人工光植物工廠生產(chǎn)成本構(gòu)成和經(jīng)濟效益分析

張宇，肖玉蘭

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與發(fā)展研究所，北京，100081；2.浙江清華長三角研究院）

人工光植物工廠生產(chǎn)成本構(gòu)成和經(jīng)濟效益分析

張宇1，肖玉蘭2

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與發(fā)展研究所，北京，100081；2.浙江清華長三角研究院）

專家論壇 肖玉蘭

博士、教授，主要從事植物環(huán)境調(diào)控、植物工廠和組織培養(yǎng)研究，曾師從日本千葉大學古在豐樹教授——世界著名生物環(huán)境調(diào)控和植物工廠研究領域科學家，系統(tǒng)進行了植物微環(huán)境調(diào)控和植物工廠的學習和研究，在植物工廠和植物無糖組培快繁方面做了大量的研究和實踐工作。主持和參與了國家科技部、國家外專局、上海市科委、浙江省科技廳下達的多項科研項目。以第一完成人獲發(fā)明專利7項（其中植物無糖培養(yǎng)專利獲第十三屆全國發(fā)明展覽會金獎），獲省科技進步獎2項，市科技進步獎2項。云南昆明市中青年學術(shù)帶頭人，昆明市優(yōu)秀專家，嘉興市十佳創(chuàng)業(yè)女青年，嘉興市新世紀專業(yè)技術(shù)帶頭人，江蘇省高層次科技創(chuàng)新人才，在國內(nèi)外發(fā)表論文40多篇（其中15篇被SCI收錄，2篇被EI收錄），出版專著4本，獨著1本，參編3本。Plant Cell Tiss Organ Cult，Scientia Horticulturae，HortScience等多家雜志論文審稿專家。

人工光植物工廠作為技術(shù)高度密集、資源高效利用的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，在日本、美國、韓國、中國及北歐一些國家和地區(qū)正迅速發(fā)展并逐漸形成產(chǎn)業(yè)。在世界人口不斷增長，資源和環(huán)境問題日益突出，環(huán)保意識和食品安全受到高度重視的今天，植物工廠風潮的興起是順天應人，但植物工廠較高的投資成本與運行成本使得產(chǎn)品售價偏高。因此，闡述了發(fā)展植物工廠的意義，剖析了人工光植物工廠的基本組成要素和生產(chǎn)成本構(gòu)成，分析了植物工廠的經(jīng)濟效益，針對植物工廠面臨的問題，提出了提高其經(jīng)濟效益的對策和途徑。

植物工廠；人工光源；組成要素；固定資產(chǎn)；運行成本；經(jīng)濟效益；商業(yè)模式

隨著世界人口的不斷增長，農(nóng)產(chǎn)品需求數(shù)量的逐年上升和資源與環(huán)境問題的日益突出，迫切需要發(fā)展生產(chǎn)環(huán)境可控的設施農(nóng)業(yè)。植物工廠作為一種顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植的全新方式，不受土地、氣候等自然條件的限制和影響，可完全按照計劃、精準定時、定量生產(chǎn)出無污染的種苗及蔬菜、花卉等作物，受到了前所未有的關(guān)注[1]。植物工廠是由計算機對作物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度、營養(yǎng)液等環(huán)境要素進行自動控制，周年連續(xù)生產(chǎn)的高效工廠化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)；是集生物技術(shù)、設施園藝技術(shù)、植物生理、植物栽培工程、現(xiàn)代裝備工程、環(huán)控信息技術(shù)的高科技產(chǎn)業(yè)[2]，對解決世界資源、環(huán)境問題，保障食品安全，提高農(nóng)業(yè)資源利用率，減緩農(nóng)業(yè)環(huán)境污染等方面具有重要的戰(zhàn)略意義和實用價值。因此，植物工廠被認為是未來解決資源緊缺、新生代勞動力不足、食物需求不斷上升等問題的重要途徑，也是未來航天工程、月球和其他星球探索過程中實現(xiàn)食物自給的重要手段[3]。

日本千葉大學的古在豐樹教授把植物工廠分為3種類型，即人工光型、陽光型、陽光和人工光混合型。本文所討論的植物工廠是指人工光植物工廠或稱為密閉型植物工廠，是完全使用人工光源，具有環(huán)境高度可控，多層立體培養(yǎng)，工業(yè)化、標準化、周年生產(chǎn)等特點。人工光植物工廠作為環(huán)境因子控制精度最高的設施園藝典范，多年來一直被國際公認為是設施園藝的最高級發(fā)展階段，是衡量一個國家農(nóng)業(yè)高技術(shù)發(fā)展水平的重要標志之一[2]。

