汪 銳，楊豫森，王 琮，宋艷梅，張?jiān)潞?/p>

(1.中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2.華能?chē)?guó)際電力股份有限公司，北京 100031)

引言

近年來(lái)，因新型冠狀病毒感染引發(fā)的肺炎疫情席卷全球，極大地沖擊了全球糧食安全[1]，而不久前爆發(fā)的俄烏沖突，更是讓岌岌可危的全球糧食安全百上加斤(俄羅斯和烏克蘭供應(yīng)了全球大麥出口總量的20%左右，供應(yīng)小麥出口總量的25%以上[2])。加之近年來(lái)極端天氣頻發(fā)，高溫干旱、洪澇災(zāi)害等嚴(yán)重影響全球各地的糧食產(chǎn)量，因此迫切需要一種全新的作物生產(chǎn)方式，植物工廠為應(yīng)對(duì)以上不利因素提供了一種解決方案。

1 植物工廠的概念及優(yōu)勢(shì)

日本東海大學(xué)教授髙遷正基先生在一本名為《植物工廠》的書(shū)中開(kāi)創(chuàng)了植物工廠(plant factory)的概念。它是指在全封閉的設(shè)施內(nèi)，利用人為環(huán)境的自動(dòng)化控制，進(jìn)行高效、省力、穩(wěn)定種植植物的生產(chǎn)方式[3]。該條件下的農(nóng)事生產(chǎn)不受或很少受自然環(huán)境的制約，且可以進(jìn)行周年連續(xù)生產(chǎn)，能有效地應(yīng)對(duì)地緣政治、自然災(zāi)害、瘟疫等不利因素。從光源上劃分，植物工廠可分為人工光型、自然光型以及人工光與自然光兩用型，而狹義上的植物工廠只采用人工光為唯一光源[4]。作為一種全新的規(guī)范化種植模式，植物工廠有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)不占用耕地，植物工廠可以建設(shè)在都市高樓中，也可以建設(shè)在近郊工廠，擺脫了地域限制；2)植物工廠內(nèi)的環(huán)境由于可以實(shí)現(xiàn)人為操控，擺脫了外界環(huán)境氣候的限制，且可以全年連續(xù)進(jìn)行作物生產(chǎn)；3)提高水肥利用率(植物工廠水肥資源利用率可達(dá)90%以上)，采用循環(huán)供給營(yíng)養(yǎng)液系統(tǒng)，相比于大田種植，避免了水肥滲漏至地下造成的浪費(fèi)，解決了施肥過(guò)量、土壤板結(jié)等問(wèn)題，同時(shí)也降低了干旱或洪澇的風(fēng)險(xiǎn)[5]；4)產(chǎn)量高、品質(zhì)好，單位面積內(nèi)，植物工廠的產(chǎn)量是大田種植的幾十倍甚至上百倍[6]，此外，通過(guò)精準(zhǔn)人工環(huán)境的控制，可為植物生長(zhǎng)量身定制其所需的各種條件，大大增加植株生物量，縮短成熟周期，且植物工廠內(nèi)潔凈度等級(jí)高，不產(chǎn)生病蟲(chóng)害，產(chǎn)品無(wú)農(nóng)藥殘留、重金屬殘留及微生物污染，安全放心。

2 各國(guó)植物工廠發(fā)展現(xiàn)狀

作為一種集約化的農(nóng)業(yè)種植模式，植物工廠主要分布在一些發(fā)達(dá)國(guó)家。其中日本和荷蘭的植物工廠比較具有代表性，這兩個(gè)國(guó)家的栽培技術(shù)體系較為成熟，各類設(shè)施裝備齊全，生產(chǎn)作業(yè)流程更為規(guī)范，其產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)也較高[7]。近年來(lái)，隨著資本市場(chǎng)的進(jìn)入，植物工廠的規(guī)模越來(lái)越大，許多國(guó)家著手于大型植物工廠的建設(shè)(表1)。

表1 國(guó)內(nèi)外大型植物工廠匯總Table 1 Summary of large-scale plant factories at home and abroad

