李清明，仝宇欣，楊 曉，楊其長(zhǎng)**

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所，成都 610000；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

植物工廠是一種通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)作物周年連續(xù)生長(zhǎng)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)對(duì)作物生育過程的光照、溫度、濕度、CO2濃度以及養(yǎng)分等進(jìn)行自動(dòng)精準(zhǔn)控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式[1]。植物工廠作為技術(shù)高度密集的產(chǎn)業(yè)形態(tài)，涉及工程材料、環(huán)控裝備、智慧決策以及輔助機(jī)器人等核心技術(shù)，多年來(lái)一直被國(guó)際上公認(rèn)為設(shè)施農(nóng)業(yè)最高級(jí)發(fā)展階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全球室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)市場(chǎng)份額已達(dá)323億美元，在東亞、歐美，尤其在日本、中國(guó)、韓國(guó)、美國(guó)、新加坡等國(guó)家和地區(qū)發(fā)展迅速，一些國(guó)際知名企業(yè)（如飛利浦、三菱等）也紛紛投入植物工廠的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)推廣，全球植物工廠呈現(xiàn)極為活躍的發(fā)展態(tài)勢(shì)。植物工廠可以說是資源高效利用、技術(shù)高度密集的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方式，可擺脫資源與環(huán)境的束縛，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的工業(yè)化生產(chǎn)，吸引新生代勞力務(wù)農(nóng)，被世界各國(guó)列為農(nóng)業(yè)高技術(shù)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向[2]。

發(fā)展背景及意義

隨著全球人口的快速增長(zhǎng)，可用耕地不斷減少，如何利用有限耕地滿足人們對(duì)食物日益增長(zhǎng)的需求已經(jīng)成為全球性難題；隨著城市化快速發(fā)展和人們生活水平不斷提高，人們對(duì)潔凈安全農(nóng)產(chǎn)品的需求越來(lái)越迫切；農(nóng)業(yè)從業(yè)人口老齡化，年輕人不愿務(wù)農(nóng)的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，吸引年輕人務(wù)農(nóng)已經(jīng)成為全球面臨的重大課題。植物工廠作為一種單位產(chǎn)能高（可達(dá)露地生產(chǎn)的40倍以上）、資源高效利用、機(jī)械化自動(dòng)化程度高、工作環(huán)境相對(duì)輕松的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，近年來(lái)被世界各國(guó)尤其是耕地資源相對(duì)緊缺的國(guó)家，作為解決所面臨的食物安全、新生代勞動(dòng)力不足等難題，保障農(nóng)產(chǎn)品有效供給的重要發(fā)展方向。

發(fā)展歷程及研究進(jìn)展

1949年美國(guó)植物生理和園藝學(xué)家F.W.Went教授在加州帕薩迪納建立的第一座人工氣候室，1953年和1957年日本和前蘇聯(lián)相繼建成的大型人工氣候室，為人工光植物工廠奠定了基礎(chǔ)。1957年丹麥約克里斯頓農(nóng)場(chǎng)建成了世界上第一座植物工廠，1960年美國(guó)通用電氣公司開展人工光植物工廠研發(fā)，1963年奧地利盧斯那公司建成了一座高30 m的塔式植物工廠，歐美國(guó)家陸續(xù)開展植物工廠的研發(fā)與應(yīng)用，但由于這一時(shí)期的光源主要采用高壓鈉燈，能耗高、產(chǎn)生熱量多，植物工廠的發(fā)展僅停留在展示與試驗(yàn)研究階段。日本植物工廠起步于20世紀(jì)70年代，但發(fā)展速度相對(duì)較快，1974年日本電力中央研究所高辻正基等開始進(jìn)行人工光植物工廠的研究，1983年在靜岡三浦農(nóng)場(chǎng)推出日本第一個(gè)商業(yè)化人工光植物工廠，1989年專門成立了植物工廠學(xué)會(huì)。到2020年底，日本已經(jīng)建成約300座商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的植物工廠[3]。

