太空农业生产目标是开发安全可靠且可持续发展的新鲜食品生产系统，以减少补给质量和人员工作时间。在过去的50年中，植物生长系统已在近地轨道（LEO）上的许多平台——包括礼炮号空间站、航天飞机、和平号空间站和国际空间站上部署，主要用于研究微重力对植物生理的影响，并确定太空中植物的生长、发育和繁殖是否与在地球上时相同。

与此同时，NASA和美国众多大学、私人企业以及国际太空机构也在进行着更为广泛的太空农业生产研究。这些地面研究发现，在光的输入量为每天40mol/m2的情况下，要利用植物产生出一个人1年所需的热量食物，就需要约40～50m2的种植面积和约90kg的肥料。当植物在可变重力环境中，与在1g重力情况下生长速率不同，需要更大的种植面积和更多的肥料。

当前，用于微重力下植物生长的最先进的根模块是一种一次性使用的大小为0.2m2的高级植物栖息地（APH）科学载体，它使用了约4kg的可消耗多孔基质介质。要想让APH升级到“沙拉制造厂”，每年生长出13颗莴苣，需要重新补充大约52kg的培养基。当营养耗尽后，这种培养基就变成在微重力下不易回收的废物。对于所进行的植物生物学科学实验而言，这些做法和消耗可被接受，但对于新鲜食品生产系统来说，却是不可持续的。

不过，这些改良后的航天植物生长系统主要用于支持空间生物学实验，其使命在实验完成时便结束了。NASA已确定需要更加强大的“采摘即可食（Pick-and-Eat）”系统，以便能够在短期的LEO、地月轨道间和登月任务中利用新鲜的多叶绿色作物来补充乘员饮食。目前，面临的挑战是开发和验证无基质的独立输水系统性能，使其可以安全种植出适合在航天器环境中生长的色拉作物，以便在未来的地月运输任务、登月任务和探索火星任务中为航天员们补充食物。

如果不能为航天员提供安全可口且营养丰富的食物系统，则无法完成载人深空探索任务。由于食物生产系统本身是复杂的生命保障系统的一部分，因此，食物系统的设计还必须涉及到每次任务期间各资源的平衡匹配，需要考虑耗水量、食物准备时间、所占空间、发射质量和功率需求等等。

当前，最先进的食品生产系统就在国际空间站上。该系统利用环境储存的预包装食品，可为每名航天员每天提供1.8千克食品。

不过，最近NASA对国际空间站的食品系统进行了评估，得出的结论是，该系统还不足以支持长达5年的载人深空探索任务。当超过3年以上的长期存储时，食物营养成分就会缺失，可食用性会变差，这是导致航天员营养摄入不足的两个主要原因。

测试表明，为了防止食物变质而进行的加工会损失食物中的某些营养素（例如，钾）；同时，在长期飞行任务时间内的存储，某些营养素也会降解到不足的水平（例如，维生素B1、维生素C和维生素K）。因此，食用新鲜的农产品可以将这些营养素进行有效补充，以平衡存储型食物的不足，并且使航天员能够以天然的、全食的形式获取抗氧化剂和植物营养成份。

无土的水和养分输送系统，包括水栽培和气雾栽培，可避免大量一次性多孔介质的持续补给，但这两种栽培方式都面临着一些挑战：闭合度问题、如何为根部提供足够的通气、如何处理好液气分离等。在地球上，水栽培方法（如营养液膜栽培（NFT））已经是一套高效的植物种植体系，因为它可以精确控制根区的通风情况和养分输送，而且也被认为是适合早期月球和火星栖息地粮食生产的领先技术。

肯尼迪航天中心正在开发和评估两种候选的无土水和养分输送系统：一种是多孔管养分输送系统（PTNDS），一种是按需浇灌系统（On-Demand）。PTNDS系统利用具有吸力的陶瓷多孔薄膜来浇灌，植物直接在管道上播种和发芽。On-Demand系统则使用来自湿度传感器的反馈驱动泵和螺线管，以保持泡沫或多孔介质基质中恒定的根区湿度。

