向植物工廠進(jìn)軍

阮曉東

隨著中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)環(huán)境的變化、城市人口的增加以及植物工廠應(yīng)用成本進(jìn)一步降低，植物工廠有望迎來發(fā)展的黃金期

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)。在這個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，采用立體栽培技術(shù)進(jìn)行周年生產(chǎn)，植物產(chǎn)量是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的幾十倍甚至上百倍，產(chǎn)出的植物品質(zhì)達(dá)到綠色甚至有機(jī)品質(zhì)。目前世界上僅有日本、美國和荷蘭等少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握這項(xiàng)技術(shù)，其中日本科技企業(yè)建設(shè)有大量植物工廠。我國植物工廠發(fā)展時(shí)間尚短，還處于科研、試驗(yàn)、示范階段。但植物工廠作為一種新興農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，已經(jīng)開始在花卉、蔬菜等品種的栽培中使用并被越來越多人接受。未來隨著中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)環(huán)境的變化、城市人口的增加以及植物工廠應(yīng)用成本進(jìn)一步降低，植物工廠有望迎來發(fā)展的黃金期。

從《火星救援》到植物工廠

電影《火星救援》中有這樣一幕：宇航員馬克是一名植物學(xué)專家，當(dāng)他被獨(dú)自遺留火星后，為了克服生存威脅，開始在沒有合適的土壤和空氣的情況下，一步步手動(dòng)蓋起一座馬鈴薯生產(chǎn)工廠，用自己的排泄物和人造水澆灌土豆成長。最終孤身留在火星上的宇航員馬克在火星荒漠上種出了土豆，并靠種土豆、吃土豆生存500天。

看完《火星救援》后，很多人都開始想象如何在貧瘠的荒漠上依賴科學(xué)智慧養(yǎng)活自己。宇航員馬克在火星基地的室內(nèi)鋪好火星土壤，生產(chǎn)出了寶貴的土豆。而在實(shí)際生活中，亦有人在高樓林立、寸土寸金的中國城市里建起了植物工廠。

臺灣人蕭俊丞從2013年起開始在北京CBD創(chuàng)建“植物工場”。這片位于東三環(huán)高檔寫字樓地下空間的“菜地”約50平方米，狹長的空間里整齊地?cái)[放著一排四層高的貨架，通過直流冷光LED照明和流動(dòng)的營養(yǎng)液來培養(yǎng)蔬菜，每月可收獲新鮮蔬菜一千斤。由于采用無塵車間生產(chǎn)，擺脫了土壤污染、水源污染和空氣污染，保證了蔬菜的品質(zhì)，越來越多的人開始上門尋求合作。由于需求量大，蕭俊丞又在北京豐臺郭公莊建設(shè)了另外一座“植物工場”， 以滿足越來越多企業(yè)、寫字樓、餐廳及家庭的要求。

在人們的印象中，中國有廣闊的土地，可以栽培大量的果蔬產(chǎn)品，好像植物種植與科技的距離還比較遙遠(yuǎn)。但是真實(shí)的情況卻比較復(fù)雜。業(yè)內(nèi)專家表示，我國大田露地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)雖然面積較大，但是其產(chǎn)能和穩(wěn)定性卻一直較低。其中原因包括從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源的數(shù)量和質(zhì)量上看，土地、水肥、人力資源的數(shù)量和質(zhì)量都在下降。另外，由于農(nóng)業(yè)環(huán)境的污染、自然災(zāi)害頻發(fā)、季節(jié)干擾大。大田農(nóng)業(yè)受季節(jié)干擾很大，中國北方在冬季根本無法進(jìn)行大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還有就是即使使用溫室栽培，但是人為干預(yù)能力差。比如去年12月下旬，受霧霾天氣影響，北京市昌平區(qū)溫室大棚光照普遍不足，草莓生長發(fā)育受到極大影響，上市時(shí)間比原計(jì)劃推遲了半個(gè)月左右。

基于上述原因，設(shè)施農(nóng)業(yè)雖然在我國得到大力發(fā)展，但這種低端的設(shè)施農(nóng)業(yè)，包括塑料大棚、日光溫室等，其產(chǎn)能和穩(wěn)定性一直比較差，增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的潛力有限，那么如何才能人為控制光照、水分、養(yǎng)料、溫度等條件來提高果蔬產(chǎn)量和質(zhì)量呢？

結(jié)合目前人類已有的技術(shù)，解決辦法只能是發(fā)展“植物工廠”。 “植物工廠”的定義就是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制，來實(shí)現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)不受或很少受自然條件的制約，是一種高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。李克強(qiáng)總理2015年提出，要“通過升級創(chuàng)新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，提升農(nóng)業(yè)裝備的級別，用工業(yè)的理念發(fā)展農(nóng)業(yè)”，就是這個(gè)意思。只有通過這種方法，我們才能用有限的資源、有限的空間生產(chǎn)更多的糧食和食物。