國(guó)外植物工廠研究進(jìn)展

早期植物工廠研究主要集中在人工光源改進(jìn)、栽培模式創(chuàng)新以及環(huán)境與營(yíng)養(yǎng)調(diào)控等方面，栽培作物主要選用葉菜和一些高附加值的藥用作物。從20世紀(jì)50年代起，歐美和日本等開始進(jìn)行以高壓鈉燈為核心的植物工廠探索，20世紀(jì)90年代熒光燈開始應(yīng)用，日本電力中央研究所和荷蘭飛利浦公司開發(fā)了相關(guān)的人工光源及配套系統(tǒng)。隨著藍(lán)光LED的創(chuàng)新發(fā)明，為L(zhǎng)ED節(jié)能光源在植物工廠應(yīng)用以及多層立體栽培提供了重要技術(shù)支撐。日本千葉大學(xué)、荷蘭瓦赫寧根大學(xué)等多年來(lái)一直致力于營(yíng)養(yǎng)液栽培和人工模擬環(huán)境控制技術(shù)的創(chuàng)新研究，韓國(guó)首爾大學(xué)、英國(guó)諾丁漢大學(xué)等在營(yíng)養(yǎng)液配方、光-營(yíng)養(yǎng)協(xié)同調(diào)控等方面進(jìn)行了系統(tǒng)探索，促進(jìn)了植物工廠產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。但由于存在系統(tǒng)能耗大、運(yùn)行成本高等突出瓶頸，大規(guī)模應(yīng)用仍受到一定限制。

21世紀(jì)以來(lái)，植物工廠的研究逐漸轉(zhuǎn)向光效能效提升、多層立體栽培系統(tǒng)裝備創(chuàng)制和智能化管控研發(fā)等方面。日本千葉大學(xué)在高效光源、節(jié)能環(huán)控、栽培工藝等方面取得多項(xiàng)創(chuàng)新，尤其在多層立體空間拓展以及自動(dòng)化方面進(jìn)行了積極探索。日本宮城縣多賀市的LED植物工廠占地面積2300 m2，15層立體栽培架，日產(chǎn)葉菜達(dá)1萬(wàn)株以上。Spread公司建成占地面積達(dá)4400 m2的人工光植物工廠，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)，日產(chǎn)葉菜3萬(wàn)株。荷蘭瓦赫寧根大學(xué)采用作物-環(huán)境模擬與動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)開發(fā)出植物工廠智能化裝備系統(tǒng)，使人工光植物工廠的運(yùn)行成本大幅降低，勞動(dòng)生產(chǎn)率顯著提高[4]。

目前在植物工廠的高技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域，日本、美國(guó)等走在前列，其機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化程度較高，逐步實(shí)現(xiàn)了從播種、育苗、移栽、收獲等生產(chǎn)過程的半自動(dòng)化，正在向垂直農(nóng)業(yè)與無(wú)人化等方向發(fā)展。同時(shí)，發(fā)達(dá)國(guó)家也在積極推進(jìn)植物工廠的商業(yè)化應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化推廣，具有代表性的有美國(guó)新澤西州紐瓦克市Aerofarm植物工廠（圖1）、美國(guó)Plenty公司垂直植物工廠（圖2）、新加坡Sky Greens公司垂直蔬菜工廠（圖3）、英格蘭Jones食品公司垂直植物工廠（圖4）等。