肯尼迪航天中心模拟了在国际空间站中的种植环境条件，通过比较生产率，对这些候选供水系统的性能进行了评估。NFT系统平均生产了78g植物（n=3），比在较低的CO2浓度（1000umolmol-1）和较高的相对湿度（65％）下生产的100g植物的产量更低。APH系统、On-Demand系统和PTNDS系统的生产率分别是NFT的51％、39％和34％。研究认为，水培生菜的茎新鲜质量是气雾栽培和土壤栽培的生菜的两倍。很明显，需要一种能弥补生产率差距的输水技术。

未来，输水系统的进展，如全重力水培系统也将在肯尼迪航天中心进行测试。全重力水培系统利用微重力流体技术的最新进展，设计了一种被动的、对重力不敏感的水培灌溉系统。通过利用导管的特殊几何形状和营养液的湿润特性，表面张力将控制流动，可模拟出重力在太空和低重力环境中的作用。预计当系统在有重力作用的陆地、月球和火星环境中运行时，所需的操作变量最小。

自主的植物健康和食品安全监测系统可以提高人们的信心，使人们相信生产的食物适合作为新鲜的、营养丰富的沙拉作物，可补充乘员的饮食。

在LEO以远部署新鲜食品生产系统，可能需要在没有航天员干预的情况下自主评估植物的健康状况。目前，可以通过对植物生长速率的非破坏性测量来检测不良生长状况的发生，这些测量是通过对叶面积日增量的影像分析而获得的。然而，通过这种方法检测，只有在叶面积出现明显变化的前几天才能够观察到异样。

最好能拥有在视觉变化出现之前就检测出生长不良的新系统。近年来，利用遥感技术可无破坏性地捕捉植物对环境变化的反应。因此，未来的食品生产系统可能配备有多传感器系统，以近实时地对植物进行成像，包括从发芽到成熟的整个生长周期。待评估的候选传感器包括一系列遥感工具，包括光谱辐射测量、可见光到远红外、高光谱、热成像和荧光到三色成像。

为了确保所生产的“采摘即可食”的新鲜食品能够安全地供人食用，需要制定危害分析关键控制点（HACCP）计划。在食品的生产、生长、收获和后加工各个阶段的关键控制点，均通过微生物学测试进行识别、评估和监控。当确定在过程中存在潜在危害时，可以采取适当的控制措施，以最大程度地降低微生物方面的风险。对原料、水、废水和产品进行微生物学测试，有助于了解食品生产系统的微生物生态学（包括细菌和真菌的种群密度和类型等）。

HACCP计划已经在太空的粮食作物系统中实施。目前，在国际空间站上Veggie系统的作物生产周期中也正在收集类似的数据（表1）。

在Veggie中，样品从太空返回地球进行分析，以验证HACCP计划的有效性。而在LEO以远的长期任务中，让微生物样品返回地球是不可能的，因此需要开发出在航天器上验证HACCP计划的方法并得以实施。

在改良植物时，需要培育出新的植物物种和栽培品种，需要它们在航天环境条件（例如较高的CO2浓度和较低相对湿度）下生长时的生长习性得以改善、并具有更高的抗氧化剂、维生素和矿物质含量。

不同的通风情况、低湿度（45％）、光谱质量和高浓度CO2（3000umolmol-1）的组合条件会影响到植物的发芽、生长习性、产量、营养价值，甚至于风味。最新发现表明，在高浓度CO2环境下生长的植物会损失其营养价值，其含有的锌、铁和维生素都会降低，即使这里CO2的浓度还远低于航天器中的浓度。这些营养损失在航天器中可能还会加剧。因此，需要培育出转基因和生物强化作物。这可以通过基因编辑进行作物改良来实现，以提高作物的产量、抗病性和营养价值。

开发可持续的、无土的水和养分输送系统，以最大限度地减少消耗品（如多孔介质基底）的使用并优化植物生长；

开发自主植物健康系统和食品安全监控系统，以提供安全的“采摘即可食”多叶作物，补充储存型食物的不足；

培育生物强化作物，增加其矿物质和维生素的含量，以克服因二氧化碳浓度升高而引起的潜在矿物质缺乏症，从而确保航天员在未来的地月往返飞行任务、月球任务和火星探索期间的营养和健康。（张田）