當我們談論植物工廠時，我們在談論什么

劉文科

（中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

編者按：2016年6月3日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平參觀國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展，對中國農業(yè)科學院自主研發(fā)的智能LED植物工廠給予了高度重視，并指出“智能LED植物工廠顛覆了傳統(tǒng)的農作方式，為未來食物保障提供了新思路，成果意義重大，應進一步加大智能LED植物工廠的研發(fā)力度，加快產業(yè)化步伐，以惠及更多民生?！边@標志著中國植物工廠將迎來產業(yè)蓬勃發(fā)展新階段，相關領域的產業(yè)發(fā)展也將迎接巨大的機遇與挑戰(zhàn)，植物工廠也隨之成為了業(yè)界關注的焦點。本期業(yè)界觀察將帶領大家看看業(yè)界專家在談論植物工廠時，都在談論什么。

主持人：陸靜雯

1 談概念：到底什么才能稱之為植物工廠

根據日本學者古在豐樹教授的《人工光型植物工廠》和中國學者楊其長研究員的《植物工廠概論》給出的植物工廠定義，植物工廠是一種通過設施內高精度環(huán)境控制，實現作物周年連續(xù)生產的高效農業(yè)系統(tǒng)，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，不受或很少受自然條件制約的省力型生產方式。植物工廠充分運用了現代裝備工程、生物技術、設施園藝技術、植物生理、植物栽培工程與環(huán)控信息技術等手段，屬于技術高度密集型產業(yè)，多年來一直被國際公認為設施園藝的最高級發(fā)展階段，是衡量一個國家農業(yè)高技術發(fā)展水平的重要標志之一。

分析而言，起源于日本學者的植物工廠概念均存在一定的不足，主要表現在定義概括性過強，邊界條件較為模糊，未涉及設施類型、設施密閉性和控制因素及其精度的差異性。這阻礙了人們對植物工廠的統(tǒng)一認識，混淆了系統(tǒng)技術研發(fā)方向和產業(yè)化應用方向。植物工廠應具備“工廠”的基本屬性。密閉式植物生產系統(tǒng)與自動化程度是衡量植物工廠現代化和工廠化生產潛力的核心指標。從定義概括性和權威性角度，植物工廠環(huán)境控制本質上包括三類：水肥自動化控制、環(huán)境因素自動化控制、植物產品生產流水線自動化平臺。植物工廠應是具有一定自動化程度的流水線式植物生產設施。自動化的流水線分為產前（育苗）、產中（移栽定植、栽培與運移）、產后（采收、包裝）三個階段，重點是產前與產中階段。

植物工廠的本質特征為生產要素的自動化控制，但植物工廠的自動化水平是有層次的，設施智能化水平是有劃分的。植物工廠的推薦定義應著力闡述其設施內的自動化控制本質特征。先前定義著眼于植物工廠最高階段和理想形式，而忽略了植物工廠發(fā)展過程賦存的多種形態(tài)，難以囊括當前所有植物工廠的過渡模式，建議進行修正。在此建議，植物工廠應是指植物生長發(fā)育直接相關的部分或全部生產要素（環(huán)境因子、水肥供給等）全程可自動化調控，并具有一定的植物生產流程的空間自動管理功能，實現植物規(guī)?；咝a，較少或不受外界環(huán)境干擾的設施植物生產系統(tǒng)。基于這一定義，日光溫室、多層建筑形式的設施模式均可看作植物工廠，只要它具備定義的本質特征。

2 談技術：植物工廠的關鍵技術有哪些

植物工廠的核心技術裝備包括四個方面，即立體多層無土栽培技術裝備、人工光照明技術裝備、智能環(huán)境控制技術裝備、植物生產空間自動化管控技術裝備。近幾年，這些核心技術裝備得到了很大的發(fā)展，正在被逐漸地標準化和大規(guī)模應用。植物工廠的外圍護結構設計、功能分區(qū)、各區(qū)域密閉性保證都很重要，直接關系到植物工廠初裝成本和運行成本及能耗，也關系著生產效率。

2.1 立體多層無土栽培技術裝備

立體多層無土栽培技術裝備是指采用無土栽培方法，借助栽培床和層架管路裝備，實現植物在多層立體栽培架上進行生產的技術裝備。立體多層無土栽培技術裝備是人工光植物工廠必要的本質裝備，也是太陽光植物工廠需要迫切發(fā)展的技術裝備。當前，以NFT和DFT技術為基礎的多種立體多層無土栽培技術裝備已經開發(fā)出來，適合葉菜、根莖類植物生產。立體多層無土栽培技術裝備主要包括營養(yǎng)液儲存供給系統(tǒng)（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）。

