“對一國而言，植物工廠是具有戰略意義的技術儲備。”
文 |《瞭望》新聞周刊記者
不久前，國務院辦公廳印發《關于踐行大食物觀構建多元化食物供給體系的意見》。強調加快發展現代設施農業，拓展食物開發新空間。積極發展日光溫室、塑料大棚，集中連片推進老舊設施改造提升，加快發展集約化育苗，發展基質、水培等無土栽培，在大中城市周邊布局建設植物工廠。
所謂植物工廠，是在可控環境下，利用無土栽培技術，實現具有高產高效、節能環保、清潔健康、生態智能等特征的周年穩定的高效農業生產系統。作為現代農業發展的重要方向，植物工廠在解決二十一世紀人口、資源、環境、健康等問題中有巨大想象空間。
近年來，隨著人工光源技術的不斷突破，加之政策支持，植物工廠在日本、美國、荷蘭等國頗受重視，相關技術領先世界。我國起步較晚，但發展迅猛，憑借在光源控制、智能化管控等環節打下的堅實技術基礎，為規模化產業落地按下“加速鍵”，成為全球植物工廠發展的中心之一。
從現實來看，即便植物工廠產業化發展最為成熟的日本，由于技術水平等因素制約，植物工廠依然存在建設成本高、生產成本高、產量和品質未達預期等問題，不少企業依然處于虧損狀態。
進一步降本增效，是植物工廠從集裝箱走向市場的關鍵。
國內迎頭趕上
營養液代替土壤，LED燈取代太陽光，超越光熱水土自然約束，擺脫時間空間天然限制的植物工廠，讓高產不再看天吃飯。據測算，其單位面積作物產量可達傳統模式的10～20倍，以大小約30立方米的集裝箱為例，一茬生菜產量能達到150公斤左右。
植物工廠始于上世紀50年代。1957年丹麥建立了世界上第一座植物工廠，1960年美國通用電氣公司開發了世界上第一個完全利用人工光的植物工廠。有學者將植物工廠幾十年來的發展分為試驗探索（1950～1980年）、示范應用（1980～2000年）和快速發展（2000至今）三個階段。
我國植物工廠起步較晚，但起點高、發展快。2009年，國內第一個智能型人工光植物工廠由中國農科院環境與可持續發展研究所研發成功，中國也因此成為當時世界上少數幾個掌握植物工廠核心技術的國家之一。
近年來，一批LED制造企業、平臺企業、房地產企業紛紛加入植物工廠建設行列。數據顯示，當前我國人工光植物工廠數量超過了200家，居全球前列。
其中，位于福建省泉州市安溪縣的福建省中科生物股份有限公司是較為成熟的案例，其將中國科學院植物所的研發成果和福建三安集團的LED光源技術相結合，開發出生長環境全智能控制的植物高效生產系統，并應用于新一代自動化無人植物工廠。如今該公司的無人植物工廠每天可產出1.5噸蔬菜，在廈門、泉州、深圳等地均已上市銷售。
中國農業大學教授賀冬仙研究植物工廠多年，她認為，我國植物工廠發展速度較快，在于居民消費能力和對消費品質的需求有顯著提升，給植物工廠發展創造了空間。
“特別是一些經濟相對發達、對高端葉菜有更多消費需求的一線城市，可以成為植物工廠重點發力的市場。”賀冬仙說。
以上海為例，有數據表明，上海市每天綠葉菜需求量達6000噸以上，資產1000萬元以上的家庭有約27.1萬戶。若目標家庭每周食用1公斤生菜，每天將有38.7噸新鮮生菜的需求，可支持65座日產5000株（120g/株）的生菜植物工廠。
上海農科院可移動種植架（資料照片） 李傲攝
壓縮成本是關鍵
植物工廠的“智慧菜”已在市場中展現出巨大消費潛力，根據相關報告，2022年全球植物工廠市場規模達到1330億美元，預計到2028年將達到2250億美元，預測期內復合年增長率為9.2%。
植物工廠的應用場景也日益豐富，不僅城市，在南北極、高原、沙漠等極端環境下也能有所保障。
目前看，最大的挑戰是成本較高。由于植物工廠包括空調系統、照明系統、營養液循環系統、多層立體栽培系統、計算機控制系統等多套復雜系統，需要在完全封閉的室內環境中運行，較之露天種植、溫室大棚等常規生產模式成本明顯高。
據葉菜俠（山東）農業科技有限公司負責人解曉巍介紹，植物工廠的運營成本主要包括以下幾個方面：LED植物照明、空調能耗等在內的能源成本占60%左右，設備維護成本和營養液成本各占10%左右，人工成本占15%左右。
如何降低居高不下的成本，成為植物工廠能否真正走向市場的關鍵。