4月20日，第十七屆中國（壽光）國際蔬菜科技博覽會在壽光開幕。其中十號展館的“植物工廠”就是一項(xiàng)樣板工程。該植物工廠是利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對植物生長的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度及營養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)控制，使設(shè)施內(nèi)植物生育不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)。其智能精準(zhǔn)采集系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)無線采集溫度、濕度、土壤酸堿度、肥力指標(biāo)、農(nóng)殘等數(shù)據(jù)，智能節(jié)水節(jié)肥控制系統(tǒng)可根據(jù)土壤肥力指標(biāo)、酸堿度等數(shù)據(jù)控制智能管控水閥。另外，該工廠還將光伏太陽能發(fā)電應(yīng)用到植物工廠中，除可作LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)外，還可應(yīng)用到營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)、生物殺蟲燈和自動(dòng)化控制系統(tǒng)等，有效降低植物工廠的成本。

日本科技企業(yè)大量建設(shè)植物工廠

植物工廠是一種新興農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，可廣泛用于花卉、蔬菜、藥材和食用菌種植栽培，目前這種技術(shù)主要被荷蘭、日本、美國等發(fā)達(dá)國家掌握，其特點(diǎn)是在高科技支撐下，作物栽培可以不受或者很少受外界自然條件制約。

據(jù)了解，植物工廠可以大幅提高單位土地利用率、產(chǎn)出率和經(jīng)濟(jì)效益。由于自動(dòng)化程度高，所以其還具有生產(chǎn)計(jì)劃性，使農(nóng)產(chǎn)品安全無污染，生產(chǎn)操作省力。

植物工廠可以在極端惡劣的環(huán)境條件進(jìn)行生產(chǎn)，有利于農(nóng)業(yè)擺脫資源與環(huán)境的限制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，植物工廠被認(rèn)為是21世紀(jì)解決世界資源人口和環(huán)境問題的重要途徑，也是未來高科技工程（如航天工程、海洋探索過程）中實(shí)現(xiàn)食物自給的重要途徑。

在日本，由于人口老齡化日趨嚴(yán)重，植物工廠在日本獲得了廣泛應(yīng)用。

近年來，日本科技界建設(shè)了大量的植物工廠，東芝、富士通、松下、夏普等電子行業(yè)巨頭紛紛將閑置的工廠改裝為高科技溫室大棚，種植無菌蔬菜，很多電子工程師也隨之搖身一變，成為新時(shí)代“農(nóng)夫”。

日本國民自古有吃生菜的習(xí)慣，而生菜等葉菜又特別適合在植物工廠內(nèi)種植，一些有實(shí)力的公司便紛紛介入開發(fā)（比如三菱、松下等），每年都有新技術(shù)推出。以橫須賀東芝無塵室農(nóng)場（Toshiba Clean Room Farm Yokosuka）為例，該農(nóng)場位于神奈川縣橫須賀市，由原來的軟盤工廠內(nèi)的四層建筑改建而成，占地面積近2000平方米。培育的綠葉蔬菜有散葉生菜、玻璃生菜、直立生菜、瑞士甜菜、雪菜、菠菜、芝麻菜等。該植物工廠從播種到栽培，工人會根據(jù)菜苗的成長階段，細(xì)心地為每株菜苗更換栽培棚。在播種階段，工人會將種子種在小盒子的海綿上，然后放在托盤的孔中。而在栽培階段，隨著植物的生長，小盒子會被換到孔間隔更大的托盤上。根據(jù)植物大小而改變栽培密度并更換到高度不同的栽培棚的方式可以更有效地利用空間。

另外，富士電機(jī)、松下、富士通等電子廠還努力將先進(jìn)的傳感技術(shù)、制造技術(shù)運(yùn)用在植物工廠，大幅降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。運(yùn)用節(jié)能技術(shù)也成了中小企業(yè)進(jìn)軍植物工廠的推動(dòng)力，并計(jì)劃推展至新興國家，幫助其先進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

比如富士通同Aeon子公司AeonAgriCreate和日本國際合作機(jī)構(gòu)（JICA），自2016年1月起在越南推動(dòng)實(shí)驗(yàn)植物農(nóng)場，由富士通建構(gòu)測量系統(tǒng)，設(shè)置數(shù)十個(gè)傳感器，實(shí)時(shí)測量天氣、土壤和成長狀況。AeonAgriCreate從中分析數(shù)據(jù)，透過網(wǎng)絡(luò)從日本遠(yuǎn)程指導(dǎo)越南農(nóng)民。