2.1 日本

日本對(duì)于植物工廠方面的研究始于1974年。1983年，日本第一座商用型植物工廠在靜岡縣三浦農(nóng)場(chǎng)建成，該植物工廠采用氣霧培與水培的栽培模式。1985年，日本千葉縣一家購(gòu)物中心的蔬菜銷售區(qū)也推出了植物工廠。1989年4月，日本成立了專注于植物工廠研究的農(nóng)業(yè)高技術(shù)學(xué)會(huì)，之后每年1月份定期組織關(guān)于植物工廠的研討會(huì)，該學(xué)會(huì)的成立極大地推動(dòng)了日本植物工廠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。截至20世紀(jì)90年代末，日本約建成20座人工光型植物工廠。進(jìn)入21世紀(jì)后，日本植物工廠蓬勃發(fā)展。2001年，位于北海道的神內(nèi)農(nóng)場(chǎng)投資2.8億元人民幣，打造了當(dāng)時(shí)日本乃至世界上設(shè)備最精良、技術(shù)最先進(jìn)、投資最多的人工光與太陽(yáng)光兩用型神內(nèi)植物工廠[8]。2009年日本政府出臺(tái)一系列政策促進(jìn)植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并撥款500億日元，支持植物工廠的建設(shè)與研發(fā)。在政府和政策的影響下，日本多個(gè)大型企業(yè)如日立、豐田、三菱等紛紛進(jìn)軍植物工廠[9]，之后日本植物工廠的數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，2009年至2017年間日本用于商業(yè)化生產(chǎn)的植物工廠數(shù)量增長(zhǎng)如圖1所示(2015年至2017年間，植物工廠的總數(shù)幾乎保持不變)。目前日本約有400座人工植物工廠，其中只有250座左右在實(shí)際運(yùn)營(yíng)[10]。

圖1 日本商業(yè)化植物工廠的數(shù)量變化Fig.1 Change in the number of commercial plant factories in Japan

2.2 中國(guó)

近年來(lái)隨著國(guó)家政策的支持及業(yè)內(nèi)人士的推動(dòng)，植物工廠的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化在我國(guó)均呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭，但與歐美國(guó)家相比，整體規(guī)模偏小，用途以科研展示為主，大型商業(yè)化植物工廠較少。福建省中科三安植物工廠是商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的大型工廠之一，其栽培面積超過(guò)10 000 m2，日產(chǎn)蔬菜1.8 t左右，作為植物工廠解決方案供應(yīng)商，該公司在國(guó)內(nèi)落地了多個(gè)項(xiàng)目，如位于山西長(zhǎng)治的10 000 m2混合型植物工廠，與國(guó)家電力投資集團(tuán)聯(lián)合打造的智能植物工廠等。此外，該公司還在美國(guó)、加拿大、日本、韓國(guó)、新加坡、阿聯(lián)酋、德國(guó)、西班牙等20 多個(gè)國(guó)家開(kāi)拓了植物工廠市場(chǎng)。2020年11月，四維生態(tài)在浙江省義亭鎮(zhèn)缸窯村打造了一座總投資950萬(wàn)元、占地面積約1 000 m2的植物工廠。2022年江西上饒?jiān)乒忍飯@生態(tài)小鎮(zhèn)打造了一座全自動(dòng)的垂直葉菜工廠，該工廠占地1 147 m2、模組總層數(shù)20層、高11.2 m，其產(chǎn)量與9 800 m2的平面種植面積持平，是同等占地面積下傳統(tǒng)種植的30倍。該植物工廠利用智能裝備如AGV自動(dòng)物流車(chē)、立體升降機(jī)等，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化精準(zhǔn)快速播種、育苗、定植、采收等工作，極大地提高了工作效率。

3 植物工廠裝備技術(shù)進(jìn)展現(xiàn)狀

植物工廠是一個(gè)涉及生命科學(xué)、生物技術(shù)、設(shè)施園藝、環(huán)境控制、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化及人工智能等多個(gè)學(xué)科的交叉領(lǐng)域，該領(lǐng)域的核心技術(shù)包括LED照明技術(shù)、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)調(diào)控技術(shù)、栽培采收技術(shù)、智能裝備技術(shù)及智能環(huán)境控制技術(shù)等，各技術(shù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，互相搭配為植物工廠穩(wěn)定高效運(yùn)行出力。如荷蘭的太陽(yáng)光型植物工廠利用先進(jìn)的智能環(huán)控系統(tǒng)以及水肥管理系統(tǒng)，使得番茄年產(chǎn)量高達(dá)85～90 kg/m2[11]。日本的人工光植物工廠技術(shù)較為領(lǐng)先，通過(guò)系統(tǒng)集成的方法使植物工廠年產(chǎn)量提高至55 t/hm2[12]。近年來(lái)，我國(guó)植物工廠裝備研究也取得了巨大進(jìn)展，智能裝備系統(tǒng)在播種、移栽、采收、運(yùn)輸、包裝等多個(gè)環(huán)節(jié)中得到應(yīng)用[13]，如方嘯等[14]采用自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法解決了智能運(yùn)輸車(chē)自主尋路、避障的問(wèn)題。田志偉等[15]利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品分級(jí)、檢測(cè)植物養(yǎng)分脅迫、病蟲(chóng)害等；馬浚誠(chéng)等[16]利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)構(gòu)建支持向量機(jī)來(lái)識(shí)別與診斷黃瓜霜霉病，準(zhǔn)確率達(dá)到90%；劉蒙蒙[17]選取害蟲(chóng)形態(tài)特征作為表征蟲(chóng)害的特征參數(shù)，基于支持向量機(jī)進(jìn)行分類，害蟲(chóng)平均識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到了93.5%。David等[18]以生菜頂部冠層面積作為形態(tài)特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，評(píng)估早期生菜中鈣缺乏情況等。目前人工光植物工廠光源能耗占總能耗的50%～60%[19]，降低運(yùn)行能耗也是植物工廠裝備技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，Li等[20]通過(guò)優(yōu)化LED光源與冠層的位置、改變光線投影大小等提高了光能利用率，此外還利用室內(nèi)外溫差優(yōu)勢(shì)，通過(guò)新風(fēng)方式引入室外冷源，達(dá)到節(jié)能的目的。石惠嫻等[21]通過(guò)使用水蓄能型地下水源熱泵式供熱系統(tǒng)對(duì)植物工廠供熱，研究表明該系統(tǒng)不僅能移峰填谷，降低運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)相對(duì)于傳統(tǒng)的燃煤鍋爐和燃?xì)忮仩t，其節(jié)能率分別為81.05%和74.83%，碳排放量分別為80%和34.13%。王君等[22]利用風(fēng)機(jī)引進(jìn)外界低溫空氣與空調(diào)協(xié)同降溫方式，以低功率的風(fēng)機(jī)運(yùn)行減少了高功率空調(diào)運(yùn)行，明暗期節(jié)省的降溫耗電量分別為24.6%～63.0%和2.3%～33.6%。

