工廠化農業系統，就是“植物工廠”。植物工廠是對光、溫、濕、二氧化碳及營養等生長環境條件全智能控制的植物高效穩定生産系統。目前，植物工廠是設施農業發展的高級階段，被看成農業産業化領域的“活力股”和“潛力股”，代表著未來農業的發展方向。研究發現，只要對生長環境進行控制，就可以對植物的生長周期進行調控。通過增加光照、改變“光配方”、改善營養液成分等，就可以實現對植物生長周期和生長狀態的控制，比如，生菜和小白菜在農田裏栽培需要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，在植物工廠裏，植物生長在人工王國，只要有足夠的光照（能量）和營養（水分、空氣、礦物質等），水果、蔬菜乃至糧食就可以“長了一茬又一茬”，幾乎不受外界的天氣、光照和土壤環境的影響。
植物工廠要求固定的設施，首先需要計算機和多種傳感器對環境進行精確控制、測量和反饋，簡單說來，就是根據不同的植物來設置溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等，還要實時測量植物的生長和生理狀態，生成數據並反饋至控制系統，對環境進行動態調節，因此，植物工廠依賴的是對設施的高精度智能化控制。研究發現，光質影響植物光合作用和光信號調節，在植物生長、表型與抗性中起重要作用，不同的植物對不同光譜的光（光質）具有偏好性。LED植物生長燈就是室內種植環境的“小太陽”，通過采用不同的LED光源，可以實現對光波和光譜的精確控制和搭配，比如，優化紅光/遠紅光的比例，可以提高三色堇的開花數量和質量，如果想讓石竹花的花青苷含量增加，花色紅豔，建議增加680nm的光；而要想長出又大又肥厚的綠油油的生菜，就需要多用藍光和紅光。我國的研發人員根據植物對光環境的要求，開發出了80多種專用光配方，用以滿足不同植物的生長發育需求。
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沒有土壤，植物工廠中的植物“吃”什麽？和田野生産不同，植物工廠要求潔淨的栽培空間，對某些育苗、組織培養型的植物工廠來說，甚至需要無菌培養室。在這種條件要求下，就需要以營養液來“飼餵”植物。植物工廠采用循環流動的營養液來爲植物提供營養。我們常說，蘿蔔青菜，各有所愛，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，對營養液的要求各不相同，食用類和藥用類的植物對于營養液的成分、酸堿性、溫度等也有不同的“挑剔”程度。這就要求植物工廠內對營養液進行個性化配制、滅菌、輸送和回收，實時監控營養液發生的變化並自動補充和校正，確保植物時刻處于一個穩定優良的營養液環境中。
由此看來，只要做到精准的人工控制，就可以在植物工廠裏實現萬物生長的夢想。植物工廠技術的突破，使高樓農場、荒漠農場、太空農場、航海農場、極地農場等成爲可能。根據目前的技術水平，1萬平方米的百層大樓可日産生菜、小白菜180噸，如果建設植物工廠，4棟大樓就能滿足新加坡600萬人每年25萬噸蔬菜的需求。我們也可以想象，只要在艦船上、空間站上建造規模合適的植物工廠，帶上種子、水和營養物質，利用太陽能或其他清潔能源，就可以長出既新鮮又有營養的糧食、蔬菜和水果來，解決航海、航天、沙漠、極地等環境中的吃飯問題。當然了，你也可以在自家的廚房、客廳和書房，設置功能不同、格調各異的微型植物工廠，讓生活和工作更有趣味。
智慧農業
近幾年來，“信息化”和“人工智能”不僅是兩個使用率非常高的時髦詞彙，也變成了很多行業的核心詞彙和努力方向。同樣地，在信息化和人工智能的共同幫助下，智慧農業離我們越來越近。
進入21世紀，我國農村人口伴隨城鎮化進程的加速而大量湧入城市，2011年，中國大陸的城鎮人口首次超過了農村。人口分布和人口結構的改變，提出了一個很現實的問題：“誰來種地？”2016年，國務院發布《全國農業現代化規劃（2016-2020年）》，指出農業的根本出路在于現代化，我國將大力推進農業現代化。近年發布的《新一代人工智能發展規劃》《數字鄉村發展戰略綱要》《數字農業農村發展規劃（2019—2025年）》等，都對農業數字化和智能化發展做出了頂層設計和系統謀劃。2019年，國家支持在一些省、市、自治區開展示範，建設“農業信息高速公路”。因此，我國農業目前正處于從“以人爲本”的傳統農業向“以智能機械爲本”的未來農業的快速轉型期。“讓機器來種地、管地”也成了破解“誰來種地”發展瓶頸的出路。