圖1 美國(guó)AeroFarm公司植物工廠

圖2 美國(guó)Plenty公司垂直植物工廠

圖3 新加坡Sky Greens公司垂直蔬菜工廠

圖4 英格蘭Jones食品公司垂直植物工廠

國(guó)內(nèi)植物工廠研究進(jìn)展

中國(guó)是植物工廠產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的國(guó)家，十幾年時(shí)間走過了發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)资甑陌l(fā)展歷程。目前，中國(guó)人工光植物工廠總數(shù)約250座，成為數(shù)量?jī)H次于日本的植物工廠大國(guó)，植物工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入電商或超市平臺(tái)。近年來(lái)，中國(guó)植物工廠研究主要圍繞光效能效提升、環(huán)境與營(yíng)養(yǎng)調(diào)控以及無(wú)人化成套技術(shù)研發(fā)與裝備創(chuàng)制等方面，正在成為全球規(guī)模最大的裝備生產(chǎn)國(guó)。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院于2006年建成中國(guó)首座面積為20 m2的科研型人工光植物工廠實(shí)驗(yàn)室，2009年建成100 m2LED植物工廠試驗(yàn)系統(tǒng)，解決了國(guó)產(chǎn)人工光植物工廠關(guān)鍵技術(shù)難題和光配方優(yōu)化調(diào)控技術(shù)，為中國(guó)植物工廠研究奠定了基礎(chǔ)。2009年國(guó)內(nèi)首例智能人工光植物工廠在中國(guó)長(zhǎng)春國(guó)際農(nóng)業(yè)博覽會(huì)亮相，標(biāo)志著中國(guó)植物工廠商業(yè)化應(yīng)用正式起步。2010年上海世博會(huì)首次展出的“低碳·智能·家庭植物工廠”為植物工廠技術(shù)走向家庭和都市生活提供了超前的示范樣板。2013年，中國(guó)正式將“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究”項(xiàng)目列入國(guó)家“863”計(jì)劃，10多家科教單位聯(lián)合攻關(guān)，突破了一批植物工廠核心關(guān)鍵技術(shù)。作為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域唯一入選國(guó)家“十二五”科技創(chuàng)新成就展的標(biāo)志性重大成果的項(xiàng)目，“智能LED植物工廠”受到黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的高度肯定。北京京鵬示范型植物工廠是國(guó)內(nèi)第一座規(guī)?；闹参锕S，由北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所和北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司建立。該植物工廠位于北京市通州區(qū)，占地1289 m2，室內(nèi)部分為組培播種區(qū)、育（煉）苗區(qū)、生產(chǎn)收獲區(qū)和包裝貯藏區(qū)4大區(qū)域，配有人工光利用型、太陽(yáng)光利用型、太陽(yáng)光和人工光并用型等三種不同模式的植物工廠生產(chǎn)車間。2015年，中國(guó)科學(xué)院植物研究所與福建三安集團(tuán)合作成立福建省中科生物股份有限公司，共建植物工廠研究院和植物工廠產(chǎn)業(yè)化基地，有力推動(dòng)了LED植物光源及植物工廠自動(dòng)化裝備的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，并向美國(guó)、新加坡等國(guó)輸出技術(shù)產(chǎn)品。2017年，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院主持完成的“高光效低能耗LED智能植物工廠關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)集成”獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。2021年，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所研發(fā)的“無(wú)人植物工廠水稻育種加速器”實(shí)現(xiàn)水稻生育期減半、63天收獲（圖5），開辟了植物工廠快速育種新方向。

圖5 無(wú)人植物工廠水稻育種加速器

近年來(lái)，植物工廠全流程作業(yè)的智能化以及無(wú)人植物工廠智能裝備研發(fā)等研究領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)激烈，已成為全球植物工廠研究熱點(diǎn)。福建省中科生物股份有限公司研發(fā)出UPLIFT AI自動(dòng)化垂直農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)（圖6），率先實(shí)現(xiàn)除采收外的全流程無(wú)人化作業(yè)，獲2021年第一屆中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)。其中UPLIFT無(wú)人化垂直農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)首次在陜西楊凌農(nóng)高區(qū)智慧農(nóng)業(yè)示范園商業(yè)化落地，占地2400 m2，種植層架達(dá)到10層。上海英植科技有限公司（圖7）開發(fā)的無(wú)人化植物工廠，正在進(jìn)行中試示范并取得了較好的效果，預(yù)期進(jìn)行規(guī)?；茝V應(yīng)用。江西上饒投資3000萬(wàn)元建成的20層人工光植物工廠位于上饒國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園內(nèi)，為目前亞洲最高（總高12 m）的全自動(dòng)封閉式人工光植物工廠，采用全程無(wú)人化生產(chǎn)模式，可穩(wěn)定供應(yīng)多品種綠葉蔬菜2 t/天。

