植物工廠現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略

年來，植物工廠在東亞、歐美，尤其在日本、中國、韓國、美國、新加坡等國家和地區(qū)發(fā)展迅速，一些國際知名企業(yè)（如飛利浦、GE、三菱等）也紛紛介入植物工廠的技術(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)展勢頭。

植物工廠通常被定義為一種通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制，實現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是由計算機對作物生長過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境要素進行自動控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式。根據(jù)筆者的理解，植物工廠的得名可能源于現(xiàn)代制造工廠的概念，即以生產(chǎn)貨物或產(chǎn)品為目標的工業(yè)建筑物，在這種建筑物內(nèi)按照一定的流程進行產(chǎn)品由初級零部件、組裝件到成品化的生產(chǎn)。植物工廠的生產(chǎn)對象為園藝作物，按照工廠的定義應(yīng)具備兩個條件：一是作物的生產(chǎn)流程極為清晰，即播種、育苗、定植、收獲、包裝等分工明確；二是環(huán)境（溫度、濕度、光照、CO2、氣流以及營養(yǎng)元素等）相對可控，不受或少受外界氣候的影響。根據(jù)這種理解，完全密閉環(huán)境下以人工光源與營養(yǎng)液栽培為核心的蔬菜多層工廠化生產(chǎn)應(yīng)屬于植物工廠范疇（狹義），可控溫室環(huán)境下以營養(yǎng)液栽培（水培或基質(zhì)培）為核心的蔬菜花卉工廠化生產(chǎn)也應(yīng)屬于植物工廠范疇（廣義），只不過歐美（僅承認狹義的植物工廠）與亞洲的學(xué)者（承認廣義、狹義均為植物工廠）對植物工廠定義的意見不一致，爭論仍將會持續(xù)[1]。由于植物工廠充分運用了現(xiàn)代裝備、生物技術(shù)、營養(yǎng)液栽培與信息技術(shù)等手段，技術(shù)高度密集，多年來一直被國際上公認為設(shè)施農(nóng)業(yè)的高級發(fā)展階段，是衡量一個國家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標志之一，受到世界各國的廣泛關(guān)注。

發(fā)展背景及意義

植物工廠之所以受到世界各國的高度關(guān)注，原因是多方面的，概括起來主要有以下幾個方面：一是全球人口的快速增長，可用耕地的不斷減少，如何利用有限的耕地滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對食物的需求已經(jīng)成為全球性難題；二是隨著城市化的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對潔凈安全農(nóng)產(chǎn)品的需求越來越迫切；三是農(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。植物工廠恰恰提供了解決上述問題的可能途徑，其主要優(yōu)勢包括：① 作物生產(chǎn)過程不受外界環(huán)境的影響，可實現(xiàn)周年按計劃均衡生產(chǎn)、穩(wěn)定供給；② 單位面積產(chǎn)量和資源利用率高。葉菜1年可收獲15～18茬，而且可多層立體栽培，LED植物工廠栽培層數(shù)可達18層以上，產(chǎn)量為露地栽培的40倍以上；③ 機械化、自動化程度高，工作環(huán)境相對舒適；④ 不施用農(nóng)藥，產(chǎn)品潔凈安全無污染；⑤ 可在非耕地上生產(chǎn)，不受或很少受土地的限制；⑥ 建在城市周邊或市區(qū)，就近生產(chǎn)、就近銷售，大大縮短產(chǎn)地到市場的運輸距離，減少物流成本和碳排放。植物工廠的這些顯著特征為世界各國解決人口增長、資源緊缺、安全食品需求旺盛以及新時代勞動力不足等難題提供了有效的技術(shù)途徑，因而受到廣泛重視。

發(fā)展現(xiàn)狀

從植物工廠數(shù)十年的發(fā)展歷程來看，大致歷經(jīng)3個主要發(fā)展階段，即早期的試驗探索階段、中期的示范應(yīng)用階段、目前的快速發(fā)展階段，具體包括：

試驗探索階段（20世紀40年代～

70年代初）

這一階段是植物工廠的概念成型與試驗探索階段，其中2項技術(shù)的突破對植物工廠的發(fā)展起到了重要的支撐作用，一項被稱之為“營養(yǎng)液栽培技術(shù)”，20世紀40年代以來以“礦物質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說”為理論基礎(chǔ)的營養(yǎng)液栽培技術(shù)的應(yīng)用，奠定了植物工廠的栽培技術(shù)基礎(chǔ)；另一項為“人工模擬與控制環(huán)境技術(shù)”，以1949年美國植物生理和園藝學(xué)家Went教授在加州帕薩迪納建立的第1座人工氣候室為標志。1953年和1957年日本和前蘇聯(lián)相繼建成大型人工氣候室，進行植物栽培試驗。1957年的丹麥約克里斯頓農(nóng)場建成了世界上第1座植物工廠，面積1000 m2，屬人工光和自然光并用型，栽培作物為水芹，從播種到收獲采用全自動的傳送帶流水作業(yè)，年產(chǎn)水芹400萬袋，約合100萬kg。1960年美國通用電氣公司開始進行人工光植物工廠的研發(fā)。1963年奧地利的盧斯那公司建成了1座高30 m的塔式植物工廠，利用上下傳送帶旋轉(zhuǎn)式的立體式栽培，完全采用人工光源種植生菜。