目前世界上對植物工廠關(guān)注度比較高的國家和地區(qū)有日本、韓國、新加坡、北歐及中國臺灣等，當然科技巨頭美國也在相關(guān)領域投入技術(shù)研發(fā)。日本是目前在植物工廠發(fā)展方面處于領先的國家，為擺脫土地對發(fā)展的限制，打造不依賴土地的生產(chǎn)方式，同時也為緩解農(nóng)業(yè)勞動人口數(shù)量減少及日趨老齡化的沖擊，開發(fā)與大都市空間相適應的新鮮農(nóng)產(chǎn)品供應體系。日本政府從 2008年開始啟動植物工廠發(fā)展計劃，由農(nóng)林水產(chǎn)省出資1 000億日元、經(jīng)濟貿(mào)易工業(yè)省出資500億日元補助科研單位、企業(yè)和農(nóng)戶，5 a間新增了100多座植物工廠[4]，并在全國建立了多處示范型植物工廠基地，供研究、示范、推廣應用等。日本國內(nèi)的日立和三菱等重工企業(yè)在政策的大量刺激下也開始投入重金研發(fā)。到2016年3月，日本的人工光植物工廠已發(fā)展到246個，其中 30%盈利、50%持平、20%虧損經(jīng)營，涉及植物種類不僅有生菜、菠菜、冰草等葉菜，還有草莓、藥草和種苗等。2000年后，我國植物工廠產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，僅2016年上半年投入運行的人工光植物工廠就有20座以上，但是，我國植物工廠規(guī)模普遍偏小（多小于200 m2），生產(chǎn)植物以葉菜為主，環(huán)控技術(shù)裝備水平參差不齊，以示范展示性和研究性植物工廠居多，商業(yè)化運行的植物工廠較少，亟待大力推進。

植物工廠作為一種技術(shù)高度密集、資源高效利用的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，具有產(chǎn)量高、土地利用率高、產(chǎn)品安全無污染、自動化程度高等突出優(yōu)勢，目前在國內(nèi)外具有廣泛的應用需求。然而植物工廠的推廣應用也面臨著諸多問題，如成本過高、能耗較大、經(jīng)濟效益欠佳等。能耗和運行成本過高的問題已成為制約植物工廠推廣的一大“瓶頸”[4～6]。而對于經(jīng)濟和消費結(jié)構(gòu)相對落后的國家來說，純生產(chǎn)型植物工廠企業(yè)盈利前景還不夠明朗，仍然有很長的一段路要走。迄今，植物工廠與其出產(chǎn)的蔬菜仍被認為是“貴族蔬菜”，很難普及。除了缺乏銷售渠道外，主要的原因在于相對高昂的售價。因此，很有必要對植物工廠的成本和經(jīng)濟效益作一個綜合的分析。

1 植物工廠的基本組成要素和生產(chǎn)成本構(gòu)成

人工光植物工廠是密閉式的系統(tǒng)，不受或很少受外界氣候變化的影響，其植物產(chǎn)量和質(zhì)量主要取決于環(huán)境調(diào)控與管理技術(shù)的整體水平。因此，植物工廠必須具有“工廠”的基本屬性，要求植物生長發(fā)育的環(huán)境因子、水肥供給等均可全程自動化調(diào)控，并具有一定的植物生產(chǎn)流程的空間自動管理功能，可實現(xiàn)植物工廠化、規(guī)模化高效生產(chǎn)。人工光植物工廠的基本組成要素和生產(chǎn)成本主要由以下部分構(gòu)成。