圖6 福建省中科生物股份有限公司自動(dòng)化垂直農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)

圖7 上海英植科技有限公司無(wú)人植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)

植物工廠面臨挑戰(zhàn)

植物工廠雖然擁有眾多優(yōu)勢(shì)以及廣泛的社會(huì)需求，但在實(shí)際發(fā)展過程中也面臨諸多“瓶頸”，如初期建設(shè)成本過高、光源與空調(diào)能耗較大以及經(jīng)濟(jì)效益不高等，突破這些瓶頸是實(shí)現(xiàn)植物工廠持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵。

初期建設(shè)成本較高

植物工廠需要在完全封閉的室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行生產(chǎn)，因此需要構(gòu)建包括保溫外維護(hù)結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、人工光源系統(tǒng)、多層立體栽培系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在內(nèi)的相關(guān)工程與配套裝備。與露地、溫室大棚等生產(chǎn)方式相比，投資成本相對(duì)較高，尤其是人工光源在所有成本中占比較大，約占總成本的40%～50%。

系統(tǒng)能耗與運(yùn)行費(fèi)用較大

能耗問題一直是影響植物工廠發(fā)展的主要“瓶頸”之一，能耗成本約占其總成本的28%左右。植物工廠能耗主要由三部分構(gòu)成，人工光照明系統(tǒng)約占總能耗的60%、空調(diào)系統(tǒng)約占35%、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)水泵等其他部分約占5%。近年來(lái)，人工光源逐漸采用LED替代傳統(tǒng)的高壓鈉燈和熒光燈，光源能耗得到一定程度的下降，但葉菜光源能耗仍會(huì)達(dá)到7～12 kW.h/kg[5]。

缺乏專業(yè)化市場(chǎng)培育

植物工廠采用完全密閉環(huán)境下的營(yíng)養(yǎng)液栽培，避免了土壤栽培中可能存在的細(xì)菌、微生物和重金屬等污染，而且由于生產(chǎn)環(huán)境相對(duì)封閉、不直接接觸大氣，減少了空氣中灰塵、病原微生物污染，也不會(huì)施用農(nóng)藥與化學(xué)制劑。這種在潔凈、安全環(huán)境下生產(chǎn)出來(lái)的高品質(zhì)蔬菜，生產(chǎn)成本相對(duì)較高，如果不能與常規(guī)產(chǎn)品形成價(jià)格的差異化，肯定會(huì)出現(xiàn)虧損。目前，市場(chǎng)對(duì)植物工廠蔬菜產(chǎn)品的認(rèn)知度還不太高，專業(yè)化市場(chǎng)培育仍是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。在日本、美國(guó)等國(guó)家，植物工廠生產(chǎn)的蔬菜已經(jīng)有專門的標(biāo)識(shí)和認(rèn)證，市場(chǎng)售價(jià)通常比常規(guī)蔬菜要高出50%～100%。由于中國(guó)植物工廠起步相對(duì)較晚，專業(yè)化市場(chǎng)亟待培育。

商業(yè)化盈利面薄弱

植物工廠是一種投入成本相對(duì)較高的生產(chǎn)方式，要取得商業(yè)化盈利，必須保證有較高的產(chǎn)出，并盡可能減少投入。植物工廠的投入成本一般由兩部分構(gòu)成，一部分為建筑與設(shè)備成本，另一部分為生產(chǎn)運(yùn)行成本。植物工廠產(chǎn)出主要為商品性產(chǎn)品銷售的收益。由于植物工廠投入成本相對(duì)較高，如果其產(chǎn)品售價(jià)與露地、溫室生產(chǎn)的產(chǎn)品無(wú)任何差異的話，很難獲得盈利。目前植物工廠市場(chǎng)培育和品牌推廣尚處于起步階段，商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式尚不成熟，整體盈利面還不高。據(jù)日本學(xué)者古在豐樹教授估計(jì)，日本植物工廠約有30%盈利，50%保持盈虧平衡，仍有20%虧損。

