人工光植物工廠生產成本構成和經濟效益分析

張宇++肖玉蘭

摘 要：人工光植物工廠作為技術高度密集、資源高效利用的現代農業(yè)生產方式，在日本、美國、韓國、中國及北歐一些國家和地區(qū)正迅速發(fā)展并逐漸形成產業(yè)。在世界人口不斷增長，資源和環(huán)境問題日益突出，環(huán)保意識和食品安全受到高度重視的今天，植物工廠風潮的興起是順天應人，但植物工廠較高的投資成本與運行成本使得產品售價偏高。因此，闡述了發(fā)展植物工廠的意義，剖析了人工光植物工廠的基本組成要素和生產成本構成，分析了植物工廠的經濟效益，針對植物工廠面臨的問題，提出了提高其經濟效益的對策和途徑。

關鍵詞：植物工廠；人工光源；組成要素；固定資產；運行成本；經濟效益；商業(yè)模式

隨著世界人口的不斷增長，農產品需求數量的逐年上升和資源與環(huán)境問題的日益突出，迫切需要發(fā)展生產環(huán)境可控的設施農業(yè)。植物工廠作為一種顛覆傳統(tǒng)農業(yè)種植的全新方式，不受土地、氣候等自然條件的限制和影響，可完全按照計劃、精準定時、定量生產出無污染的種苗及蔬菜、花卉等作物，受到了前所未有的關注[1]。植物工廠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，周年連續(xù)生產的高效工廠化農業(yè)系統(tǒng)；是集生物技術、設施園藝技術、植物生理、植物栽培工程、現代裝備工程、環(huán)控信息技術的高科技產業(yè)[2]，對解決世界資源、環(huán)境問題，保障食品安全，提高農業(yè)資源利用率，減緩農業(yè)環(huán)境污染等方面具有重要的戰(zhàn)略意義和實用價值。因此，植物工廠被認為是未來解決資源緊缺、新生代勞動力不足、食物需求不斷上升等問題的重要途徑，也是未來航天工程、月球和其他星球探索過程中實現食物自給的重要手段[3]。

日本千葉大學的古在豐樹教授把植物工廠分為3種類型，即人工光型、陽光型、陽光和人工光混合型。本文所討論的植物工廠是指人工光植物工廠或稱為密閉型植物工廠，是完全使用人工光源，具有環(huán)境高度可控，多層立體培養(yǎng)，工業(yè)化、標準化、周年生產等特點。人工光植物工廠作為環(huán)境因子控制精度最高的設施園藝典范，多年來一直被國際公認為是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[2]。

目前世界上對植物工廠關注度比較高的國家和地區(qū)有日本、韓國、新加坡、北歐及中國臺灣等，當然科技巨頭美國也在相關領域投入技術研發(fā)。日本是目前在植物工廠發(fā)展方面處于領先的國家，為擺脫土地對發(fā)展的限制，打造不依賴土地的生產方式，同時也為緩解農業(yè)勞動人口數量減少及日趨老齡化的沖擊，開發(fā)與大都市空間相適應的新鮮農產品供應體系。日本政府從 2008 年開始啟動植物工廠發(fā)展計劃，由農林水產省出資

1 000 億日元、經濟貿易工業(yè)省出資500 億日元補助科研單位、企業(yè)和農戶，5 a間新增了100 多座植物工廠[4]，并在全國建立了多處示范型植物工廠基地， 供研究、示范、推廣應用等。日本國內的日立和三菱等重工企業(yè)在政策的大量刺激下也開始投入重金研發(fā)。到2016年3月， 日本的人工光植物工廠已發(fā)展到246個，其中 30%盈利、50%持平、 20%虧損經營，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。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，但是，我國植物工廠規(guī)模普遍偏小（多小于200 m2），生產植物以葉菜為主，環(huán)控技術裝備水平參差不齊，以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。

植物工廠作為一種技術高度密集、資源高效利用的現代農業(yè)生產方式，具有產量高、土地利用率高、產品安全無污染、自動化程度高等突出優(yōu)勢，目前在國內外具有廣泛的應用需求。然而植物工廠的推廣應用也面臨著諸多問題，如成本過高、能耗較大、經濟效益欠佳等。能耗和運行成本過高的問題已成為制約植物工廠推廣的一大“瓶頸”[4～6]。而對于經濟和消費結構相對落后的國家來說，純生產型植物工廠企業(yè)盈利前景還不夠明朗，仍然有很長的一段路要走。迄今，植物工廠與其出產的蔬菜仍被認為是“貴族蔬菜”，很難普及。除了缺乏銷售渠道外，主要的原因在于相對高昂的售價。因此，很有必要對植物工廠的成本和經濟效益作一個綜合的分析。

1 植物工廠的基本組成要素和生產成本構成

人工光植物工廠是密閉式的系統(tǒng)，不受或很少受外界氣候變化的影響，其植物產量和質量主要取決于環(huán)境調控與管理技術的整體水平。因此，植物工廠必須具有“工廠”的基本屬性，要求植物生長發(fā)育的環(huán)境因子、水肥供給等均可全程自動化調控，并具有一定的植物生產流程的空間自動管理功能，可實現植物工廠化、規(guī)?；咝a。人工光植物工廠的基本組成要素和生產成本主要由以下部分構成。

1.1 植物工廠的基本組成要素和固定資產投資

①廠房基本建設 人工光植物工廠要求保溫、密閉、潔凈，一般由栽培車間、作業(yè)室、貯藏室、控制室、更衣室等房間構成。為了室內氣溫波動最小化以及防止出現結露，常采用不透光的絕熱材料作為圍護結構。對于寒冷地區(qū)來說，還應隔斷地面的傳熱。人工光植物工廠圍護結構的傳熱系數為0.1～0.2 W/（m2·K）；栽培室的換氣次數為0.01～0.02 次/h [7]。植物工廠實行高度保溫和密閉不只是為了防止室外的昆蟲、微生物以及小動物進入室內，減少室內水蒸氣和熱量散失，同時也是為了防止室內CO2 流失到室外（ 室外大氣的CO2 濃度僅有400 μmol/mol）。植物工廠的外圍護結構設計、功能分區(qū)、密閉性都很重要，直接關系到植物工廠初裝成本、運行成本及能耗，也關系著生產效率。植物工廠廠房基本建設包括采用保溫防火材料（例如彩鋼板）搭建各生產車間，并進行墻壁及地面的保溫及防菌處理。為了保證產品安全和操作人員的健康，應選擇環(huán)保、不產生揮發(fā)性氣體的建筑材料。

②立體多層栽培系統(tǒng) 立體多層栽培系統(tǒng)包括栽培架、栽培床或苗床、栽培板、穴盤等；利用立體多層栽培系統(tǒng)可以實現土地的高效利用，栽培層數越多，則土地的利用率越高。如果為栽培架配置高反射材料制作的反射板，栽培床上的光強可以顯著提高。例如，白色栽培板的光反射率約為80%，可以有效提高光能的利用率。另外需注意的是，栽培架最頂層應與屋頂保持一定距離（至少30 cm）， 以利于屋頂空氣流動，如果栽培車間內的空氣流動性能差，會使得栽培車間在垂直方向上出現溫差，影響植物生長。