這一時期植物工廠的特點為：建設(shè)規(guī)模較小，僅為幾十平米到幾百平米；應(yīng)用范圍窄，主要局限在實驗室和示范農(nóng)場；光源為高壓鈉燈，光源與空調(diào)能耗大，運行成本較高。

示范應(yīng)用階段（20世紀70年代～90年代末）

水耕栽培和人工光源技術(shù)的突破是這一階段植物工廠發(fā)展的重要標志。1973年營養(yǎng)液膜技術(shù)（Nutrient Film Technique，NFT）的出現(xiàn)，以及隨后的深液流栽培技術(shù)（Deep Flow Technique，DFT）的發(fā)明為植物工廠栽培技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。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介入植物工廠的研發(fā)。1974年日本日立制作所中央研究所高正基等開始進行人工光植物工廠的研究，1983年在靜岡三浦農(nóng)場推出日本第1個真正意義上的人工光植物工廠，栽培方式采用三角板氣霧培與平面式水耕培兩種方式。1989年4月日本專門成立了植物工廠學(xué)會（2007年

1月植物工廠學(xué)會與生物環(huán)境調(diào)節(jié)學(xué)會聯(lián)合成立日本生物環(huán)境工學(xué)會），每年定期召開植物工廠研討會，有力地推動植物工廠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。截止到20世紀90年代末，日本擁有約20座人工光植物工廠。

這一階段植物工廠的特點：人工光源不斷改善，高壓鈉燈逐漸被熒光燈替代，紅光LED開始應(yīng)用，光源的能耗進一步降低；傳感器與自動控制技術(shù)逐漸引入；示范應(yīng)用面不斷擴大。

快速發(fā)展階段（21世紀初至今）

藍光LED的出現(xiàn)與紅藍LED組合光源的研制成功，以及基于網(wǎng)絡(luò)的智能控制技術(shù)的應(yīng)用是這一時期植物工廠發(fā)展的重要特征。隨著LED的應(yīng)用，植物工廠人工光源能耗顯著降低，栽培層間距進一步縮短，能效比大幅度提升；同時，傳感器、智能控制器以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用為植物工廠智能化管控提供了可能。各國研發(fā)力度與產(chǎn)業(yè)化步伐不斷加快，日本于2009年提出大力發(fā)展植物工廠、振興現(xiàn)代農(nóng)業(yè)計劃，由農(nóng)林水產(chǎn)省和經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省拿出500億日元用于支援植物工廠的建設(shè)與研發(fā)，受此影響，一批大型企業(yè)如三菱、豐田、日立等紛紛介入，并計劃輸出植物工廠產(chǎn)品到中國、中東、歐美等國家或地區(qū)。2015年日本人工光植物工廠數(shù)量已達185座[2]，其中位于宮城縣多賀市的占地面積2300 m2、15層立體栽培架、日產(chǎn)葉菜10000棵的LED植物工廠（圖1），以及大阪府立大學(xué)的占地面積550 m2、18層栽培架、日產(chǎn)葉菜5300棵的LED植物工廠（圖2），代表了日本近年來植物工廠的發(fā)展趨向；韓國自2009年開始，在政府支持下科教單位與企業(yè)共同進行人工光植物工廠的研發(fā)，僅僅幾年間推出了10多個型號的植物工廠產(chǎn)品，如占地面積560 m2的韓國國際圣瑪麗醫(yī)院植物工廠（圖3）；美國一方面通過植物工廠的研究希望為空間站和星球探索提供食物保障，另一方面提出了“摩天大樓農(nóng)業(yè)”的構(gòu)想，希望從空間上突破資源瓶頸，先后出現(xiàn)了芝加哥大廈農(nóng)場、新澤西州“空中農(nóng)場”等模式（圖4、圖5）；歐洲各國也從節(jié)能和降低運行成本的角度進行植物工廠的研發(fā)，尤其是利用傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)植物工廠的智能化監(jiān)控，使運行成本大為降低。我國從2002年開始植物工廠研發(fā)工作（圖6），2005年研制出LED植物工廠實驗系統(tǒng)，2009年推出LED植物工廠商業(yè)化應(yīng)用（圖7），2010年上海世博會首次展出“低碳、智能”家庭LED植物工廠（圖8），2013年中國正式將“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究”項目列入863計劃，由15家科教單位與企業(yè)聯(lián)合進行技術(shù)研發(fā)。目前，我國擁有不同規(guī)模的人工光植物工廠約80座（圖9、圖10）。

這一時期植物工廠特點為：高新技術(shù)不斷引入，LED逐漸替代熒光燈，光效與能效顯著提升，應(yīng)用范圍不斷擴大。

主要瓶頸及發(fā)展戰(zhàn)略

主要瓶頸

植物工廠雖然擁有眾多優(yōu)勢以及廣泛的社會需求，但在實際發(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)濟效益不高等，突破這些瓶頸是實現(xiàn)植物工廠持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵。