2.2 人工光照明技術裝備

人工光照明技術裝備是人工光植物工廠核心技術裝備，為植物生產提供光合能量和光照信號。熒光燈是傳統(tǒng)光源，LED是新型光源。兩種光源的植物生理響應機制已經被廣泛揭示，兩種光源應用的生物學基礎已非常明確。但是，LED作為新型固態(tài)半導體光源具有熒光燈無法比擬的光電優(yōu)勢，包括：（1）可按植物生長發(fā)育需求調制光譜，按需用光，生物光效高；（2）冷光源，可貼近植物照射，提高空間利用率；（3）可控性好，可精準調控光強、光質和光周期等，適宜工廠化生產；（4）節(jié)能、環(huán)保、長壽命、體積小、質量輕；（5）LED光源裝置多樣（燈板、燈帶、燈管和燈泡），適用于設施園藝各領域。目前，已有面板燈、條燈、燈管、燈帶等植物工廠用燈被開發(fā)出來并推廣應用。同時，太陽光植物工廠多款LED補光燈也被開發(fā)出來，包括行間冠層補光燈、花期燈、條燈等。人工光照明技術裝備主要包括光源燈具、懸掛系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電源等。

2.3 智能環(huán)境控制技術裝備

智能環(huán)境控制技術裝備由執(zhí)行機構、檢測機構、控制機構組成，控制因子包括溫度、濕度、光照、CO2濃度、氣流、營養(yǎng)液供給等多種生產要素，在很大程度上環(huán)境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，尚需深入地系統(tǒng)研究。在環(huán)境控制要素中，最重要的是養(yǎng)分和光照。養(yǎng)分和光照是兩個既具有數量屬性，又具有質量屬性的環(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，是今后研究開發(fā)的重點。

2.4 植物生產空間自動化管控技術裝備

植物生產空間自動化管控技術裝備包括植物移栽定植技術裝備、植物空間水平垂直移動傳輸技術裝備、光源燈具水平垂直移動傳輸裝備，以及機械化自動升降機、自動收獲等生產管理技術裝備等。植物生產空間自動化管控技術裝備是植物工廠流水線作業(yè)的主體裝備，有利于提高生產效率和管控水平。

3 談產業(yè)：植物工廠產業(yè)發(fā)展歷程知多少

植物工廠的發(fā)展始于20世紀50年代歐美等一些發(fā)達國家。經過半個多世紀的發(fā)展，目前已經成為現代農業(yè)高技術產業(yè)的重要組成部分。植物工廠的基礎主要來自于2項技術的突破：（1）營養(yǎng)液栽培技術。20世紀40年代以來以“礦質營養(yǎng)學說”為理論基礎的植物營養(yǎng)學、化肥工業(yè)快速發(fā)展，以水溶性肥料按照肥料配方勾兌成的植物生產營養(yǎng)液栽培技術裝備大規(guī)模應用發(fā)展，為植物工廠提供了重要的技術支撐。（2）環(huán)境感知與控制技術。以傳感器與控制器為核心的環(huán)境控制技術的突破，使人工環(huán)境調控成為可能。植物工廠正是以這2項技術為基礎，實現了植物的周年連續(xù)生產。到2000年后，伴隨LED植物照明技術的進步，LED光源植物工廠問世，成就了植物工廠智能光環(huán)境調控技術，極大提升了植物工廠自動化水平和節(jié)能效率。

目前，植物工廠主要分布在東亞和歐美國家，以日本、荷蘭、中國最具代表性。其中，日本在人工光植物工廠方面研發(fā)與產業(yè)化較快，居領先水平。目前，日本大約有100余座人工光植物工廠在運營。荷蘭在太陽光植物工廠方面實力最強，最高產量高達90 kg/m2。荷蘭的植物工廠結構形式比較單一，90%以上的溫室為Venlo型玻璃溫室，Venlo型溫室結構的基本特征是立柱支撐跨間桁架，桁架上支撐天溝，鑲嵌屋面玻璃。不同年代建設的Venlo型玻璃溫室的跨度和高度均在不斷變化之中。中國是目前全球植物工廠研發(fā)與產業(yè)化最活躍的國家，在兩類植物工廠研發(fā)方面均有建樹，處于均衡發(fā)展中，目前已有人工光植物工廠近百座。

