植物工廠的概念與國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)賀冬仙教授分別以“植物工廠的概念與國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀”“人工光型植物工廠技術(shù)進(jìn)展與典型案例”“太陽光型植物工場(chǎng)技術(shù)進(jìn)展與典型案例”“家庭植物工廠技術(shù)進(jìn)展與典型案例”“我國(guó)植物工廠發(fā)展的思考”為題，系統(tǒng)的介紹“植物工廠”的概念以及經(jīng)典案例，分析“植物工廠”發(fā)展中存在的問題和誤區(qū)，提出適應(yīng)中國(guó)國(guó)情的“植物工廠”解決方案。從本期開始，我們以連載的形式刊發(fā)，敬請(qǐng)期待。

植物工廠的概念

按照嚴(yán)格的定義，完全在可控環(huán)境下進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)植物產(chǎn)品的設(shè)施才能稱其為“植物工廠”或“植物工場(chǎng)”。日本千葉大學(xué)的古在豐樹教授把植物工廠分為“人工光型植物工廠”“太陽光型植物工場(chǎng)”及“太陽光與人工光并用型植物工場(chǎng)”。簡(jiǎn)而言之，人工光植物工廠就是完全使用人工光源、進(jìn)行多層立體栽培植物的設(shè)施，類似于工業(yè)化工廠實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化流程的訂單式規(guī)模生產(chǎn)，可簡(jiǎn)稱為人工光植物工廠；太陽光型及其與人工光并用型植物工場(chǎng)就是不補(bǔ)光或補(bǔ)光的大型溫室設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能的規(guī)?；慨a(chǎn)，可簡(jiǎn)稱為太陽光型或自然光型植物工場(chǎng)。家庭植物工廠、集裝箱式植物工廠、小型植物工廠等概念應(yīng)該說是植物工廠技術(shù)的衍生詞，因其不具備工業(yè)化生產(chǎn)流程和規(guī)?；慨a(chǎn)的特征，故不能稱其為真正意義上的“植物工廠”。關(guān)于“植物工廠”還是“植物工場(chǎng)”的術(shù)語用詞，筆者認(rèn)為，具有工業(yè)化生產(chǎn)工藝流程，能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、規(guī)?；闹苣攴€(wěn)定生產(chǎn)的商業(yè)化人工光型設(shè)施可以稱為“植物工廠”，但對(duì)于其常規(guī)的溫室設(shè)施來講，即使是具有一定規(guī)模并能實(shí)現(xiàn)周年穩(wěn)定生產(chǎn)的補(bǔ)光型或不補(bǔ)光設(shè)施都應(yīng)稱其為“植物工場(chǎng)”，而不是“植物工廠”。從準(zhǔn)確描述設(shè)施類型和生產(chǎn)特點(diǎn)的角度出發(fā)，“植物工廠”和“植物工場(chǎng)”的音同字不同，應(yīng)區(qū)別使用。家庭植物工廠或集裝箱型植物工廠等詞盡管已被市場(chǎng)所接受，但不能等同于這種設(shè)備就是植物工廠，如果作為產(chǎn)品建議使用“植物光照盒”“植物栽培箱”等符合其設(shè)備特點(diǎn)的專用術(shù)語來定義。