無人機、智能機器人、大數據技術在農業上的應用，將使農業進入數字化、精准化、網絡化和智能化的智慧農業時代。我們可以把數據平台看作是智慧農業的“大腦”，它通過數據應用服務和集成系統來獲取和分析數據並進行決策，從而指導農業生産。因此，未來的農民將和鋤頭、水泵說“拜拜”，因爲他可以通過遠程操作來完成從播種到收獲的各個環節。毫無疑問，未來的農場將是無人農場，未來的農民將在電腦上、甚至手機上指揮各種智能機械，有條不紊地完成種莊稼、長莊稼和收莊稼的工作。春天，無人駕駛的農機和機器人在田野裏協同作業，在翻整土地的同時精准施用根據土壤成分和作物需要而制備的肥料，多機聯動完成播種和育苗的各個步驟。通過無人機和各類傳感器、攝像頭來監測和掌握農田的水、肥、溫度、作物長勢、病蟲害等信息，經過“大腦”處理後，針對不同的地點、農作物、甚至不同的植株，形成特異的工作方案，通過遠程控制實現按需灌溉、准確施肥以及病蟲害精准生物防治。秋天，到了收獲的季節，自動化設備可以提前噴施落葉劑，並在采收的同時加以生物保鮮處理並打包，轉入流通環節，進入農業物聯網，使優質、安全、綠色的農産品及時出現在人們的餐桌上。
和傳統農業相比，以數字科技爲支撐的未來農業將是集約化、規模化、環境友好型的高效農業，是一場翻天覆地的生産方式變革。因此，農業成了蓬勃向上的朝陽産業，未來的農場是無汙染綠色生態農場，農民也將成爲人人羨慕的職業。
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。生物技術的發展促進了農業和健康産業的結合，一來科學技術不斷解析食品成分、膳食結構和營養條件與人體健康的關系，使人們了解怎樣通過“吃”來增強體質、提高免疫力；二來現代生物技術使培育具有特殊功能的植物成爲可能，育種技術和栽培技術的提高，可以實現農産品定量富集某些營養成分或功能性物質，引領未來農業向功能性農業發展，生産優質、營養和具有某些特殊功能的食品，也常被稱爲功能農産品。
根據功能食品的消費群體，可以把功能食品分爲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是營養和保健，針對健康消費群體。促進營養均衡、增加膳食纖維、調節機體生理狀態、提高免疫力等，往往通過食用一般性功能食品而實現。比如α-亞麻酸（ALA）屬于Omega-3系列多不飽和脂肪酸，是機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，對健康至關重要，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個野生種，全部起源于中國。牡丹花國色天香，被視爲我們的國花，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-亞麻酸的含量尤爲可觀，據測算，油用牡丹籽畝産200kg左右，含油率20%以上，其中不飽和脂肪酸含量高達92%，特別是α-亞麻酸的含量達43%，因此，牡丹油即是一類可以預防心血管疾病的保健食用油。再比如被稱爲“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養需求的食物。鋅和硒是人體必需的微量元素，可以增強免疫力、改善視力、提高注意力，並減少疲勞感，目前已經用傳統育種或生物工程的方法培育出了富含鋅和硒的大米，可供腦力勞動者食用。我國植物資源豐富，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值，而且還可以直接拿來或者經過選育和改造後作爲“藥食同源”的保健食品服務于大衆。
爲特殊人群生産特異功能食品一直是科學家們努力的方向。有數據顯示，中國人的平均體重超過了其他很多國家，中國也成爲世界上“最胖”的國家之一。肥胖症、糖尿病、高血壓、高血脂等“富貴病”也越來越常見，爲此大家總在問，有沒有讓人吃了不發胖的食物？可不可以給糖尿病患者生産特殊的糧食？富含高抗性澱粉的谷物是一個有效的解決途徑，也是國內外作物育種和功能食品研究的熱點。我們知道，大米、面粉、玉米面的主要成分是澱粉，比如在小麥種子中，澱粉含量占胚乳重量的80%以上。我們吃的澱粉首先被澱粉酶水解，逐級消化産生寡糖、葡萄糖，直接被人體利用或者以糖原的形式存儲在肝髒。而抗性澱粉主要存在于高直鏈、低支鏈澱粉顆粒中，被稱爲“抗酶解澱粉”或“難消化澱粉”，人吃下後難以快速消化，有助于保持血糖水平的恒定，還具有膳食纖維的功能，促進腸胃蠕動，增加鋅、鈣、鎂離子的吸收，不僅可以促進人體健康，還是糖尿病和肥胖症患者的理想口糧。
基因組學研究、分子設計育種、基因編輯技術、合成生物學技術、野生種質資源挖掘和植物栽培技術的飛速發展，已經爲科學家們提供了制造更健康的食品和培育更多功能農産品的技術、方法和材料。隨著對基因和分子模塊功能的深入研究，某些農作物的育種過程也越來越像模塊玩具的“插件拼裝”過程，而合成生物學和基因編輯技術，不僅可以將植物體原本不存在的合成代謝途徑導入植物，還可以實現野生資源的快速馴化，因此，在多種分子生物研究技術的加持下，將不同的優良性狀結合起來，培育出高産、抗逆、綠色、營養、具有特種功能的新品種，滿足不同消費者需要，已慢慢成爲農業生産的現狀。人們常說，沒有做不到，只有想不到。試問，你想要什麽樣的高顔值、富營養、口感佳的農産品？請提出來，讓科學家們來爲你生産！
《光明日報》（ 2020年12月10日16版）
來源： 光明網-《光明日報》