松下則在新加坡啟動(dòng)了該國政府批準(zhǔn)的首座室內(nèi)蔬菜工廠。生產(chǎn)品種為紅葉生菜等10種蔬菜，年產(chǎn)量為3.6噸。該公司將與日本餐飲連鎖店“大戶屋”合作，向新加坡的店鋪供應(yīng)該工廠生產(chǎn)的蔬菜。夏普在迪拜建設(shè)了栽培草莓的植物工廠實(shí)驗(yàn)樓，并已開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

如今在發(fā)達(dá)國家，植物工廠已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，相關(guān)市場形成了制造和供應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈，企業(yè)可以方便地從零售渠道獲得種子、營養(yǎng)液、栽培用具和各種耗材進(jìn)行種植。因全世界對“安全放心食品”的關(guān)注度越來越高，日本等很多高科技公司還打算將植物工廠培育成新的出口產(chǎn)業(yè)，并在海外新建大型植物工廠，同時(shí)銷售植物工廠使用的設(shè)備及系統(tǒng)。植物工廠對于日本制造業(yè)來也成為近年來新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

中國：植物工廠正在大力推廣

不需土壤，無需陽光，蔬菜照樣生長，而且質(zhì)量和產(chǎn)量都更好，因此植物工廠被稱為設(shè)施農(nóng)業(yè)的最高級階段。在我國，植物工廠的興起和發(fā)展時(shí)間還比較短，大多數(shù)植物工廠還處于科研、試驗(yàn)、示范階段。據(jù)悉，植物工廠一般分為5級，它們按照發(fā)展流程如下：芽菜植物工廠→菌菇、藥用菌植物工廠→葉菜植物工廠→漿果、花卉植物工廠→中藥植物工廠。而我國的植物工廠一般處于第三級和第四級。目前，在我國的北京、山東、江蘇、福建等地都有“植物工廠”在進(jìn)行生產(chǎn)研發(fā)，種植品種包括生菜、西紅柿、油菜、葡萄、黃秋葵、辣椒等品種，以及一些高檔花卉種苗。

由北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所和北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司建立的京鵬植物工廠是我國第一座規(guī)?；闹参锕S。該植物工廠占地近1300平方米，內(nèi)部分為四大區(qū)域：組培播種區(qū)、育（煉）苗區(qū)、生產(chǎn)收獲區(qū)和包裝貯藏區(qū)，配有人工光利用型、太陽光利用型、太陽光和人工光并用型等三種不同模式的植物工廠生產(chǎn)車間。京鵬植物工廠的檔次與水平目前已經(jīng)處于國際先進(jìn)水平，其技術(shù)的原創(chuàng)性和集成性特別高，如精準(zhǔn)育苗生產(chǎn)線、移栽機(jī)器人、組培技術(shù)、采摘收獲機(jī)器人等。

2015年，我國首個(gè)自主研發(fā)的，立體式標(biāo)準(zhǔn)化植物工廠——農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠在北京市平谷區(qū)建成并投入運(yùn)營。在北京市平谷馬坊工業(yè)園區(qū)，單體總面積2.6萬平方米的農(nóng)眾物聯(lián)植物工廠共分三層，一層栽培高端食用菌，二層種植山野菜，三層主要種植茄果類蔬菜，同時(shí)兼有物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)應(yīng)用成果展示，預(yù)計(jì)年產(chǎn)蔬菜瓜果約700萬公斤。

德州市首個(gè)植物工廠在齊河縣美東農(nóng)業(yè)科技公司建成運(yùn)營。該植物工廠采用水肥一體化設(shè)施，蔬菜生長在立體式栽培架上或塑料泡沫板里，完全浸泡在營養(yǎng)液中，植物生長期可縮短為30%-40%。

在寧波市杭州灣跨海大橋南翼，由寧波供銷集團(tuán)投資千萬元打造的“植物夢工廠”正式建成投產(chǎn)，該植物工廠引進(jìn)日本先進(jìn)的太陽光利用型植物工廠系統(tǒng)，一年可以收割15-18次蔬菜，畝產(chǎn)量1.6萬公斤，按照目前40元/公斤的價(jià)格，每畝產(chǎn)值可達(dá)64萬元。

昆明立深新園生物科技有限公司建設(shè)了“云上蔬”植物工廠。目前，云上蔬植物工廠已經(jīng)完成了66個(gè)品種篩選，每個(gè)月在以十幾個(gè)品種的速度在增長，從種源上保證蔬菜的口感。目前，植物工廠引進(jìn)的品種包括生菜、芥菜、小松菜、京水菜、芝麻菜、菠菜、冰菜等，當(dāng)?shù)氐钠贩N包括豌豆尖、茼蒿、本地芹菜、薺菜、莧菜、紅油香椿等，此外還將開發(fā)益母草、板藍(lán)根、葉用三七、蒲公英、萊菔（葉用蘿卜）等藥用蔬菜。