人工光型植物工廠的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

人工光型植物工廠是2000年日本千葉大學(xué)古在研究組開發(fā)的密閉式植物生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化而發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)。在日本福島核泄漏事件背景下和日本政府的大力支持下，商業(yè)化生產(chǎn)的人工光型植物工廠在日本已經(jīng)有近250個(gè)，其中30%是盈利的、50%可以持平，還有20%處于赤字經(jīng)營(yíng)，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（圖1）。不僅是科研界，電子、醫(yī)療、能源、材料、房地產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)界和私人企業(yè)也大量投資開發(fā)植物工廠技術(shù)，包含人工光型植物工廠涉及的人工光源、節(jié)能調(diào)控、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)、營(yíng)銷策略與市場(chǎng)開拓，還研究如何調(diào)控植物的二次代謝和功能性成分等。日本植物工廠研究會(huì)的日企成員多達(dá)80多個(gè)，定期或不定期地開展植物工廠學(xué)習(xí)和培訓(xùn)會(huì)，在提高自身技術(shù)水平的同時(shí)積極開拓海外市場(chǎng)，以期在人工光型植物工廠領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位，并能夠成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)支柱型產(chǎn)業(yè)。相對(duì)比日本產(chǎn)業(yè)界對(duì)人工光型植物工廠產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)注，中國(guó)臺(tái)灣和韓國(guó)則是LED生產(chǎn)廠家直接開展了人工光型植物工廠的技術(shù)研發(fā)與商業(yè)化示范推廣，美國(guó)則是以垂直農(nóng)業(yè)模式和LED創(chuàng)新應(yīng)用在推動(dòng)該技術(shù)，荷蘭等歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家則以飛利浦和PlantLab等大公司和Waheninggen UR的Greenhouse Horticulture Team科研院所合作開展了LED立體栽培和溫室補(bǔ)光的試驗(yàn)示范，至今未曾開展商業(yè)化普及推廣。相對(duì)比日本的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國(guó)還沒有1座真正意義上的商業(yè)化的人工光型植物工廠。

近20年來，盡管我國(guó)有將近6000多個(gè)農(nóng)業(yè)科技觀光園，幾乎都建有示范性的組培大樓和大型溫室設(shè)施，新建園區(qū)也建有示范性的人工光型植物工廠，但其規(guī)模小、能耗高、無法實(shí)現(xiàn)周年連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，故不能稱其為植物工廠。近年來，不少LED廠家擴(kuò)展了植物生長(zhǎng)燈和植物工廠等業(yè)務(wù)，宣稱其有植物工廠的整體解決方案，但未曾看到具有一定商業(yè)化推廣前景的示范性設(shè)施或生產(chǎn)模式。中國(guó)科技部于2013～2017年在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域以863項(xiàng)目形式啟動(dòng)了“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究（2013AA103000）”專項(xiàng)，投資了4611萬國(guó)撥經(jīng)費(fèi)開展植物工廠技術(shù)研發(fā)，但到目前為止還未取得突破性進(jìn)展以支撐大規(guī)模、商業(yè)化的植物工廠生產(chǎn)（表1）。因此，人工光型植物工廠技術(shù)在中國(guó)還處于商業(yè)化推廣之前的研發(fā)階段。