1.1 植物工廠的基本組成要素和固定資產(chǎn)投資

①廠房基本建設 人工光植物工廠要求保溫、密閉、潔凈，一般由栽培車間、作業(yè)室、貯藏室、控制室、更衣室等房間構(gòu)成。為了室內(nèi)氣溫波動最小化以及防止出現(xiàn)結(jié)露，常采用不透光的絕熱材料作為圍護結(jié)構(gòu)。對于寒冷地區(qū)來說，還應隔斷地面的傳熱。人工光植物工廠圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)為0.1～0.2 W/（m2·K）；栽培室的換氣次數(shù)為0.01～0.02次/h[7]。植物工廠實行高度保溫和密閉不只是為了防止室外的昆蟲、微生物以及小動物進入室內(nèi)，減少室內(nèi)水蒸氣和熱量散失，同時也是為了防止室內(nèi)CO2流失到室外（室外大氣的CO2濃度僅有400 μmol/mol）。植物工廠的外圍護結(jié)構(gòu)設計、功能分區(qū)、密閉性都很重要，直接關(guān)系到植物工廠初裝成本、運行成本及能耗，也關(guān)系著生產(chǎn)效率。植物工廠廠房基本建設包括采用保溫防火材料（例如彩鋼板）搭建各生產(chǎn)車間，并進行墻壁及地面的保溫及防菌處理。為了保證產(chǎn)品安全和操作人員的健康，應選擇環(huán)保、不產(chǎn)生揮發(fā)性氣體的建筑材料。

②立體多層栽培系統(tǒng) 立體多層栽培系統(tǒng)包括栽培架、栽培床或苗床、栽培板、穴盤等；利用立體多層栽培系統(tǒng)可以實現(xiàn)土地的高效利用，栽培層數(shù)越多，則土地的利用率越高。如果為栽培架配置高反射材料制作的反射板，栽培床上的光強可以顯著提高。例如，白色栽培板的光反射率約為80%，可以有效提高光能的利用率。另外需注意的是，栽培架最頂層應與屋頂保持一定距離 （至少30 cm），以利于屋頂空氣流動，如果栽培車間內(nèi)的空氣流動性能差，會使得栽培車間在垂直方向上出現(xiàn)溫差，影響植物生長。

③營養(yǎng)液供給系統(tǒng) 植物工廠大多采用水培或基質(zhì)栽培方法，如今，以NFT（營養(yǎng)液膜技術(shù)）、DFT（深液流技術(shù)）或潮汐式灌溉方式為基礎的多種立體無土栽培供液系統(tǒng)及其裝備已經(jīng)開發(fā)出來，適合葉菜、根莖類植物生產(chǎn)。營養(yǎng)液儲存供給系統(tǒng)主要包括營養(yǎng)液貯液裝置、循環(huán)泵、供液回液管路、過濾裝置、殺菌裝置（紫外線、臭氧、過濾膜）等。

④CO2供給系統(tǒng) CO2是植物進行光合作用的最重要的因素之一。為了提高植物的光合作用，促進植株的生長發(fā)育，在光期及時補充植物工廠內(nèi)的CO2是非常必要的。一般情況下，當栽培車間內(nèi)CO2濃度維持在800～1 000 μmol/mol時，就能有效促進植物的光合作用，獲得較高的產(chǎn)量[8]。CO2供給系統(tǒng)包括二氧化碳鋼瓶、壓力閥、流量計、電磁閥、供氣管道等。

⑤空調(diào)通風系統(tǒng) 人工光植物工廠的空調(diào)主要用于降溫、循環(huán)空氣、調(diào)節(jié)濕度等。家用空調(diào)的種類和功能都非常完善，可以直接用于植物工廠。植物工廠室內(nèi)的氣溫一般控制在20～25℃。但在光期，栽培架內(nèi)空氣溫度會高于室內(nèi)，因此，促進栽培架內(nèi)的空氣流動是必須的，不僅能降低植物栽培層內(nèi)的溫度并調(diào)節(jié)濕度，而且能有效促進CO2的供給，從而提高植物的光合速率和生長。空調(diào)的能耗是人工光植物工廠能耗的一個重要部分，為減少降溫耗電量，也可采用風機空調(diào)協(xié)同降溫的方法，又稱光溫耦合節(jié)能調(diào)溫技術(shù)[9]，即當室外溫度低于室內(nèi)溫度時，引進室外低溫空氣進行植物工廠降溫，充分利用室外冷源以降低空調(diào)能耗并補充CO2?？照{(diào)通風系統(tǒng)包括空調(diào)、風機、通風管道、空氣過濾裝置、風扇以及空氣凈化器等。