2023年2月，來自中國農業大學、上海農業科學院、上海交通大學、極星農業等科研院校及種植企業的4支團隊，從全球30支頂尖團隊、150多位青年科學家中脫穎而出，集聚崇明島，在集裝箱改造的“植物工廠”內，參加由拼多多、光明母港、中國農業大學、浙江大學聯合舉辦的AI種植比賽，沉淀了大量一手的植物工廠運營成本數據。
經過90天的比拼，最終數據出爐：生菜的日產量為0.18公斤/每平方米；成本約為7.73元一棵，約為市場上同規格普通生菜的10倍。如果栽培架層數再提高，成本可攤平至4.59元一棵。如果集裝箱利用效率進一步提高、能源利用效率進一步降低，生產成本將降低為2.84元一棵。
2.84元一棵的成本依舊明顯高于露天種植。同樣的場地、同樣的品類，今年生菜種植比賽如約而至，賽事難度進一步升級，在去年開展集裝箱植物工廠種植比拼的基礎上，將植物工廠設計、改造的主動權交給參賽隊伍。
圍繞降成本，參賽隊伍使出渾身解數。上屆比賽中，中國農業大學代表隊發現空調是整個植物工廠最大的能耗來源，占比在50%～60%，今年對溫控系統進行了改進。一方面，使用能耗更低的水冷空調；另一方面，將外界冷源接入節能系統。正常植物生長所需溫度是18℃～22℃，當箱外溫度低于箱內大于等于5℃，空調會關閉，系統自動引入外界冷源，對室內降溫處理，從而減小空調負荷、降低能耗。
在光能供給上，團隊放棄了上屆比賽使用的LED直流燈，在每個種植單元安裝了6根交流燈。也無需人力控制光強，僅根據植物生長的階段差異開關不同個數的燈管即可，從而大大降低了功率。經過這一系列改進，生菜的成本將有望降低10%左右。
在降本增效方面，植物工廠還有許多潛力可挖。
“種植架從層架式改為可移動式，可將過道處80厘米的空間充分利用起來，實現極致空間使用率。”“旋轉種植架讓所有種植槽在傳輸鏈條的帶動下，緩慢移動形成大回環，打造動態環境，降低整體散熱能耗和成本。”“通過將植物蒸騰的水分進行回收，冷凝存儲至營養液中，降低植物生長過程中的水分消耗。”“嘗試給植物聽音樂，以探究聲波赫茲對于植物生長的影響。”……
此次比賽中，一項項奇思妙想的“腦洞”，集結了從農業技術，到電氣工程，再到工業制造等多領域的跨界融合，不僅為植物工廠的發展蓄力，也為農業科研注入了新活力。
以創新賦能農業轉型
讓“智慧菜”不再昂貴，大規模走向普通消費者餐桌，還需很長一段時間。但政策端對植物工廠前沿技術研發的支持，正吸引著越來越多的人才和企業參與，共同推動傳統農業轉型升級。
以本次垂直農業挑戰賽為例，已有多項涉及植物工廠環控、營養液配方動態調整技術等成果，進入專利實審受理階段。
包括基于日累積光照量的植物補光方法、增加空氣流動降低生菜燒邊癥狀發生率的方法、番茄產量預測模型等一系列比賽過程中形成的創新種植技術，也開始逐步推廣應用。比如，賽博農人隊在此前賽事中積累的草莓營養液配方動態調整技術，目前已在北京小湯山草莓種植基地應用。
作為唯一連續四屆比賽都參與的選手，來自賽博農人隊的中國農業大學博士生楊浩表示，“國家正倡導發展現代農業，我們希望能做出一套區別于傳統農業的種植方案，讓普通農民也能快速學習上手，為農事生產減負增效。”
舉辦垂直農業挑戰賽，就是要把科研與產業打通、把實驗室與市場打通，通過農研競賽搭建舞臺，創建產學研合作平臺，吸引匯集更多優秀的科研團隊和科創企業投身科技農業。
其中青年人才所展現出來的創新思維、科技能力和科研精神遠超想象。作為上屆比賽的冠軍，上海農科院隊通過去年的比賽，受到廣泛關注，吸引了不少企業主動上門尋求合作，這激發團隊更加大膽地創新。
據介紹，上海農科院隊在本次比賽中設計了一套總共6層的可移動式垂直吊掛栽培架。從植株的育苗期到成長期，這些架子逐漸展開，可為每架生菜留出20厘米的生長間距，整個空間可種植1600余棵生菜，是目前6支隊伍中種植數量最“激進”的方案。
上海市農業農村委員會黨組成員、副主任，上海市鄉村振興局副局長夏明林表示，未來幾年將著力突破溫室和植物工廠關鍵核心技術，研發柔性農業機器人，創設生產型植物工廠，實現茄果、葉菜等溫室生產智慧決策和智能控制。
“對一國而言，植物工廠是具有戰略意義的技術儲備，意義不可忽視。”賀冬仙最后表示。
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