植物工廠發(fā)展趨勢(shì)

植物工廠作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)最活躍的產(chǎn)業(yè)方向，近年來(lái)得到了社會(huì)的廣泛關(guān)注和金融資本追逐，以美國(guó)Aerofarm植物工廠在納斯達(dá)克上市、Plenty公司垂直植物工廠項(xiàng)目得到超過2.5億美元融資、中科三安等多家光電企業(yè)深度介入植物工廠產(chǎn)業(yè)等為標(biāo)志，有力推動(dòng)了植物工廠產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[6]。未來(lái)植物工廠產(chǎn)業(yè)將會(huì)呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)。

深度融入城市生活

隨著城市化的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，城市居民對(duì)潔凈安全蔬菜以及體驗(yàn)種植樂趣的社會(huì)需求日益迫切，植物工廠將以不同規(guī)格、不同型式的產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)入城市生活，實(shí)現(xiàn)與家庭、社區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院、賓館、餐廳、購(gòu)物廣場(chǎng)和便利店等場(chǎng)景的有機(jī)銜接，不僅為城市居民就近提供新鮮安全的蔬菜產(chǎn)品，而且還會(huì)營(yíng)造綠色生態(tài)空間舒緩人們心情以及體驗(yàn)收獲帶來(lái)的樂趣，實(shí)現(xiàn)植物工廠在現(xiàn)代城市生活中無(wú)所不在。

應(yīng)用廣度與深度不斷擴(kuò)大

植物工廠作為一種以人工光源與營(yíng)養(yǎng)液栽培為主要標(biāo)志的生產(chǎn)方式，早期一直以葉菜為生產(chǎn)對(duì)象，隨著植物工廠技術(shù)的不斷進(jìn)步，生產(chǎn)對(duì)象已經(jīng)逐漸拓展到果菜、食用花卉、藥用植物、矮化果樹以及醫(yī)用大麻等作物，近年來(lái)甚至在水稻等糧食作物的快速繁育方面也取得了重要進(jìn)展，植物工廠的應(yīng)用面正在不斷擴(kuò)大，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

盈利能力將不斷提升

通過技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)的逐漸完善，植物工廠的盈利能力將會(huì)得到大幅提升。一方面，通過持續(xù)改進(jìn)，植物工廠的光效與能效顯著提升，光源與空調(diào)的能耗將不斷降低，大幅減少系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。另一方面，植物工廠產(chǎn)品的品質(zhì)與效益將會(huì)顯著提升。通過營(yíng)養(yǎng)調(diào)控和光調(diào)控等手段，顯著提高植物工廠產(chǎn)品的VC含量、可溶性糖含量以及其他功能品質(zhì)，同時(shí)通過選用一些功能性蔬菜、藥用植物甚至特種作物等高附加值的產(chǎn)品進(jìn)行種植，提升植物工廠產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)植物工廠的盈利能力。

生產(chǎn)全流程自動(dòng)化快速發(fā)展

垂直立體空間拓展將是植物工廠發(fā)展的重要方向之一，隨著高層垂直植物工廠的發(fā)展，人工作業(yè)強(qiáng)度和難度逐漸加大，“機(jī)器換人”將是必然選擇。通過植物工廠自動(dòng)化工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化，研發(fā)從播種、育苗、移栽、上下架、收獲、包裝等環(huán)節(jié)的自動(dòng)化成套裝備，甚至替代人力操作的機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)、智能裝備與植物工廠的深度融合，提升植物工廠的自動(dòng)化水平，正在成為全球植物工廠發(fā)展的必然趨勢(shì)。