⑥照明系統(tǒng) 照明系統(tǒng)是人工光植物工廠核心裝備。光是植物環(huán)境信號和光合作用能量的唯一來源，許多因素都可能導致植物工廠內(nèi)光環(huán)境（光照強度、光照時間、光譜組成、照射方向）不能滿足植物生長發(fā)育需求，所以光環(huán)境的調(diào)控非常必要，其光譜組成直接影響著植物的生產(chǎn)效率和品質(zhì)。熒光燈是傳統(tǒng)光源，LED燈是新型光源。LED燈具有熒光燈無法比擬的優(yōu)勢，包括：a.節(jié)省能源，與傳統(tǒng)的熒光燈相比，可節(jié)省50%以上的能源；b.可按植物光合作用和生長發(fā)育需求調(diào)制光譜，按需用光，生物光效高；c.為冷光源，可貼近植物照射，提高空間利用率；d.環(huán)保、長壽命，可用3萬～5萬h、體積小、質(zhì)量輕，適宜植物的工廠化生產(chǎn)。一般而言，栽培床面的光照強度或光合有效光量子密度為100～300 μmol·m-2·s-1，可根據(jù)培養(yǎng)植物的種類對光強的需求來配置。照明系統(tǒng)主要包括光源燈具、懸掛裝置、電源、電線、配件等。

⑦濕度控制系統(tǒng) 植物工廠栽培室內(nèi)空氣的相對濕度一般維持在70%～80%。如今工業(yè)和民用的加濕設備種類繁多，且功能齊全，只需根據(jù)培養(yǎng)植物種類的需求配置。實際上，溫度、濕度、氣體的流通速度都會影響植物的蒸騰速率和光合作用，例如，當室內(nèi)氣溫為20℃，栽培室內(nèi)空氣的相對濕度應維持在80%（飽和蒸汽壓差為0.5 kPa）時對植物光合速率比較有利，同時，為了使室內(nèi)空氣分布均勻，即使不降溫時，也應將空調(diào)設定在送風模式下運行。濕控系統(tǒng)包括加濕器、加濕管道、控制系統(tǒng)等。

⑧自動控制系統(tǒng) 自動控制系統(tǒng)由檢測、執(zhí)行、控制機構(gòu)組成，控制因子包括溫度、濕度、光照、CO2濃度、氣流、營養(yǎng)液供給等多種生產(chǎn)要素，在很大程度上控制智能化水平的高低決定著植物工廠的運行效率。智能環(huán)境控制以植物生長環(huán)境控制為基礎，特別需要以環(huán)境因子耦合控制下的植物生理響應效應作為依據(jù)，需要大量的試驗數(shù)據(jù)，不同植物種類、不同的生長階段環(huán)境控制的參數(shù)不同，需根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)。在環(huán)境控制要素中，最重要的是養(yǎng)分和光照。養(yǎng)分和光照是2個既具有數(shù)量屬性，又具有質(zhì)量屬性的環(huán)境要素，智能控制難度較大，其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(tǒng)籌控制[2]。綜合環(huán)境調(diào)控還包括提高投入資源的利用效率，將植物活體檢測信息應用于環(huán)境調(diào)控以及植物生長速率的檢測和控制[7]。自動控制系統(tǒng)包括軟件、硬件兩部分，硬件包括溫度、濕度、光照強度、氣流速度、EC、pH、CO2濃度等各種環(huán)境因子傳感器及PLC控制器、PC機、變送器、攝像機、物聯(lián)網(wǎng)等。

⑨植物生產(chǎn)空間管控系統(tǒng) 立體多層規(guī)?；慨a(chǎn)的植物工廠，還需配備植物生產(chǎn)空間管控系統(tǒng)，包括植物移栽定植裝置、植物空間水平垂直移動傳輸設備、光源燈具水平垂直移動傳輸設備，以及機械化自動升降機、自動收獲等生產(chǎn)管理裝備等。植物生產(chǎn)空間管控系統(tǒng)是植物工廠規(guī)模化生產(chǎn)流水線作業(yè)的主體裝備，有利于提高生產(chǎn)效率和管控水平，解決植物工廠內(nèi)病原菌污染、高空作業(yè)安全隱患的問題，降低勞動強度和勞動力成本。

1.2 植物工廠的運行成本

①電力消耗 人工光植物工廠的能耗主要包括人工光源（80%）、空調(diào)（16%）及營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)（4%）等[10]。為減少系統(tǒng)的運行費用，在人工光源節(jié)能技術(shù)基礎上，如何減少植物工廠空調(diào)的能耗，主要包括采用LED燈，熱泵調(diào)溫技術(shù)、光溫耦合節(jié)能調(diào)溫技術(shù)等。隨著LED燈價格的不斷下降，越來越多的植物工廠正在選用LED燈作為人工光源。

