植物工厂的难题

廖芬

植物工厂是一大“农业代表”，代表着未来农业的发展方向。但是，近两年来植物工厂处于一种比较尴尬的境地。有人做得风生水起，有人进入赛道之后进退维谷，有人想做不敢做，有旁观者看好，也有旁观者唱衰。

植物工厂，从广义上讲涵盖了从利用自然光到人工光和混合光源的所有设施园艺，从狭义上讲则是专指利用环境自动控制、电子技术、生物技术、机器人和新材料等进行植物周年连续生产的系统，也就是利用计算机对植物生长的温度、湿度、光照、CO₂浓度和营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生长不受自然气候制约的省力型生产。

植物工厂的兴起与发展

作为设施农业中的后起之秀，植物工厂的发展大致经历了3个阶段：

早期实验探索阶段是20世纪40年代至70年代初，当时“营养液栽培技术”和“人工模拟与控制环境技术”的突破为植物工厂的出现奠定了技术基础。

1957年，世界上第一座植物工厂在丹麦约克里斯顿农场落成。早在那时，这座1000m²的植物工厂就实现了从播种到收获采用全自动的传送带流水作业。不过这一时期的植物工厂建设规模还较小，范围也局限于实验室和示范农场，并且能耗大、运行成本高。

发展到20世纪70年代至90年代末。植物工厂进入了示范应用阶段。水培和人工光源技术的突破成为了这一时期的显著标志。此阶段，荧光灯逐渐取代高压钠灯，红光LED开始投入使用，人工光源不断改善，光源能耗有所降低。此外，传感器与自动控制技术逐渐引入，植物工厂的示范应用面也不断扩大。

这一时期，美国通用食品公司、赛纳拉鲁米勒斯公司与依法德法姆公司等，以及荷兰的飞利浦、日本的日立、三菱重工等多家公司纷纷开始开展植物工厂的研发。

21世纪初开始，植物工厂进入快速发展阶段。在红光LED之外，蓝光LED和红蓝LED组合光源均研制成功，并且网络的智能控制技术也得以应用。此后，植物工厂光源能耗进一步降低，智能化管控成为了可能。

至今植物工厂仍然是农业行业内外人士关注的焦点，而植物工厂的出现绝非偶然，我们从植物工厂能解决的问题便可倒推其广受关注的原因。

首先，植物工厂无需占用大面积的土地，且不受环境条件限制，可实现在城市停车场、室内等地全周期、大规模生产。这意味着人口快速增长与土地资源短缺、耕地日益减少之间的矛盾有了解法。

其次，在植物工廠里，不会有重金属进入生产系统，严格管控条件下不存在病害和虫害，不需要使用农药，食物可以直接食用。这有利于解决农药化肥滥用、环境污染等问题。满足人们对食品安全、健康、绿色等方面的需求。

最后，植物工厂作为农业科技发展重要的一支，是现代农业的重要表现形式，其劳作方式与传统农业截然不同，智能作业方式既可以吸引年轻人进入农业行业。又可以缓解农业从业人口老龄化的问题。

尽管我国植物工厂的发展开始于植物工厂示范应用阶段后期，相比于欧、美、日等发达国家起步较晚，但我国植物工厂发展的速度较快。

关键突破，技术攻关

从植物工厂的发展历程来看，植物工厂能取得跨越式发展的基础就是技术突破，而技术突破主要围绕光源创新、栽培技术和智能化控制3项关键技术展开。

首先，植物工厂的目标之一是获得优质的农产品，这意味着其生产核心在于满足植物快速生长的需求。其中，光是环境信号和光合作用能量的唯一来源，是设施植物生长发育和产品品质形成所必须控制的环境要素。而为了达到植物栽培的理想光环境要求，人们开始根据设施植物的光照需求，设置人工光环境及管理策略，其后LED光质生物学及其植物工厂应用LED半导体光源逐渐发展了起来。

其次，立体多层无土栽培技术装备是人工光植物工厂必要的装备，也是太阳光植物工厂需要迫切发展的技术装备。立体多层无土栽培技术装备主要包括营养液储存供给系统，如营养液池、泵动系统、供液回液管路、定植床、控制系统等。几年前，以NFT和DFT技术为基础的多种立体多层无土栽培技术装备已开发出来，适合叶菜、根茎类植物生产。

最后，高效环保的环境调控技术是植物工厂技术研发的重点。在环境控制要素中，最重要的是养分和光照，其智能控制难度较大，控制策略具有时间和空间要求，也需要和其他环境要素耦合统筹控制，这是当下及今后很长一段时间研究开发的关键。此外，基于网络的智能化管理也是植物工厂近年来突破的又一重点。

商业模式拓展的可能性

植物工厂是用高科技打造的现代农业可持续生产系统，市场前景可观。但中国农业科学院都市农业研究所副所长杨其长曾表示：植物工厂的市场需要一个培育的过程，如果民众了解并且认可植物工厂的模式。那其产品自然就会得到认可。不过，植物工厂产出的菜也不会是普通消费者的首选，“只能是小部分人群的消费品”。