適合植物工廠栽培的植物品種較多，如葉菜、茄果、芽苗菜、食用香料和花卉、中草藥等，近年來(lái)，“七天牧草”是植物工廠的熱門(mén)栽培品種之一，該方式生產(chǎn)的鮮食牧草生長(zhǎng)周期短、產(chǎn)量高、適口性好，能解決畜牧業(yè)部分“口糧”問(wèn)題，保證牲畜“糧食安全”[23]。除此之外，植物工廠還能為科研提供支撐，如通過(guò)延長(zhǎng)光照時(shí)間等措施縮短水稻育種年限，加速繁育新品種[24]。植物工廠在醫(yī)藥領(lǐng)域也有應(yīng)用，如利用生菜做生物反應(yīng)器，通過(guò)植物瞬時(shí)蛋白表達(dá)技術(shù)平臺(tái)快速、低價(jià)生產(chǎn)抗體等藥物[25]。

4 植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問(wèn)題

雖然目前植物工廠勢(shì)頭正盛，但成本始終是限制其大規(guī)模發(fā)展的主要因素，包括投資成本高、回報(bào)周期長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)成本高等。以日本為例，一座日產(chǎn)7 000株生菜(單株重80 g)規(guī)模的植物工廠，電力成本、人工成本、設(shè)備折舊費(fèi)分別占生產(chǎn)成本的29%、26%、23%(圖2)[26]。此外，自動(dòng)化植物工廠設(shè)備普遍停留在科研階段，大多數(shù)商業(yè)化植物工廠自動(dòng)化設(shè)備普及程度較低，許多操作仍需要人工完成，這也進(jìn)一步增加了植物工廠的生產(chǎn)成本。植物工廠產(chǎn)品主要為葉菜，少部分為茄果類，種類較為單一，因其特殊的生產(chǎn)方式，植物工廠產(chǎn)品價(jià)格顯著高于大田種植價(jià)格，諸多因素都導(dǎo)致植物工廠的產(chǎn)品市場(chǎng)占有率低下。

圖2 植物工廠生產(chǎn)成本構(gòu)成Fig.2 Production cost composition of plant factories

5 結(jié)語(yǔ)

得益于礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說(shuō)和環(huán)控技術(shù)的不斷發(fā)展，植物工廠也在不斷“進(jìn)化”。光源從高耗能的高壓鈉燈逐步轉(zhuǎn)換至熒光燈，再到今天更為節(jié)能的LED燈。植物工廠的規(guī)模也逐漸從小型化的科研展示型向大型化、智能化的商業(yè)生產(chǎn)型轉(zhuǎn)變。植物工廠作為農(nóng)業(yè)的高級(jí)形式，能真正修復(fù)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)的傷害，且相比于傳統(tǒng)溫室長(zhǎng)距離運(yùn)輸，植物工廠的碳足跡更短，因運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放更少，但具體的減排量尚不明確，缺少充分的數(shù)據(jù)及方法學(xué)支撐。其次，植物工廠內(nèi)作物生長(zhǎng)需消耗二氧化碳，植物工廠是高效率吸收和利用二氧化碳的一種有效途徑，植物工廠還可通過(guò)調(diào)整生長(zhǎng)期實(shí)現(xiàn)用電的移峰填谷，若能將植物工廠上述特征與熱電廠煙氣碳捕集、調(diào)峰調(diào)頻富余電力消納結(jié)合，將產(chǎn)生良好的互補(bǔ)協(xié)同作用，但如何實(shí)現(xiàn)植物工廠與熱電廠能源系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)與優(yōu)化運(yùn)行，仍有待進(jìn)一步深入研究。