世界范圍內，植物工廠研發(fā)與產業(yè)化存在幾種模式，包括企業(yè)主導型、科研院所主導型、政府主導型。我國植物工廠的應用模式包括社區(qū)模式、公共場所模式（醫(yī)院、商場、飯館、賓館等）、家庭模式、特殊場所（海島、沙漠）、企業(yè)模式（照明企業(yè)、農業(yè)企業(yè)等）。植物工廠的功能包括植物產品生產、生態(tài)景觀、科普體驗、科學研究、高技術展示等，其中現存主流模式是科學研究和商業(yè)化生產。植物工廠的產業(yè)模式未來將是以政府、企業(yè)、科研院所和用戶企業(yè)協同主導建立、運營的多種創(chuàng)新模式。

粗略估算，全球植物工廠市場總規(guī)模在數千億元以上，我國植物工廠市場規(guī)模在1 000億元以上。2000年后，我國植物工廠產業(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，太陽光植物工廠數千公頃。但是，我國植物工廠規(guī)模偏?。ǘ嘈∮?00 m2），生產植物單一（葉菜為主），環(huán)控技術裝備水平參差不齊，而且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。植物工廠生產技術裝備成熟化后，高效生產得以實現，成為盈利運營的基礎。植物工廠的盈利商業(yè)模式內涵首先要探討植物工廠主打植物產品、產品受眾、銷售方式、價格優(yōu)勢等產品盈利點并使之最大化；其次，把植物工廠盈利途徑多樣化，廣泛接收社會支持。

世界上絕大多數植物工廠建立在城市，是城市農業(yè)重要組成部分。世界各植物工廠強國均在努力開發(fā)海外市場，進行技術裝備的輸出，競爭愈演愈烈。

4 談問題：植物工廠當前面臨的問題及解決思路

4.1 植物工廠發(fā)展面臨的問題

植物工廠是未來設施園藝發(fā)展的趨勢，是現代農業(yè)發(fā)展的重要目標，市場前景廣闊。而且，植物工廠應用無所不在，應用功能多種多樣，近些年的普及率大幅度提高。誠然，當前植物工廠的發(fā)展亦面臨諸多問題，需要認真對待，逐一解決。首先，植物工廠初裝成本高。植物工廠初裝成本較日光溫室、連棟溫室高出很多，一般在6 000元/m2以上，一個100 m2的人工光植物工廠，初裝成本在60萬元以上。其二，植物工廠植物產品成本高。以生菜為例，人工光植物工廠生產生菜成本在10～30元，在我國菜價市場決定機制下盈利空間較小。第三，植物工廠運行成本較高，能耗和人工成本高。一方面植物工廠光源、環(huán)境控制系統(tǒng)運行（空調、氣流、營養(yǎng)液供給等）都需要消耗電能，能耗偏高；另一方面，自動化程度低，移栽定植、育苗、收獲勞動力成本高。第四，標準化程度低，缺乏政府補貼政策。最后，商業(yè)化模式日漸成熟，但盈利點需要進一步探索。盈利是推動產業(yè)發(fā)展的最終驅動力，應努力挖掘符合市場需求的植物工廠商業(yè)化應用的盈利方式?？傮w而言，植物工廠盈利程度不僅與本身生產能力有關，也與社會背景、行業(yè)發(fā)展水平、國家政策有關，是系統(tǒng)的社會實踐。

4.2 植物工廠發(fā)展對策

植物工廠產業(yè)是新興產業(yè)，需要系統(tǒng)研究技術裝備、運行策略，并且探討新型運營模式、盈利途徑，才能實現可持續(xù)發(fā)展。面對當前問題，植物工廠的發(fā)展對策概括如下。

（1）研發(fā)節(jié)能高效的植物工廠生產技術裝備，實現周年優(yōu)質高產。農業(yè)生產系統(tǒng)的優(yōu)質高產是植物工廠盈利發(fā)展的基礎，植物工廠持續(xù)穩(wěn)定地生產出高質量、高商品價值的植物產品必須攻克相應的關鍵技術。應著力在植物工廠核心技術層面開發(fā)高效的立體多層無土栽培技術裝備、人工光照明技術裝備、智能環(huán)境控制技術裝備、植物生產空間自動化管控技術裝備，推出優(yōu)化組合集成系統(tǒng)。其中，智能環(huán)境控制技術裝備更為重要，直接關系到植物生長發(fā)育、產量品質和植物工廠運行能耗等效益制約因子。