②人工費 人工費在植物工廠的成本中占20%～30%，而且每年都有上漲趨勢。規(guī)模越小的植物工廠，人工成本所占的比例就越高，因為難于安裝機械化和自動化的處理系統(tǒng)。如今，日本等國不斷研發(fā)機械化和自動化設備以用及機器人代替人工，以降低勞動力成本。在生產(chǎn)能力超過每天10 000株綠葉菜的大型植物工廠，自動化處理操作成為降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。自動收集和分析各種數(shù)據(jù)，包括環(huán)境、植物生長、移植、收獲、資源消耗和成本、運輸和銷售等。許多先進的自動化技術(shù)正應用于植物工廠中，包括智能機器人、遙感、圖像處理、云計算、大數(shù)據(jù)分析和三維建模等。

③基本材料費 材料包括種子、肥料和培養(yǎng)基質(zhì)等，種子是最基本的生產(chǎn)資料，種子的種類和質(zhì)量直接影響植物產(chǎn)品的成本。品種不同，種子價格和發(fā)芽率不同。種子的發(fā)芽率可通過發(fā)芽試驗測得，一般種子包裝袋上也都有明確標示。種子發(fā)芽率越高，則生產(chǎn)成本越低。肥料主要采用雜質(zhì)少、純度高的產(chǎn)家生產(chǎn)的肥料。培養(yǎng)基質(zhì)主要有海綿、巖棉、蛭石、泥炭土、沙等。對于種苗生產(chǎn)來說，還需配備種苗專用穴盤，根據(jù)不同的栽培密度采用不同規(guī)格的穴盤，如50、72、128、288穴等。采用不同孔數(shù)的穴盤，直接影響穴盤使用量和基質(zhì)數(shù)量。

圖1 植物工廠生產(chǎn)成本構(gòu)成

其他成本還有與生產(chǎn)、銷售聯(lián)系發(fā)生的辦公管理費、通訊費、交通費等。本文重點討論直接生產(chǎn)成本和經(jīng)濟效益。

1.3 植物工廠生產(chǎn)成本的構(gòu)成比例

在日本，設備折舊費約占25%、勞動力占25%、電力成本占30%、其余成本占20%[11]。圖1表示的是日本一個日產(chǎn)7 000株生菜規(guī)模的植物工廠的成本構(gòu)成比例。經(jīng)濟壽命計算折舊，不同國家有所不同，在日本，人工光植物工廠的建筑折舊是15 a，設備是10 a，LED燈5 a。

在中國，對于面積小于200 m2的人工光植物工廠而言，植物工廠設備折舊費約占28%、勞動力占30%、電力成本占30%、其余成本占12%（數(shù)據(jù)來源于上海離草科技有限公司和嘉興華斌農(nóng)業(yè)科技有限公司）。經(jīng)濟壽命計算折舊，一般而言，人工光植物工廠的建筑折舊是15 a，設備是8 a，LED燈3 a。

2 植物工廠經(jīng)濟效益分析

理論上，植物工廠立體形式使栽培面積提高了幾倍甚至幾十倍，由于環(huán)境可控，實現(xiàn)了周年不間斷栽培，栽培周期縮短、品質(zhì)提高、植物產(chǎn)量也相應成倍提高。例如生菜30 d就可收獲，比大田栽培至少縮短了50%生長周期。尤其是植物工廠還具有觀光效益，使植物工廠取得了比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)同等面積高出幾十倍甚至上百倍的經(jīng)濟效益。然而，植物工廠的發(fā)展亦面臨諸多問題，需要認真對待，較高的建設成本和運行成本是植物工廠發(fā)展的瓶頸。

首先，植物工廠建設成本高，比日光溫室、連棟溫室高出很多，一般在6 000元/m2以上，一個200 m2的人工光植物工廠，建設成本在150萬元以上。日本則更高，每1 m2都在1.5萬元人民幣以上。其次，植物工廠運行成本較高，特別是能耗和人工成本高，由于植物工廠采用的是人工光源，能耗問題一直以來都是影響其發(fā)展的瓶頸，其中主要的能耗來自于照明（約占80%），另外，環(huán)境控制系統(tǒng)運行（空調(diào)、氣流、營養(yǎng)液供給等）都需要消耗電能；人工方面，自動化程度低，移栽定植、育苗、收獲都需要人工。在植物工廠發(fā)展處于世界領先水平的日本，生菜生產(chǎn)成本約100日元/100 g，零售價180～200日元/100 g，價格是傳統(tǒng)方式種植基地生菜的2倍。在中國臺灣，用人工光植物工廠生產(chǎn)1株生菜約70 g的成本是47～56新臺幣，零售價為81～420新臺幣[12]（1新臺幣約合0.213 3元人民幣）。

