廖芬

植物工廠是一大“農業(yè)代表”，代表著未來農業(yè)的發(fā)展方向。但是，近兩年來植物工廠處于一種比較尷尬的境地。有人做得風生水起，有人進入賽道之后進退維谷，有人想做不敢做，有旁觀者看好，也有旁觀者唱衰。

植物工廠，從廣義上講涵蓋了從利用自然光到人工光和混合光源的所有設施園藝，從狹義上講則是專指利用環(huán)境自動控制、電子技術、生物技術、機器人和新材料等進行植物周年連續(xù)生產的系統，也就是利用計算機對植物生長的溫度、濕度、光照、CO₂濃度和營養(yǎng)液等環(huán)境條件進行自動控制，使設施內植物生長不受自然氣候制約的省力型生產。

植物工廠的興起與發(fā)展

作為設施農業(yè)中的后起之秀，植物工廠的發(fā)展大致經歷了3個階段：

早期實驗探索階段是20世紀40年代至70年代初，當時“營養(yǎng)液栽培技術”和“人工模擬與控制環(huán)境技術”的突破為植物工廠的出現奠定了技術基礎。

1957年，世界上第一座植物工廠在丹麥約克里斯頓農場落成。早在那時，這座1000m²的植物工廠就實現了從播種到收獲采用全自動的傳送帶流水作業(yè)。不過這一時期的植物工廠建設規(guī)模還較小，范圍也局限于實驗室和示范農場，并且能耗大、運行成本高。

發(fā)展到20世紀70年代至90年代末。植物工廠進入了示范應用階段。水培和人工光源技術的突破成為了這一時期的顯著標志。此階段，熒光燈逐漸取代高壓鈉燈，紅光LED開始投入使用，人工光源不斷改善，光源能耗有所降低。此外，傳感器與自動控制技術逐漸引入，植物工廠的示范應用面也不斷擴大。

這一時期，美國通用食品公司、賽納拉魯米勒斯公司與依法德法姆公司等，以及荷蘭的飛利浦、日本的日立、三菱重工等多家公司紛紛開始開展植物工廠的研發(fā)。

21世紀初開始，植物工廠進入快速發(fā)展階段。在紅光LED之外，藍光LED和紅藍LED組合光源均研制成功，并且網絡的智能控制技術也得以應用。此后，植物工廠光源能耗進一步降低，智能化管控成為了可能。

至今植物工廠仍然是農業(yè)行業(yè)內外人士關注的焦點，而植物工廠的出現絕非偶然，我們從植物工廠能解決的問題便可倒推其廣受關注的原因。

首先，植物工廠無需占用大面積的土地，且不受環(huán)境條件限制，可實現在城市停車場、室內等地全周期、大規(guī)模生產。這意味著人口快速增長與土地資源短缺、耕地日益減少之間的矛盾有了解法。

其次，在植物工廠里，不會有重金屬進入生產系統，嚴格管控條件下不存在病害和蟲害，不需要使用農藥，食物可以直接食用。這有利于解決農藥化肥濫用、環(huán)境污染等問題。滿足人們對食品安全、健康、綠色等方面的需求。

最后，植物工廠作為農業(yè)科技發(fā)展重要的一支，是現代農業(yè)的重要表現形式，其勞作方式與傳統農業(yè)截然不同，智能作業(yè)方式既可以吸引年輕人進入農業(yè)行業(yè)。又可以緩解農業(yè)從業(yè)人口老齡化的問題。

盡管我國植物工廠的發(fā)展開始于植物工廠示范應用階段后期，相比于歐、美、日等發(fā)達國家起步較晚，但我國植物工廠發(fā)展的速度較快。

關鍵突破，技術攻關

從植物工廠的發(fā)展歷程來看，植物工廠能取得跨越式發(fā)展的基礎就是技術突破，而技術突破主要圍繞光源創(chuàng)新、栽培技術和智能化控制3項關鍵技術展開。

首先，植物工廠的目標之一是獲得優(yōu)質的農產品，這意味著其生產核心在于滿足植物快速生長的需求。其中，光是環(huán)境信號和光合作用能量的唯一來源，是設施植物生長發(fā)育和產品品質形成所必須控制的環(huán)境要素。而為了達到植物栽培的理想光環(huán)境要求，人們開始根據設施植物的光照需求，設置人工光環(huán)境及管理策略，其后LED光質生物學及其植物工廠應用LED半導體光源逐漸發(fā)展了起來。

其次，立體多層無土栽培技術裝備是人工光植物工廠必要的裝備，也是太陽光植物工廠需要迫切發(fā)展的技術裝備。立體多層無土栽培技術裝備主要包括營養(yǎng)液儲存供給系統，如營養(yǎng)液池、泵動系統、供液回液管路、定植床、控制系統等。幾年前，以NFT和DFT技術為基礎的多種立體多層無土栽培技術裝備已開發(fā)出來，適合葉菜、根莖類植物生產。

最后，高效環(huán)保的環(huán)境調控技術是植物工廠技術研發(fā)的重點。在環(huán)境控制要素中，最重要的是養(yǎng)分和光照，其智能控制難度較大，控制策略具有時間和空間要求，也需要和其他環(huán)境要素耦合統籌控制，這是當下及今后很長一段時間研究開發(fā)的關鍵。此外，基于網絡的智能化管理也是植物工廠近年來突破的又一重點。

