汪 銳，楊豫森，王 琮，宋艷梅，張月恒

(1.中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2.華能國際電力股份有限公司，北京 100031)

引言

近年來，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

日本東海大學(xué)教授髙遷正基先生在一本名為《植物工廠》的書中開創(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)境的自動化控制，進行高效、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，且可以進行周年連續(xù)生產(chǎn)，能有效地應(yīng)對地緣政治、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，植物工廠有多個優(yōu)點：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90%以上)，采用循環(huán)供給營養(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，解決了施肥過量、土壤板結(jié)等問題，同時也降低了干旱或洪澇的風(fēng)險[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，通過精準(zhǔn)人工環(huán)境的控制，可為植物生長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)潔凈度等級高，不產(chǎn)生病蟲害，產(chǎn)品無農(nóng)藥殘留、重金屬殘留及微生物污染，安全放心。

2 各國植物工廠發(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)達國家。其中日本和荷蘭的植物工廠比較具有代表性，這兩個國家的栽培技術(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，隨著資本市場的進入，植物工廠的規(guī)模越來越大，許多國家著手于大型植物工廠的建設(shè)(表1)。

表1 國內(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，之后每年1月份定期組織關(guān)于植物工廠的研討會，該學(xué)會的成立極大地推動了日本植物工廠產(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)場投資2.8億元人民幣，打造了當(dāng)時日本乃至世界上設(shè)備最精良、技術(shù)最先進、投資最多的人工光與太陽光兩用型神內(nèi)植物工廠[8]。2009年日本政府出臺一系列政策促進植物工廠產(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，日本多個大型企業(yè)如日立、豐田、三菱等紛紛進軍植物工廠[9]，之后日本植物工廠的數(shù)量持續(xù)增長，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座左右在實際運營[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

近年來隨著國家政策的支持及業(yè)內(nèi)人士的推動，植物工廠的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化在我國均呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的勢頭，但與歐美國家相比，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)化運營的大型工廠之一，其栽培面積超過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，該公司在國內(nèi)落地了多個項目，如位于山西長治的10 000 m2混合型植物工廠，與國家電力投資集團聯(lián)合打造的智能植物工廠等。此外，該公司還在美國、加拿大、日本、韓國、新加坡、阿聯(lián)酋、德國、西班牙等20 多個國家開拓了植物工廠市場。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950萬元、占地面積約1 000 m2的植物工廠。2022年江西上饒云谷田園生態(tài)小鎮(zhèn)打造了一座全自動的垂直葉菜工廠，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自動物流車、立體升降機等，實現(xiàn)了全自動化精準(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)進展現(xiàn)狀

植物工廠是一個涉及生命科學(xué)、生物技術(shù)、設(shè)施園藝、環(huán)境控制、計算機、自動化及人工智能等多個學(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)定高效運行出力。如荷蘭的太陽光型植物工廠利用先進的智能環(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，我國植物工廠裝備研究也取得了巨大進展，智能裝備系統(tǒng)在播種、移栽、采收、運輸、包裝等多個環(huán)節(jié)中得到應(yīng)用[13]，如方嘯等[14]采用自適應(yīng)動態(tài)規(guī)劃算法解決了智能運輸車自主尋路、避障的問題。田志偉等[15]利用機器視覺技術(shù)進行產(chǎn)品分級、檢測植物養(yǎng)分脅迫、病蟲害等；馬浚誠等[16]利用機器視覺技術(shù)構(gòu)建支持向量機來識別與診斷黃瓜霜霉病，準(zhǔn)確率達到90%；劉蒙蒙[17]選取害蟲形態(tài)特征作為表征蟲害的特征參數(shù)，基于支持向量機進行分類，害蟲平均識別準(zhǔn)確率達到了93.5%。David等[18]以生菜頂部冠層面積作為形態(tài)特征進行監(jiān)測，評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]，降低運行能耗也是植物工廠裝備技術(shù)的研究熱點之一，Li等[20]通過優(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，通過新風(fēng)方式引入室外冷源，達到節(jié)能的目的。石惠嫻等[21]通過使用水蓄能型地下水源熱泵式供熱系統(tǒng)對植物工廠供熱，研究表明該系統(tǒng)不僅能移峰填谷，降低運行費用，同時相對于傳統(tǒng)的燃煤鍋爐和燃氣鍋爐，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)機引進外界低溫空氣與空調(diào)協(xié)同降溫方式，以低功率的風(fēng)機運行減少了高功率空調(diào)運行，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，“七天牧草”是植物工廠的熱門栽培品種之一，該方式生產(chǎn)的鮮食牧草生長周期短、產(chǎn)量高、適口性好，能解決畜牧業(yè)部分“口糧”問題，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，如通過延長光照時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，通過植物瞬時蛋白表達技術(shù)平臺快速、低價生產(chǎn)抗體等藥物[25]。

4 植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題

雖然目前植物工廠勢頭正盛，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、回報周期長、運營成本高等。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)備折舊費分別占生產(chǎn)成本的29%、26%、23%(圖2)[26]。此外，自動化植物工廠設(shè)備普遍停留在科研階段，大多數(shù)商業(yè)化植物工廠自動化設(shè)備普及程度較低，許多操作仍需要人工完成，這也進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)品價格顯著高于大田種植價格，諸多因素都導(dǎo)致植物工廠的產(chǎn)品市場占有率低下。

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

得益于礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說和環(huán)控技術(shù)的不斷發(fā)展，植物工廠也在不斷“進化”。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)的高級形式，能真正修復(fù)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對生態(tài)系統(tǒng)帶來的傷害，且相比于傳統(tǒng)溫室長距離運輸，植物工廠的碳足跡更短，因運輸產(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，植物工廠還可通過調(diào)整生長期實現(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)生良好的互補協(xié)同作用，但如何實現(xiàn)植物工廠與熱電廠能源系統(tǒng)的匹配設(shè)計與優(yōu)化運行，仍有待進一步深入研究。