據(jù)上海離草科技有限公司提供的數(shù)據(jù)，1個200 m2小型的植物工廠，栽培架為 4層，生產(chǎn)1 000株水培生菜，每株質(zhì)量70～80 g，周期30 d，成本如下：折舊1 650元，營養(yǎng)液、種子（國產(chǎn)種子）、CO2等180元，用電1 750 kW·h（每1 kW·h電以1元計算），人工費1 800元，其他600元，共計5 980元；平均每株生菜的直接生產(chǎn)成本約為6元人民幣。所以，1株生菜需賣到10元以上才有盈利?？梢钥闯?，200 m2以下小型化的人工光植物工廠，因為其自動化程度低，所以人工費最高，其次是電費和折舊。

顯然，目前植物工廠種植出來的蔬菜在價格上不具有市場競爭力，但其銷售群體主要為一些對蔬菜品質(zhì)要求較高的少數(shù)群體，暫時不可能取代傳統(tǒng)種植基地的蔬菜在市場上的主流地位。

3 提高植物工廠經(jīng)濟效益的對策和途徑

植物工廠作為一種新型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，正處于學習和成長階段，還需要投入更多的關(guān)注和研究。 古在豐樹[1]教授認為，我們可以通過提高植物工廠的性能來降低生產(chǎn)成本，到2021年電力成本可以下降50%，勞動力成本可以下降50%，初始投資可以減少30%，產(chǎn)品的商業(yè)價值提高了30%，電力照明和空調(diào)的成本可以減少約 30%。其中，通過使用LED燈可以不斷降低生產(chǎn)成本，因為LED燈的成本有望不斷下降，甚至低于熒光燈，使用LED燈比熒光燈具有更多優(yōu)勢。

3.1 最初的固定資產(chǎn)投資可以通過良好的設計來減少

植物工廠的設計方面具有很大的潛力，一是設計高效節(jié)能的照明系統(tǒng)，增加立體栽培的層數(shù)，合理高效運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)流程和培養(yǎng)空間，可以節(jié)省總成本10%～15%；二是充分利用城市建筑、廢棄廠房、倉庫、地下空間等閑置空間，進行無塵車間的改造工程，節(jié)省巨額新建廠房的投入；三是在設備成本方面，一個植物工廠所需的植物光源較多，而使用自主研發(fā)的LED模組以及獨特的光配方，無需引進或購買，設備成本可降低30%以上。

3.2 降低電耗的成本

采用LED燈提高光能利用率。LED光源作為第4代新型半導體固態(tài)冷光源，具有光質(zhì)純、光效高、波長類型豐富、光強與光質(zhì)可調(diào)控及節(jié)能、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點，在人工光植物工廠光環(huán)境調(diào)控方面具有很好的應用前景[13]。據(jù)日本未來公司的介紹，在人工光植物工廠中，與使用熒光燈相比，使用LED燈耗電量降低了40%，生菜的收獲量提高了50%。近年來，隨著我國LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，LED燈價格不斷降低，產(chǎn)品質(zhì)量在不斷提高，因此，電耗的成本有望不斷降低。另外，利用波谷錯峰補光，種植陰生的植物等，都可大大降低用電成本50%左右。但在植物工廠能耗結(jié)構(gòu)中，照明占據(jù)了80%的比例，而能耗在整個植物工廠的成本結(jié)構(gòu)中仍占25%～30%，因此降低能耗任重道遠。而且LED光環(huán)境調(diào)控是個復雜的過程，涉及光質(zhì)、光強和光周期等的綜合調(diào)控，其調(diào)控直接影響著植物的生產(chǎn)效率及品質(zhì)，是人工光植物工廠需實現(xiàn)和滿足的技術(shù)手段，必須進行深入系統(tǒng)的研究。

3.3 降低人工成本

植物工廠要量產(chǎn)和規(guī)?；a(chǎn)，不斷提高機械化和自動化水平。我國植物工廠的人工成本比日本高，主要原因其一，植物工廠的規(guī)模小，大部分植物工廠的面積都在200 m2左右；其二，機械化和自動化程度低，智能化高精度環(huán)境控制是增加植物工廠作物產(chǎn)量、提高品質(zhì)、降低人工成本的運行能耗的重要因素；另外，開發(fā)植物生產(chǎn)空間自動化管控技術(shù)裝備，優(yōu)化組合集成系統(tǒng)也是降低人工成本運行能耗的重要措施。全球首個完全自動化的人工光植物工廠由日本SPREAD公司建設，日產(chǎn)生菜達30 000株，β-胡蘿卜素含量高達2 710 μg/100 g，是普通生菜的11倍[14]。

