植物工廠的難題

廖芬

植物工廠是一大“農(nóng)業(yè)代表”，代表著未來農(nóng)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(fēng)生水起，有人進(jìn)入賽道之后進(jìn)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(shè)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(shù)、生物技術(shù)、機(jī)器人和新材料等進(jìn)行植物周年連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng)，也就是利用計算機(jī)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(jìn)行自動控制，使設(shè)施內(nèi)植物生長不受自然氣候制約的省力型生產(chǎn)。

植物工廠的興起與發(fā)展

作為設(shè)施農(nóng)業(yè)中的后起之秀，植物工廠的發(fā)展大致經(jīng)歷了3個階段：

早期實(shí)驗(yàn)探索階段是20世紀(jì)40年代至70年代初，當(dāng)時“營養(yǎng)液栽培技術(shù)”和“人工模擬與控制環(huán)境技術(shù)”的突破為植物工廠的出現(xiàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1957年，世界上第一座植物工廠在丹麥約克里斯頓農(nóng)場落成。早在那時，這座1000m²的植物工廠就實(shí)現(xiàn)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(shè)規(guī)模還較小，范圍也局限于實(shí)驗(yàn)室和示范農(nóng)場，并且能耗大、運(yùn)行成本高。

發(fā)展到20世紀(jì)70年代至90年代末。植物工廠進(jìn)入了示范應(yīng)用階段。水培和人工光源技術(shù)的突破成為了這一時期的顯著標(biāo)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(shù)逐漸引入，植物工廠的示范應(yīng)用面也不斷擴(kuò)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(jì)初開始，植物工廠進(jìn)入快速發(fā)展階段。在紅光LED之外，藍(lán)光LED和紅藍(lán)LED組合光源均研制成功，并且網(wǎng)絡(luò)的智能控制技術(shù)也得以應(yīng)用。此后，植物工廠光源能耗進(jìn)一步降低，智能化管控成為了可能。

至今植物工廠仍然是農(nóng)業(yè)行業(yè)內(nèi)外人士關(guān)注的焦點(diǎn)，而植物工廠的出現(xiàn)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(guān)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(shí)現(xiàn)在城市停車場、室內(nèi)等地全周期、大規(guī)模生產(chǎn)。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(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)，嚴(yán)格管控條件下不存在病害和蟲害，不需要使用農(nóng)藥，食物可以直接食用。這有利于解決農(nóng)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(nóng)業(yè)科技發(fā)展重要的一支，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要表現(xiàn)形式，其勞作方式與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)截然不同，智能作業(yè)方式既可以吸引年輕人進(jìn)入農(nóng)業(yè)行業(yè)。又可以緩解農(nóng)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(yīng)用階段后期，相比于歐、美、日等發(fā)達(dá)國家起步較晚，但我國植物工廠發(fā)展的速度較快。

關(guān)鍵突破，技術(shù)攻關(guān)

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(chǔ)就是技術(shù)突破，而技術(shù)突破主要圍繞光源創(chuàng)新、栽培技術(shù)和智能化控制3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開。

首先，植物工廠的目標(biāo)之一是獲得優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品，這意味著其生產(chǎn)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(shè)施植物生長發(fā)育和產(chǎn)品品質(zhì)形成所必須控制的環(huán)境要素。而為了達(dá)到植物栽培的理想光環(huán)境要求，人們開始根據(jù)設(shè)施植物的光照需求，設(shè)置人工光環(huán)境及管理策略，其后LED光質(zhì)生物學(xué)及其植物工廠應(yīng)用LED半導(dǎo)體光源逐漸發(fā)展了起來。

其次，立體多層無土栽培技術(shù)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(shù)裝備。立體多層無土栽培技術(shù)裝備主要包括營養(yǎng)液儲存供給系統(tǒng)，如營養(yǎng)液池、泵動系統(tǒng)、供液回液管路、定植床、控制系統(tǒng)等。幾年前，以NFT和DFT技術(shù)為基礎(chǔ)的多種立體多層無土栽培技術(shù)裝備已開發(fā)出來，適合葉菜、根莖類植物生產(chǎn)。

最后，高效環(huán)保的環(huán)境調(diào)控技術(shù)是植物工廠技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)。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(tǒng)籌控制，這是當(dāng)下及今后很長一段時間研究開發(fā)的關(guān)鍵。此外，基于網(wǎng)絡(luò)的智能化管理也是植物工廠近年來突破的又一重點(diǎn)。