如果仅仅是卖产品，植物工厂的发展难免受限。所以除了植物工厂培育的蔬菜上市销售之外，很多植物工厂也开发了新型商业模式，例如：教育培训、休闲观光、采摘体验等。既能从多模式挖掘用户对植物工厂的不同需求，又可以提升植物工厂的附加值。

专家也表示，就未来商业模式拓展来说，植物工厂除了生产功能外，在家庭园艺、社区农业、科普教育、设施装备输出等方面也有比较大的需求，比如现在小菜园工程在深圳、广州等地就有一定的发挥空间。

此外，植物工厂本身是一个多技术的集成体，可以做单一技术的辐射化应用。以植物工厂中可调控的环境这套程序和系统为例，它调控精度比较高，可以辐射应用到比它技术门槛低的场景中，如温室大棚。还包括灌溉系统、施肥系统、光源系统等同样如此，单拎出来的单项技术就可以实现价值延伸。

无限未来与现实挑战

当植物工厂完全采用工业化、程序化的生产模式，栽培环境也达到最优化时，其生产所具有的短周期、高产量、高品质、高效益的优势是传统农作模式难以望其项背的。虽然未来可期，但是当前植物工厂在发展和推广上仍存在一些“瓶颈”问题。

成本高是第一个拦路虎。商业化植物工厂的成本分为一次性投资、设备折旧、生产管理3个方面。先不说设备折旧和生产管理，单从初始的建设投入来说，这也是一笔不容小觑的投资。

前瞻产业研究院根据我国首个商业化大型植物工厂（中科三安）的数据计算得出：建设1000平米以下的植物工厂（包括内部装修、设备、设施），每平米的成本在15000元-20000元之间;建设5000-10000平米的植物工厂，每平米的成本在8000元-10000元;建设10000平米以上的大型植物工厂，建设成本会下降至8000元/平米以下。而这只是高昂的前期投入，后期维护以及能耗成本问题同样明显。

近些年来，得益于人工光源的创新，植物工厂的能耗有所下降。但是，在整个能耗结构中，照明依旧占着80%的比重，并且能耗占比植物工厂总成本结构的25%。植物工厂降本增效仍任重道远。

提到植物工厂栽培的作物，第一个想到的往往是生菜。因此。对作物在植物工厂中生长规律的研究还不够深，所涉及的作物种类较少，是成本之外的又一重大挑战。

不同作物生长需要不同的光照强度、温湿度和营养條件等，并且同一作物在生长期内所需的环境条件也不断发生变化。这意味着打造一套长期统一的生长模式不可行，需要根据不同的作物的生长规律和特性量身定制适宜的生长环境，而这需要大量的研究和数据支撑。当前。有关不同作物标准化、程序化、专家化的生长指标缺失，使得植物工厂可以栽培的作物类型有限，且类似工业化的精细生产和管理难以达成。

当然，还有一个不得不面对的挑战就是植物工厂的经济效益问题。高投入、高运行成本，即便产量大、品质好，但当产品定价远高于普通蔬菜时，又有多少消费者愿意为之买单呢？市场培育所耗费的时间成本也是十分现实的问题。

未来，如何利用技术提高植物工厂农产品的市场竞争能力，怎样开拓并推广新的商业模式等都是我们真正切实推动植物工厂发展，迈向未来农业，打造可持续生产系统必须思考并给出答案的问题。

小结

植物工厂是在欧美起步的，但得到充分发展则是在日本。日本政府对植物工厂的发展非常重视，对建设植物工厂的企业和个人直接补贴50%以上，从而促进了植物工厂快速发展，截至2020年2月，日本共有386座“植物工厂”。

现阶段，由于制造业的优势，日本人工光型植物工厂技术全球领先。已完全处于商业化、产业化发展阶段。“植物工厂”在日本已不再是一个领先概念。而是切实的生活体验。据日本富士经济统计，日本每年有55万吨的生菜需求，“植物工厂”供货量在2019年约为1.7万吨。市场份额占3%左右。预计到2030年，供货量将达到6.2万吨。市场份额超过10%。

植物工厂相较传统农业而言。是一场翻天覆地的生产方式变革。技术的高度集成与应用是其显著特征，因此植物工厂又被认为是衡量一个国家农业高技术水平的重要标志，其对一国农业进步甚至是国家整体发展的重要性不言而喻。

我国植物工厂开始得晚，但发展速度快，行业内研究者和创新企业日积月累的技术创新成果令人惊叹。但也不得不承认，我国植物工厂的普及和推广还需要下大功夫，在未来很长一段时间内如何突破技术瓶颈，降低能耗，构建植物工厂生产的标准技术体系极为关键。

本文来源：35斗