張宇++肖玉蘭

摘 要：人工光植物工廠作為技術(shù)高度密集、資源高效利用的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，在日本、美國(guó)、韓國(guó)、中國(guó)及北歐一些國(guó)家和地區(qū)正迅速發(fā)展并逐漸形成產(chǎn)業(yè)。在世界人口不斷增長(zhǎng)，資源和環(huán)境問題日益突出，環(huán)保意識(shí)和食品安全受到高度重視的今天，植物工廠風(fēng)潮的興起是順天應(yīng)人，但植物工廠較高的投資成本與運(yùn)行成本使得產(chǎn)品售價(jià)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(chǎn)成本構(gòu)成，分析了植物工廠的經(jīng)濟(jì)效益，針對(duì)植物工廠面臨的問題，提出了提高其經(jīng)濟(jì)效益的對(duì)策和途徑。

關(guān)鍵詞：植物工廠；人工光源；組成要素；固定資產(chǎn)；運(yùn)行成本；經(jīng)濟(jì)效益；商業(yè)模式

隨著世界人口的不斷增長(zhǎng)，農(nóng)產(chǎn)品需求數(shù)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(chǎn)環(huán)境可控的設(shè)施農(nóng)業(yè)。植物工廠作為一種顛覆傳統(tǒng)農(nóng)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(jì)劃、精準(zhǔn)定時(shí)、定量生產(chǎn)出無污染的種苗及蔬菜、花卉等作物，受到了前所未有的關(guān)注[1]。植物工廠是由計(jì)算機(jī)對(duì)作物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度、營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行自動(dòng)控制，周年連續(xù)生產(chǎn)的高效工廠化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)；是集生物技術(shù)、設(shè)施園藝技術(shù)、植物生理、植物栽培工程、現(xiàn)代裝備工程、環(huán)控信息技術(shù)的高科技產(chǎn)業(yè)[2]，對(duì)解決世界資源、環(huán)境問題，保障食品安全，提高農(nóng)業(yè)資源利用率，減緩農(nóng)業(yè)環(huán)境污染等方面具有重要的戰(zhàn)略意義和實(shí)用價(jià)值。因此，植物工廠被認(rèn)為是未來解決資源緊缺、新生代勞動(dòng)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(shí)現(xiàn)食物自給的重要手段[3]。

日本千葉大學(xué)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(biāo)準(zhǔn)化、周年生產(chǎn)等特點(diǎn)。人工光植物工廠作為環(huán)境因子控制精度最高的設(shè)施園藝典范，多年來一直被國(guó)際公認(rèn)為是設(shè)施園藝的最高級(jí)發(fā)展階段，是衡量一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一[2]。

目前世界上對(duì)植物工廠關(guān)注度比較高的國(guó)家和地區(qū)有日本、韓國(guó)、新加坡、北歐及中國(guó)臺(tái)灣等，當(dāng)然科技巨頭美國(guó)也在相關(guān)領(lǐng)域投入技術(shù)研發(fā)。日本是目前在植物工廠發(fā)展方面處于領(lǐng)先的國(guó)家，為擺脫土地對(duì)發(fā)展的限制，打造不依賴土地的生產(chǎn)方式，同時(shí)也為緩解農(nóng)業(yè)勞動(dòng)人口數(shù)量減少及日趨老齡化的沖擊，開發(fā)與大都市空間相適應(yīng)的新鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)體系。日本政府從 2008 年開始啟動(dòng)植物工廠發(fā)展計(jì)劃，由農(nóng)林水產(chǎn)省出資

1 000 億日元、經(jīng)濟(jì)貿(mào)易工業(yè)省出資500 億日元補(bǔ)助科研單位、企業(yè)和農(nóng)戶，5 a間新增了100 多座植物工廠[4]，并在全國(guó)建立了多處示范型植物工廠基地， 供研究、示范、推廣應(yīng)用等。日本國(guó)內(nèi)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(gè)，其中 30%盈利、50%持平、 20%虧損經(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。2000年后，我國(guó)植物工廠產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，僅2016年上半年投入運(yùn)行的人工光植物工廠就有20座以上，但是，我國(guó)植物工廠規(guī)模普遍偏?。ǘ嘈∮?00 m2），生產(chǎn)植物以葉菜為主，環(huán)控技術(shù)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(yùn)行的植物工廠較少，亟待大力推進(jìn)。

植物工廠作為一種技術(shù)高度密集、資源高效利用的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，具有產(chǎn)量高、土地利用率高、產(chǎn)品安全無污染、自動(dòng)化程度高等突出優(yōu)勢(shì)，目前在國(guó)內(nèi)外具有廣泛的應(yīng)用需求。然而植物工廠的推廣應(yīng)用也面臨著諸多問題，如成本過高、能耗較大、經(jīng)濟(jì)效益欠佳等。能耗和運(yùn)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(duì)于經(jīng)濟(jì)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)相對(duì)落后的國(guó)家來說，純生產(chǎn)型植物工廠企業(yè)盈利前景還不夠明朗，仍然有很長(zhǎng)的一段路要走。迄今，植物工廠與其出產(chǎn)的蔬菜仍被認(rèn)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(duì)高昂的售價(jià)。因此，很有必要對(duì)植物工廠的成本和經(jīng)濟(jì)效益作一個(gè)綜合的分析。

1 植物工廠的基本組成要素和生產(chǎn)成本構(gòu)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(chǎn)量和質(zhì)量主要取決于環(huán)境調(diào)控與管理技術(shù)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(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境因子、水肥供給等均可全程自動(dòng)化調(diào)控，并具有一定的植物生產(chǎn)流程的空間自動(dòng)管理功能，可實(shí)現(xiàn)植物工廠化、規(guī)模化高效生產(chǎn)。人工光植物工廠的基本組成要素和生產(chǎn)成本主要由以下部分構(gòu)成。

1.1 植物工廠的基本組成要素和固定資產(chǎn)投資

①廠房基本建設(shè) 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(gòu)成。為了室內(nèi)氣溫波動(dòng)最小化以及防止出現(xiàn)結(jié)露，常采用不透光的絕熱材料作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)于寒冷地區(qū)來說，還應(yīng)隔斷地面的傳熱。人工光植物工廠圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)為0.1～0.2 W/（m2·K）；栽培室的換氣次數(shù)為0.01～0.02 次/h [7]。植物工廠實(shí)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(dòng)物進(jìn)入室內(nèi)，減少室內(nèi)水蒸氣和熱量散失，同時(shí)也是為了防止室內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能分區(qū)、密閉性都很重要，直接關(guān)系到植物工廠初裝成本、運(yùn)行成本及能耗，也關(guān)系著生產(chǎn)效率。植物工廠廠房基本建設(shè)包括采用保溫防火材料（例如彩鋼板）搭建各生產(chǎn)車間，并進(jìn)行墻壁及地面的保溫及防菌處理。為了保證產(chǎn)品安全和操作人員的健康，應(yīng)選擇環(huán)保、不產(chǎn)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(shí)現(xiàn)土地的高效利用，栽培層數(shù)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(qiáng)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(yīng)與屋頂保持一定距離（至少30 cm）， 以利于屋頂空氣流動(dòng)，如果栽培車間內(nèi)的空氣流動(dòng)性能差，會(huì)使得栽培車間在垂直方向上出現(xiàn)溫差，影響植物生長(zhǎng)。