商業(yè)模式拓展的可能性

植物工廠是用高科技打造的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)，市場前景可觀。但中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)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(rèn)可植物工廠的模式。那其產(chǎn)品自然就會得到認(rèn)可。不過，植物工廠產(chǎn)出的菜也不會是普通消費(fèi)者的首選，“只能是小部分人群的消費(fèi)品”。

如果僅僅是賣產(chǎn)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(xùn)、休閑觀光、采摘體驗(yàn)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(chǎn)功能外，在家庭園藝、社區(qū)農(nóng)業(yè)、科普教育、設(shè)施裝備輸出等方面也有比較大的需求，比如現(xiàn)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(shù)的集成體，可以做單一技術(shù)的輻射化應(yīng)用。以植物工廠中可調(diào)控的環(huán)境這套程序和系統(tǒng)為例，它調(diào)控精度比較高，可以輻射應(yīng)用到比它技術(shù)門檻低的場景中，如溫室大棚。還包括灌溉系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、光源系統(tǒng)等同樣如此，單拎出來的單項(xiàng)技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)價值延伸。

無限未來與現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)

當(dāng)植物工廠完全采用工業(yè)化、程序化的生產(chǎn)模式，栽培環(huán)境也達(dá)到最優(yōu)化時，其生產(chǎn)所具有的短周期、高產(chǎn)量、高品質(zhì)、高效益的優(yōu)勢是傳統(tǒng)農(nóng)作模式難以望其項(xiàng)背的。雖然未來可期，但是當(dāng)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(shè)備折舊、生產(chǎn)管理3個方面。先不說設(shè)備折舊和生產(chǎn)管理，單從初始的建設(shè)投入來說，這也是一筆不容小覷的投資。

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院根據(jù)我國首個商業(yè)化大型植物工廠（中科三安）的數(shù)據(jù)計算得出：建設(shè)1000平米以下的植物工廠（包括內(nèi)部裝修、設(shè)備、設(shè)施），每平米的成本在15000元-20000元之間;建設(shè)5000-10000平米的植物工廠，每平米的成本在8000元-10000元;建設(shè)10000平米以上的大型植物工廠，建設(shè)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(hù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的25%。植物工廠降本增效仍任重道遠(yuǎn)。

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(qiáng)度、溫濕度和營養(yǎng)條件等，并且同一作物在生長期內(nèi)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(tǒng)一的生長模式不可行，需要根據(jù)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(shù)據(jù)支撐。當(dāng)前。有關(guān)不同作物標(biāo)準(zhǔn)化、程序化、專家化的生長指標(biāo)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(xì)生產(chǎn)和管理難以達(dá)成。

當(dāng)然，還有一個不得不面對的挑戰(zhàn)就是植物工廠的經(jīng)濟(jì)效益問題。高投入、高運(yùn)行成本，即便產(chǎn)量大、品質(zhì)好，但當(dāng)產(chǎn)品定價遠(yuǎn)高于普通蔬菜時，又有多少消費(fèi)者愿意為之買單呢？市場培育所耗費(fèi)的時間成本也是十分現(xiàn)實(shí)的問題。

未來，如何利用技術(shù)提高植物工廠農(nóng)產(chǎn)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(shí)推動植物工廠發(fā)展，邁向未來農(nóng)業(yè)，打造可持續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)必須思考并給出答案的問題。

小結(jié)

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(shè)植物工廠的企業(yè)和個人直接補(bǔ)貼50%以上，從而促進(jìn)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(xiàn)階段，由于制造業(yè)的優(yōu)勢，日本人工光型植物工廠技術(shù)全球領(lǐng)先。已完全處于商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段?！爸参锕S”在日本已不再是一個領(lǐng)先概念。而是切實(shí)的生活體驗(yàn)。據(jù)日本富士經(jīng)濟(jì)統(tǒng)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(yù)計到2030年，供貨量將達(dá)到6.2萬噸。市場份額超過10%。

植物工廠相較傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)而言。是一場翻天覆地的生產(chǎn)方式變革。技術(shù)的高度集成與應(yīng)用是其顯著特征，因此植物工廠又被認(rèn)為是衡量一個國家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標(biāo)志，其對一國農(nóng)業(yè)進(jìn)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(nèi)研究者和創(chuàng)新企業(yè)日積月累的技術(shù)創(chuàng)新成果令人驚嘆。但也不得不承認(rèn)，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(nèi)如何突破技術(shù)瓶頸，降低能耗，構(gòu)建植物工廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系極為關(guān)鍵。

本文來源：35斗