太陽光型及其與人工光并用型植物工場(chǎng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

太陽光型植物工場(chǎng)及其與人工光并用型植物工場(chǎng)是從荷蘭的高產(chǎn)高效溫室生產(chǎn)轉(zhuǎn)化而來的植物工廠技術(shù)。荷蘭是一個(gè)溫光等自然環(huán)境較差的國(guó)家，經(jīng)過65年的技術(shù)發(fā)展，荷蘭溫室番茄產(chǎn)量每年以6.5%的速率穩(wěn)定增長(zhǎng)，其平均產(chǎn)量水平已經(jīng)超過70 kg/m2，很多公司的溫室番茄單產(chǎn)均已超過90 kg/m2，溫室產(chǎn)品的75%全部出口，溫室類型以文洛式玻璃溫室為主，是真正意義上的設(shè)施園藝強(qiáng)國(guó)（圖2）。荷蘭主流的溫室蔬菜生產(chǎn)基本為3～10 hm2規(guī)模，近年來已有多家50 hm2以上規(guī)模。除大公司以外，溫室種植農(nóng)戶也常以合作社方式擴(kuò)大規(guī)模以降低包裝和銷售成本。荷蘭的葉菜類溫室生產(chǎn)基本為不補(bǔ)光溫室，即太陽光型植物工場(chǎng)，果菜類溫室生產(chǎn)基本為補(bǔ)光溫室即太陽光與人工光并用型植物工場(chǎng)。目前，荷蘭Royal Pride公司的溫室生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和其牽頭組織的Harvest House銷售公司已經(jīng)結(jié)成聯(lián)盟，累計(jì)設(shè)施面積占荷蘭溫室蔬菜種植總面積的1/5?？梢哉f，荷蘭在太陽光及其與人工光并用型植物工場(chǎng)技術(shù)領(lǐng)域是真正的世界領(lǐng)先，已經(jīng)成為其經(jīng)濟(jì)支柱型產(chǎn)業(yè)支撐。相對(duì)比，盡管日本和韓國(guó)的設(shè)施園藝技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于荷蘭，但也走出了一條適合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展的道路。日本和韓國(guó)大多以3000～5000 m2的塑料溫室規(guī)模進(jìn)行家庭經(jīng)營(yíng)，只有為數(shù)不多的大公司的溫室生產(chǎn)規(guī)模會(huì)超過3～4 hm2，其果菜和葉菜的溫室生產(chǎn)比較穩(wěn)定，平均產(chǎn)量水平為荷蘭的一半。為了追趕荷蘭溫室園藝技術(shù)進(jìn)展，日本提出了“低段高密度”等分茬栽培模式以抗衡荷蘭式“長(zhǎng)季節(jié)吊蔓”栽培模式，溫室番茄目標(biāo)產(chǎn)量為50 kg/m2，目前已有成套化的資材和技術(shù)配套推廣該技術(shù)。韓國(guó)則期待利用農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Internet of Farm）等信息化技術(shù)（Information Communications Technology）將溫室農(nóng)戶聯(lián)營(yíng)，通過直營(yíng)和聯(lián)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)化高端技術(shù)支撐，提高設(shè)施產(chǎn)量、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。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，無論是太陽光型種苗生產(chǎn)還是人工光型種苗生產(chǎn)均走在了世界前列。

相對(duì)比荷蘭的1萬hm2溫室，日本和韓國(guó)有5萬hm2溫室面積，我國(guó)設(shè)施園藝面積在205萬hm2以上數(shù)據(jù)來源農(nóng)業(yè)機(jī)械司2104年統(tǒng)計(jì)年報(bào)。我國(guó)北方的主要設(shè)施類型為日光溫室和春秋大棚，南方的主要設(shè)施類型為塑料大棚和遮雨棚，具有環(huán)境控制功能的連棟溫室面積較少。在“九五”和“十五”期間，科技部以工廠化農(nóng)業(yè)專項(xiàng)資助大力促進(jìn)了我國(guó)設(shè)施園藝尤其是溫室建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)家也投資建設(shè)了很多大型的農(nóng)業(yè)科技示范園。事實(shí)上，設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)得到大力發(fā)展的并不是連棟溫室建設(shè)技術(shù)，而是日光溫室和塑料大棚等簡(jiǎn)易設(shè)施。“十一五”期間，科技部啟動(dòng)管控一體化等國(guó)家科技支撐專項(xiàng)資助以期通過自動(dòng)化的環(huán)境控制和精準(zhǔn)管理水平的提高以促進(jìn)溫室產(chǎn)量和設(shè)施效益，但是效果并不顯著?！笆濉逼陂g，科技界的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向日光溫室智能環(huán)控、水肥一體化、太陽能主動(dòng)蓄放熱、熱泵加溫等一系列研發(fā)項(xiàng)目以863項(xiàng)目和國(guó)家科技支撐項(xiàng)目的形式出現(xiàn)?！笆濉逼陂g，減農(nóng)藥和減化肥、育種與裝備成為首期啟動(dòng)的重大研發(fā)計(jì)劃，期待這些科研項(xiàng)目能從提高設(shè)施產(chǎn)量和增加設(shè)施效益的角度解決我國(guó)設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)的問題，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

*項(xiàng)目支持：科技部863項(xiàng)目“植物工廠立體多層栽培系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)與裝備”（2013AA103002）和“植物工廠網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)研究”（2013AA102005）。

作者簡(jiǎn)介：賀冬仙（1970-），女，山西太谷人，教授，博士，博士生導(dǎo)師。