3.4 提高產(chǎn)品的商業(yè)價值

生產(chǎn)種苗、功能蔬菜、藥用植物、珍稀特蔬菜等附加值高的各種保健植物；推進高機能、高附加價值產(chǎn)品的開發(fā)；拓展植物工廠生產(chǎn)的植物種類，探明功能性活性物質(zhì)合成代謝累積的環(huán)境調(diào)控機制，增加可使用部位生物量和有益化合物的含量[2]。日本利用植物工廠生產(chǎn)種苗就是一個成功的范例，日本的種苗生產(chǎn)企業(yè)的專業(yè)化程度很高，效益也很好，特別是小型人工光利用型植物工廠在日本應用較多，至2011年，應用數(shù)量已達260座，不少農(nóng)戶家都有這種小型的植物種苗工廠。日本還有很多用植物工廠生產(chǎn)高附加值植物的典型范例，日本村上農(nóng)園株式會社利用人工光型植物工廠進行芽苗菜生產(chǎn)，主要產(chǎn)品包括結(jié)球甘藍、芥菜、花椰菜、白蘿卜的芽苗菜等，產(chǎn)品富含蘿卜硫素、β-胡蘿卜素、維生素C、維生素E等功能性成分，其中花椰菜芽苗菜因富含蘿卜硫素被稱為“超級保健品”[14]。日本富士通半導體株式會社利用植物工廠生產(chǎn)用于透析腎臟病患者食用的低鉀生菜與菠菜也已經(jīng)投放市場，其市場價格是普通生菜的3倍以上[15]。日本著名化妝品品牌“資生堂”旗下也有植物工廠培植蔬菜，用作化妝品和藥品的原料；以及三安集團植物工廠與中科院植物所專家合作開展了紅豆杉、牛耳草、蛇足石杉等多種藥材的研發(fā)工作，用于治療多種疾病等。

3.5 良好的商業(yè)營銷模式

首先，植物工廠是針對都市的，是都市農(nóng)業(yè)重要的組成部分，而不是替代傳統(tǒng)溫室或開放田地的生產(chǎn)，植物工廠的發(fā)展為都市創(chuàng)造了新的市場和商業(yè)機會[1]。植物工廠不僅可以生產(chǎn)植物產(chǎn)品，綠化空間，增加室內(nèi)含氧量，有效吸收室內(nèi)有害氣體，調(diào)節(jié)空氣濕度，還可以體會耕種的樂趣，因此，為了出售植物工廠的所有產(chǎn)品，市場策略比 “產(chǎn)品”更重要。北京農(nóng)眾物聯(lián)科技有限公司位于北京平谷馬坊工業(yè)園區(qū)，該公司采取了完全不一樣的運銷策略，充分發(fā)揮其植物工廠的特征優(yōu)勢，針對都市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)服務，在特意化、高附加值、差異化的特需農(nóng)業(yè)產(chǎn)品做文章。公司采用3層立體化的空間利用方式，最下一層為無光暗室，主要培養(yǎng)食用菌；第2層為人工光培養(yǎng)車間，主要培養(yǎng)鐵皮石斛、金線蓮等藥用植物；第3層采用人工光和自然光混合光源，種植特種蔬菜、瓜果、花卉以及家庭設施園藝的展示等。公司的盈利是多方面的，包括植物工廠的產(chǎn)品、陽臺菜園、中小學生科普教育、植物工廠的設備和技術(shù)輸出、觀光，因此該公司2015年創(chuàng)造了4億元的產(chǎn)值。圖2是北京農(nóng)眾物聯(lián)科技有限公司2015年的銷售情況（數(shù)據(jù)由北京農(nóng)眾物聯(lián)科技有限公司提供），從中可以看出公司的經(jīng)營模式。

圖2 北京農(nóng)眾物聯(lián)科技有限公司2015年銷售構(gòu)成

由此可見，植物工廠盈利途徑的多樣化，植物工廠的市場機會：一是植物工廠設備銷售與技術(shù)輸出，二是植物工廠生產(chǎn)的蔬果作物銷售。目前包括日本、中國臺灣在內(nèi)的全球企業(yè)在商業(yè)模式上進行了大量探索，包括構(gòu)建多種植物工廠類型、產(chǎn)品、拓展盈利模式等，例如為餐廳、辦公室、家庭、醫(yī)院、社區(qū)、學校等提供不同類型的植物工廠，滿足不同人群的需求；增加植物工廠生產(chǎn)的植物種類，充分利用植物工廠的多種功能實現(xiàn)可持續(xù)盈利。作為一種新興的產(chǎn)業(yè)，植物工廠有相當大的空間來改善生產(chǎn)成本、效率和銷售策略，從而獲得好的經(jīng)濟效益和可持續(xù)發(fā)展。

[1]Kozai T,Niu G,Takagaki M.Plant factory:An indoor vertical farming system for quality food production[M]. Salt Lake City:Academic Press，2015.