商業(yè)模式拓展的可能性

植物工廠是用高科技打造的現代農業(yè)可持續(xù)生產系統，市場前景可觀。但中國農業(yè)科學院都市農業(yè)研究所副所長楊其長曾表示：植物工廠的市場需要一個培育的過程，如果民眾了解并且認可植物工廠的模式。那其產品自然就會得到認可。不過，植物工廠產出的菜也不會是普通消費者的首選，“只能是小部分人群的消費品”。

如果僅僅是賣產品，植物工廠的發(fā)展難免受限。所以除了植物工廠培育的蔬菜上市銷售之外，很多植物工廠也開發(fā)了新型商業(yè)模式，例如：教育培訓、休閑觀光、采摘體驗等。既能從多模式挖掘用戶對植物工廠的不同需求，又可以提升植物工廠的附加值。

專家也表示，就未來商業(yè)模式拓展來說，植物工廠除了生產功能外，在家庭園藝、社區(qū)農業(yè)、科普教育、設施裝備輸出等方面也有比較大的需求，比如現在小菜園工程在深圳、廣州等地就有一定的發(fā)揮空間。

此外，植物工廠本身是一個多技術的集成體，可以做單一技術的輻射化應用。以植物工廠中可調控的環(huán)境這套程序和系統為例，它調控精度比較高，可以輻射應用到比它技術門檻低的場景中，如溫室大棚。還包括灌溉系統、施肥系統、光源系統等同樣如此，單拎出來的單項技術就可以實現價值延伸。

無限未來與現實挑戰(zhàn)

當植物工廠完全采用工業(yè)化、程序化的生產模式，栽培環(huán)境也達到最優(yōu)化時，其生產所具有的短周期、高產量、高品質、高效益的優(yōu)勢是傳統農作模式難以望其項背的。雖然未來可期，但是當前植物工廠在發(fā)展和推廣上仍存在一些“瓶頸”問題。

成本高是第一個攔路虎。商業(yè)化植物工廠的成本分為一次性投資、設備折舊、生產管理3個方面。先不說設備折舊和生產管理，單從初始的建設投入來說，這也是一筆不容小覷的投資。

前瞻產業(yè)研究院根據我國首個商業(yè)化大型植物工廠（中科三安）的數據計算得出：建設1000平米以下的植物工廠（包括內部裝修、設備、設施），每平米的成本在15000元-20000元之間;建設5000-10000平米的植物工廠，每平米的成本在8000元-10000元;建設10000平米以上的大型植物工廠，建設成本會下降至8000元/平米以下。而這只是高昂的前期投入，后期維護以及能耗成本問題同樣明顯。

近些年來，得益于人工光源的創(chuàng)新，植物工廠的能耗有所下降。但是，在整個能耗結構中，照明依舊占著80%的比重，并且能耗占比植物工廠總成本結構的25%。植物工廠降本增效仍任重道遠。

提到植物工廠栽培的作物，第一個想到的往往是生菜。因此。對作物在植物工廠中生長規(guī)律的研究還不夠深，所涉及的作物種類較少，是成本之外的又一重大挑戰(zhàn)。

不同作物生長需要不同的光照強度、溫濕度和營養(yǎng)條件等，并且同一作物在生長期內所需的環(huán)境條件也不斷發(fā)生變化。這意味著打造一套長期統一的生長模式不可行，需要根據不同的作物的生長規(guī)律和特性量身定制適宜的生長環(huán)境，而這需要大量的研究和數據支撐。當前。有關不同作物標準化、程序化、專家化的生長指標缺失，使得植物工廠可以栽培的作物類型有限，且類似工業(yè)化的精細生產和管理難以達成。

當然，還有一個不得不面對的挑戰(zhàn)就是植物工廠的經濟效益問題。高投入、高運行成本，即便產量大、品質好，但當產品定價遠高于普通蔬菜時，又有多少消費者愿意為之買單呢？市場培育所耗費的時間成本也是十分現實的問題。

未來，如何利用技術提高植物工廠農產品的市場競爭能力，怎樣開拓并推廣新的商業(yè)模式等都是我們真正切實推動植物工廠發(fā)展，邁向未來農業(yè)，打造可持續(xù)生產系統必須思考并給出答案的問題。

小結

植物工廠是在歐美起步的，但得到充分發(fā)展則是在日本。日本政府對植物工廠的發(fā)展非常重視，對建設植物工廠的企業(yè)和個人直接補貼50%以上，從而促進了植物工廠快速發(fā)展，截至2020年2月，日本共有386座“植物工廠”。

現階段，由于制造業(yè)的優(yōu)勢，日本人工光型植物工廠技術全球領先。已完全處于商業(yè)化、產業(yè)化發(fā)展階段?！爸参锕S”在日本已不再是一個領先概念。而是切實的生活體驗。據日本富士經濟統計，日本每年有55萬噸的生菜需求，“植物工廠”供貨量在2019年約為1.7萬噸。市場份額占3%左右。預計到2030年，供貨量將達到6.2萬噸。市場份額超過10%。

植物工廠相較傳統農業(yè)而言。是一場翻天覆地的生產方式變革。技術的高度集成與應用是其顯著特征，因此植物工廠又被認為是衡量一個國家農業(yè)高技術水平的重要標志，其對一國農業(yè)進步甚至是國家整體發(fā)展的重要性不言而喻。

我國植物工廠開始得晚，但發(fā)展速度快，行業(yè)內研究者和創(chuàng)新企業(yè)日積月累的技術創(chuàng)新成果令人驚嘆。但也不得不承認，我國植物工廠的普及和推廣還需要下大功夫，在未來很長一段時間內如何突破技術瓶頸，降低能耗，構建植物工廠生產的標準技術體系極為關鍵。

本文來源：35斗