（2）研發(fā)高附加值植物的工廠化生產技術參數，提高盈利空間。加快高附加值植物（藥用植物、保健植物、珍稀特蔬菜等）的植物光質生物學規(guī)律研究，拓展植物工廠生產的植物種類，探明功能性活性物質合成代謝累積的環(huán)境調控機制，增加可使用部位生物量和有益化合物的含量。

（3）建立品牌戰(zhàn)略，加快植物工廠農產品和技術裝備的社會認知度和認可度。著力發(fā)展植物工廠植物產品品牌，夯實品質保證機制，加大品牌宣傳推廣力度，使植物工廠產品深入民心，進而提高銷售量和產值。

（4）構建多種植物工廠類型、產品，拓展盈利模式。著力開發(fā)家庭型、商用型、社區(qū)型等植物工廠類型，豐富植物工廠商業(yè)化產品，擴大購買人群；增加植物工廠生產的植物種類，充分利用植物工廠的多種功能實現可持續(xù)盈利。

5 談前景：植物工廠的未來在何方

植物工廠發(fā)展前景廣闊，未來5～10年將達到普及應用水平。植物工廠發(fā)展的推動力主要來源于以下幾個方面。

首先，國家和企業(yè)加大了對植物工廠研究與開發(fā)的投入與力度，業(yè)界信心倍增。植物工廠是現代農業(yè)的重要標志，它的發(fā)展在一定程度上反映了一個國家和地區(qū)農業(yè)高技術發(fā)展的水平，同時也是未來國際農業(yè)高技術競爭的重要方向。植物工廠是一項高投入、高技術、高產出的生產方式，在發(fā)展初期，離不開國家政策的扶持。因此，國家在“十二五”和“十三五”期間加大了科技研發(fā)力度，進行多學科的協同攻關，降低成本，提升效益，提速了植物工廠的產業(yè)化速率。其次，企業(yè)界加大了對植物工廠的資金投入力度。日本發(fā)展的經驗充分證明了這一點，企業(yè)一直是推進植物工廠發(fā)展的主要動力。我國照明企業(yè)界正積極推動植物工廠產業(yè)的發(fā)展，利用自身光源制造優(yōu)勢，產學研結合，發(fā)展迅速。

國家層面對植物工廠發(fā)展十分認可，具體體現在以下三個事件上。其一，2013年國家“十二五”863計劃項目“智能化植物工廠生產技術研究”在中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所立項啟動，表明了國家層面對植物工廠研發(fā)與產業(yè)化前景的認可，具有里程碑式的意義。該項目共設立7個課題，涉及植物工廠LED節(jié)能光源、立體無土栽培、光溫耦合節(jié)能環(huán)境控制、營養(yǎng)液調控、基于網絡的智能管理以及人工光植物工廠、自然光植物工廠集成示范等方面，全國共有20多個優(yōu)勢科教單位和企業(yè)的160多位專家參與，項目總經費達4 611萬元。其二，2016年6月3日，由中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所“設施植物環(huán)境工程團隊”自主研發(fā)的“智能LED植物工廠”成果亮相國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展，受到了黨和國家領導人的高度關注，這對植物工廠產業(yè)化具有積極的推進作用。其三，2016年6月17日中國照明學會農業(yè)照明專業(yè)委員會成立，成為以LED植物工廠照明為主導的植物工廠推進的全國性組織平臺。以上三件大事均突出表現了國家層面對植物工廠及其相關技術裝備研發(fā)的認可和持續(xù)支撐，奠定了植物工廠及其相關技術研發(fā)的可持續(xù)性。

其次，植物工廠產業(yè)發(fā)展恰逢其時，需大力促進。以植物工廠LED照明為主導的植物照明產業(yè)發(fā)展迅速，成為LED照明應用新藍海，成為產業(yè)發(fā)展的新增長點。以植物照明產業(yè)為依托的智能控制、栽培工程等產業(yè)發(fā)展迅速。植物工廠能夠提供無污染、高品質的植物產品，對保障城鄉(xiāng)居民飲食安全具有重大意義。

最后，植物工廠發(fā)展的基礎技術儲備已經成熟，產業(yè)雛形已經形成，將很快進入產業(yè)快速發(fā)展期。目前，已有200家以上的企業(yè)涉獵到植物工廠產業(yè)領域，推出了整體或部分組件產品。因此，在眾多利好條件的推動下，在社會發(fā)展迫切需求的促進下，在跨界創(chuàng)新的不斷創(chuàng)造中，我國的植物工廠研發(fā)與產業(yè)化發(fā)展必將大放異彩，躋身世界植物工廠產業(yè)強國之列。