2016年初，中國科學(xué)院植物研究所與國內(nèi)LED龍頭企業(yè)——福建三安集團(tuán)有限公司合作的LED植物工廠項(xiàng)目在安溪奠基開工。該項(xiàng)目計(jì)劃總投資70億元，總部年納稅超過2億元；2016年投資10億元，2017年投資20億元，達(dá)產(chǎn)后預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值80億元（蔬菜類20億元、自動(dòng)化裝備30億元、深加工30億元），并將力爭用5年左右時(shí)間上市。三安集團(tuán)旗下核心企業(yè)三安光電掌握了成熟的植物生長照明技術(shù)，可全面應(yīng)用于蔬菜、水果、花卉等農(nóng)作物、中草藥及生物醫(yī)藥原料的生產(chǎn)。

隨著中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)環(huán)境的變化，城市化進(jìn)程帶來的城市人口增加，蔬菜供應(yīng)增大，而土地資源卻不斷減少；傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引發(fā)的環(huán)境負(fù)擔(dān)不斷增加。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國植物工廠每年增長規(guī)模30-40家。截至目前，我國已建植物工廠達(dá)120多家。據(jù)日本株式會社專家預(yù)計(jì)，中國植物工廠未來有望達(dá)到日本植物工廠10倍以上的規(guī)模。

投入比較高，成本問題亟待解決

植物工廠是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。植物工廠技術(shù)的突破將會解決人類發(fā)展面臨的諸多瓶頸，甚至可以實(shí)現(xiàn)在荒漠、戈壁、海島、水面等非可耕地，以及在城市的摩天大樓里進(jìn)行正常生產(chǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)解決糧食安全、人口、資源、環(huán)境問題的重要途徑，也是未來航天工程、月球和其他星球探索過程中實(shí)現(xiàn)食物自給的重要手段。

植物的生長離不開光照、水分、養(yǎng)料、適宜的溫度等。作為植物生長的車間，植物工廠本質(zhì)上是對這些要素的集成控制。國外植物工廠發(fā)展相對成熟一些，但由于國外消費(fèi)水平較高，所以其高投入也可以通過高消費(fèi)來快速收回成本。但就國內(nèi)的植物工廠來說，很多企業(yè)都反映植物工廠目前的投入成本太高，不利于推廣。

筆者了解發(fā)現(xiàn)，植物工廠成本比較大的原因主要包括兩個(gè)方面：一是投入成本比較高。植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè)，需要通過人工光源、營養(yǎng)液設(shè)備和智能監(jiān)控系統(tǒng)等外在硬件，以及對溫度、濕度和光照等環(huán)境的智能調(diào)控管理，而這些設(shè)施成本比較高。第二是維護(hù)成本也同樣較高。一個(gè)一般規(guī)模的植物工廠建成需要幾十萬元甚至上百萬元的投入，維護(hù)成本每個(gè)月需要幾萬元，這在一定程度上的確影響了它的推廣。比如取代“太陽”的光照系統(tǒng)的LED補(bǔ)光系統(tǒng)，不僅前期投入較大，后期的能源消費(fèi)也不可小覷。

另外由于我國地理環(huán)境復(fù)雜，氣候條件多樣，不同作物的生長所需要的光照、溫度、濕度和營養(yǎng)液等都不相同，同種作物在不同時(shí)期不同環(huán)境下的生長需求也不相同。所以在成果轉(zhuǎn)化與示范驗(yàn)證層面，我國還需要建立典型氣候區(qū)植物工廠示范工程。雖然北京、德州、無錫、寧波、昆明等地已經(jīng)有了不同規(guī)模的植物工廠示范工程，但這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我國亟需建立規(guī)模尺度差異性植物工廠示范工程，以及建立多種植物種類的植物工廠示范工程。示范工程的建立以及通過一年或者是幾年的運(yùn)行，可以得到運(yùn)行參數(shù)以便為我國植物工廠的標(biāo)準(zhǔn)化、推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

此外，要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)植物工廠的產(chǎn)業(yè)化，無論是從技術(shù)突破、標(biāo)準(zhǔn)檢測、降低成本，還是市場推廣等層面考慮，都迫切需要搭建協(xié)同創(chuàng)新的公共性服務(wù)平臺。筆者了解到，廣東省半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)聯(lián)合創(chuàng)新中心聯(lián)合開展核心技術(shù)攻關(guān)，籌建了廣東現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（植物工廠）應(yīng)用示范基地，致力于推動(dòng)LED植物照明產(chǎn)品和設(shè)備的研發(fā)和示范推廣。此外中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所也建立了植物工廠技術(shù)推廣平臺。隨著各種技術(shù)應(yīng)用成本的進(jìn)一步降低，可以預(yù)見在不久的未來，植物工廠必將迎來發(fā)展黃金期。