◆ 初期建設(shè)成本相對較高 植物工廠需要在封閉環(huán)境下進行作物生產(chǎn)，因此需要構(gòu)建包括外維護結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、人工光源、多層栽培系統(tǒng)、營養(yǎng)液循環(huán)以及計算機控制系統(tǒng)在內(nèi)的配套工程與裝備，投資成本相對較高，一般建設(shè)費用（中國）在4000～10000元/ m2（美國、日本是中國的2～3倍）。

◆ 光源與空調(diào)能耗較大 能耗一直是影響植物工廠發(fā)展的關(guān)鍵制約因素，植物工廠的能耗包括：照明（約占80%）、空調(diào)（占16%）、其他（占4%），能耗成本約占全部生產(chǎn)成本（包括折舊、能耗、人工及資材等）的25% 左右[3]，節(jié)能降耗需求迫切。

◆ 經(jīng)濟效益和盈利面還不高 由于植物工廠初期建設(shè)成本較高、能耗較大，設(shè)備折舊與運行成本較高，其產(chǎn)量與品質(zhì)必須高于其他生產(chǎn)方式，才能獲得較高的效益。目前，日本植物工廠僅有30%實現(xiàn)贏利、50%持平，仍有20%虧損，經(jīng)濟效益問題已成為植物工廠發(fā)展必須面對的現(xiàn)實難題。

發(fā)展戰(zhàn)略

雖然植物工廠面臨諸多“瓶頸”，但植物工廠的總體發(fā)展趨勢不會因此而改變。為加快植物工廠的發(fā)展，筆者認為應(yīng)從以下幾方面重點突破：

◆ 大幅降低初期建設(shè)成本 植物工廠的建設(shè)與設(shè)備成本主要包括建筑、照明設(shè)備、電器設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、給排水設(shè)備、水耕栽培設(shè)備、配套機械以及工程費用等，其中建筑、照明及栽培設(shè)備等費用約占全部成本的70%以上。在降低建筑成本方面，可以利用廢棄廠房、建筑物地下室等進行建設(shè)；在栽培設(shè)備方面，盡可能選用標準化民用材料和裝備，如采用標準化貨架等；LED的選用應(yīng)從滿足植物生產(chǎn)需要出發(fā)，研發(fā)出簡單實用但不一定美觀的專用燈具。

◆ 顯著提升系統(tǒng)光效與能效 光效與能效提升是大幅減少運行費用的關(guān)鍵，采用LED替代熒光燈以及根據(jù)植物從苗期到收獲期的光配方需求進行光環(huán)境的動態(tài)優(yōu)化調(diào)節(jié)，甚至設(shè)計出上下可移動光源、可調(diào)節(jié)光斑大小的聚光光源等，降低光源能耗；同時，采用引進室外新風(fēng)的光-溫耦合節(jié)能降溫方法以及智能環(huán)境控制系統(tǒng)，減少空調(diào)能耗。

◆ 大幅提高植物工廠產(chǎn)量、品質(zhì)與經(jīng)濟效益 產(chǎn)量與品質(zhì)的大幅度提升是獲得經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。在提高產(chǎn)量方面，一方面可以通過精準調(diào)控環(huán)境與營養(yǎng)要素，提升植物產(chǎn)量，另一方面可以根據(jù)植物的發(fā)育特征，分階段、分區(qū)域進行培育，以提高各階段的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量；在提高品質(zhì)方面，可以通過營養(yǎng)調(diào)控和光調(diào)控等手段，提高VC、可溶性糖以及其他功能品質(zhì)。此外，可以通過選用一些功能性蔬菜或藥用植物等進行種植，提高植物工廠產(chǎn)值。

◆ 注重植物工廠與城市生活的結(jié)合 城市居民既有對潔凈安全蔬菜的物質(zhì)需求，也有對構(gòu)建“綠色空間”的精神需求。植物工廠可以與城市家庭、社區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院、賓館、餐廳、購物廣場和超市等相結(jié)合，形成不同規(guī)格、不同形式的植物工廠產(chǎn)品，讓植物工廠在城市中無所不在，形成分布式、網(wǎng)絡(luò)化的都市植物工廠應(yīng)用體系，在為城市居民就近提供新鮮蔬菜的同時，還能營造舒緩心情的綠色生態(tài)空間。植物工廠與現(xiàn)代城市的結(jié)合，必將會顯著提升植物工廠的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻

[1] 楊其長，魏靈玲，劉文科，等.植物工廠系統(tǒng)與實踐[M].北京：

化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2] Kozai T，Niu G， Takagaki M . Plant Factory：An Indoor

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[3] 古在豊樹.太陽光型植物工場[M].東京：オーム社，2009.

作者簡介：楊其長（1963-），研究員，博士生導(dǎo)師，安徽無為人，研究方向：溫室環(huán)境動力學(xué)模擬與節(jié)能控制工程；植物工廠資源節(jié)約技術(shù)。