[2]劉文科.當我們談論植物工廠時，我們在談論什么？[J].蔬菜，2016（9）：1-4.

[3]楊其長，魏靈玲，劉文科.植物工廠系統(tǒng)與實踐[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

[4]楊其長.植物工廠的發(fā)展策略[J].科技導報，2014，32（10）：20-24.

[5]Kozai T.Plant factory in Japan:current situation and perspectives[J].Chron Horticult,2013,53(2):8-11.

[6]方煒.臺灣植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展與商業(yè)模式[J].溫室園藝，2016，5（13）：17-20.

[7]古在豐樹.人工光型植物工廠[M].賀冬仙，鈕根花，馬承偉，譯.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2014.

[8]Xiao Y L,Niu G,Kozai T.Development and application of photoautotrophic micropropagation plant system [J].Plant Cell Tiss Organ Cult,2011(105):149-158.

[9]王君，楊其長，魏靈玲，等.人工光植物工廠風機和空調(diào)協(xié)同降溫節(jié)能效果[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29（3）：177-183.

[10]Kozai T.Sustainable plant factory:closed plant production system with artificial light for high resource use efficiencies and quality produce[J].Acta Hortic,2013, 1 004:27-40.

[11]Ohyama K.Actual management conditions on a largescale plant factory with artificial lighting[J].JGHA Prot Hortic,2015,168:30-33.

[12]Wei F.Status of plant factory with artificial light in Taiwan [M]//Kozai T,Niu G,Takagaki M,et al.Plant Factory.Salt Lake City,2015:40-43.

[13]徐圓圓，覃儀，呂蔓芳，等.LED光源在植物工廠中的應用[J].林業(yè)科學，2016（6）：161-170.

[14]張軼婷，劉厚誠.日本植物工廠的關(guān)鍵技術(shù)及生產(chǎn)實例[J].溫室園藝，2016，5（13）：29-33.

[15]賀冬仙.日本人工光型植物工廠技術(shù)進展與典型案例[J].溫室園藝，2016，5（13）：21-23.

Analysis on Production Costs and Economic Benefits for Production of Plant Factory with Artificial Light

ZHANG Yu1,XIAO Yulan2
(1.Institute of Agricultural Economics and Development,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 10081, 2.Yangtze Delta Region Institute of Tsinghua University,Zhejiang)

Due to highly intensive techniques and efficient utilization of resources,plant factory with artificial light as a modern agricultural production mode is developing rapidly and building up a new industry in Japan,the United States, South Korea,China,and some northern European countries and other areas.Nowadays,the world is facing problems on resources and environment under growing population with increasing importance of food safety and environmental protection consciousness.Therefore,it is necessary to develop plant factory for producing high-quality foods effectively, improving the quality of life.However,the price of products from plant factory is high because of high investment and operation costs.This paper discusses the significance of developing plant factory,describes the basic elements and configuration of plant factory with artificial light,and analyzes the production costs and economic benefits.Facing the problems in the plant factory,the countermeasure and the way to increase the economic benefit is also discussed in this paper.

Plant factory;Artificial light;Configuration elements;Fixed assets;Operating cost;Economic benefit; Business model

10.3865/j.issn.1001-3547.2017.04.015

S625.5

A

1001-3547（2017）04-0034-07

國家自然科學基金項目（71173221）；中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程項目（ASTIP-IAED-2015-07）；浙江省嘉興市科技計劃項目（2013BY26004）

張宇（1984-），女，博士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)資源環(huán)境經(jīng)濟、都市農(nóng)業(yè)經(jīng)濟研究，電話：18500237029，E-mail：zhangyu@caas.cn

肖玉蘭，通訊作者，女，博士，教授，主要從事植物環(huán)境調(diào)控、植物工廠研究，電話：15821217246，E-mail：ylxiao2007@163.com

2016-12-13