剖析|植物工厂发展前景在哪里？

|摘要|近年来，随着现代农业科技的不断探索，植物工厂产业也随之快速发展。本文介绍了植物工厂技术与产业发展现状、存在问题及发展对策，并对未来植物工厂的发展趋势与前景进行了展望。

植物工厂国内外技术发展现状

国外技术发展现状

21世纪以来，植物工厂的研究主要集中在光效能效提升、多层立体栽培系统装备创制和智能化管控研发等方面。21世纪，农用LED光源创新取得了进展，为LED节能光源在植物工厂应用提供了重要技术支撑。日本千叶大学在高效光源、节能环控、栽培工艺等方面取得多项创新。荷兰瓦赫宁根大学采用作物-环境模拟与动态优化技术开发植物工厂的智能化装备系统使运行成本大幅降低，劳动生产率显著提高。

近年来植物工厂逐步实现了从播种、育苗、移栽、收获等生产过程的半自动化。日本、荷兰、美国等走在前列，其机械化、自动化、智能化程度高，正在向垂直农业与无人化等方向发展。

国内技术发展现状

人工光植物工厂专用LED 光源及节能运行技术装备

针对植物工厂各种植物种类生产专用的红蓝LED光源陆续被研发出来，功率30~300 W不等，照射光强为80~500 μmol/（m²·s），可提供适当阈值范围的光强、光质参数，达到高效节能适配植物生长光照需要的效果。光源散热管理方面，推出了光源风扇主动散热设计，降低了光源的光衰速率，保证了光源寿命。此外，提出了通过营养液或水循环降低LED光源热量的方法。在光源空间管理方面，针对植物苗期和后期植株大小演变规律，通过LED光源垂直空间移动管理，实现近距离照射植物冠层，达到节能目标。目前，人工光植物工厂光源能耗可占到植物工厂总运行能耗的50%~60%，虽然LED较荧光灯可节能50%，但仍有研究节能降耗的潜力和必要性。

多层立体栽培技术装备

多层立体栽培的层间隙因LED取代荧光灯而变小，提高了植物种植的立体空间利用效率。栽培床的底部设计研究较多，通过凸起条纹设计以产生湍流，可有利于植物根系均匀吸收营养液内的养分，提高溶解氧浓度。采纳定植板，出现了两种定植方式，即大小各异的塑料定植杯或海绵围茎定植模式。出现了可滑动的栽培床系统，定植板及其上的植物可以用手动方式由一端向另一端推动，实现了栽培床一端定植、一端采收的生产模式。当前，已开发出以营养液膜技术和深液流技术为基础的多种立体多层无土栽培技术装备，基质栽培草莓、气雾栽培叶菜和花卉技术装备异军突起，技术发展较快。

营养液循环技术装备

营养液使用一段时间后需要补充水分和矿质元素，一般通过测量EC和pH来确定补加新配营养液的量以及酸碱液的量。营养液中大颗粒沉淀物或根系脱落物需要通过过滤器去除。营养液中的根分泌物可通过光催化方法去除，避免水培连作障碍发生，但养分有效性存在一定的风险。

环境调控技术装备

生产空间空气洁净度是植物工厂空气质量的重要指标之一，应将动态条件下植物工厂生产空间内的空气洁净度(悬浮粒子和沉降菌指标) 控制在十万级以上水平。材料消毒输入、进入人员风淋处理、新风循环空气净化系统(空气过滤系统) 都是基本保障措施。生产空间空气的温湿度、CO₂浓度和气流速度是空气质量调控的另一项重要内容。据报道，设置混气箱、风道、进风口和出风口等装备可均匀地调控好生产空间中的温湿度、CO₂浓度和气流速度，使之达到较高的空间均匀性，满足不同空间位置的植物需求。温湿度和CO₂浓度调控系统、新风系统有机融入循环气流系统，3个系统需要共用风道、进风口和出风口，通过风机提供动力，实现气流的循环流动、过滤消毒和空气质量的更新和均匀化，保证了植物工厂植物生产无病虫害发生，无需农药施用。同时，保障了生长环境要素温度、湿度、气流与CO₂浓度冠层部位的均匀性，满足植物生长需求。

植物工厂产业发展现状

国外植物工厂产业现状

日本在人工光型植物工厂方面研发与产业化较快，居领先水平。2010年日本政府启动500亿日元支持技术研发和产业示范，千叶大学、日本植物工厂研究会等8家机构参与，日本未来公司承接运营了首例日产3000株植物工厂的产业化示范项目。2012年，该植物工厂生产成本为700日元/kg。2014年，宫城县多贺城未来植物工厂建成，成为世界上首例日产10000株的LED植物工厂。2016年起，LED 植物工厂在日本走向产业化快车道，收支平衡或盈利性企业陆续出现。2018年，日产能5~10万株的大型植物工厂陆续出现，全球植物工厂向大型化、专业化、智能化发展。同时东京电力、冲绳电力等领域开始投资植物工厂。2020年，日本植物工厂生产生菜市场份额占整个生菜市场的10%左右。目前在运营的250余座人工光型植物工厂中，其中20%处于亏损阶段，50%保持持平，30%处于盈利阶段，涉及栽培植物种类有生菜、药草、种苗等。

荷兰在太阳光及其与人工光并用型植物工厂技术领域是真正的世界领先，机械化、自动化、智能化、无人化程度高，现已将全套技术和设备作为强项产品出口至中东、非洲、中国等国家。美国AeroFarms农场位于美国新泽西州纽瓦克市，面积6500 m²，主要种植蔬菜和香料，产量约为900 t/年。

美国 AeroFarms 垂直植物工厂

美国Plenty公司垂直植物工厂采用LED照明、6 m高垂直种植架。植物从种植架的侧面长出来。依靠重力浇灌，这种种植方式不需要额外的水泵，比传统农业更省水。Plenty称自家农场的产量是传统农场的350倍，用水量却仅为传统农场的1%。

美国 Plenty 公司垂直植物工厂

国内植物工厂产业现状

2009年，国内首家以智能控制为核心的生产型植物工厂在长春农博园建成并投入运行。该植物工厂是由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所和北京中环易达设施园艺科技有限公司共同研发完成。建筑面积为200 m²，可实时对植物工厂的温度、湿度、光照、CO₂和营养液浓度等环境因子进行自动监控，实现智能化管理。

2010年，由北京市农业机械研究所和北京京鹏环球科技股份有限公司共同设计建成的通州植物工厂，主体结构采用单层轻钢结构，总建筑面积为1289 m²，形状像一艘航空母舰，象征着中国农业率先向现代农业最先进技术扬帆起航。开发了叶菜生产部分作业的自动化装备，提高了植物工厂生产自动化程度和生产效率。该植物工厂采用地源热泵系统和太阳能发电系统，较好解决了植物工厂运行费用高的难题。

通州植物工厂内外景

2013年，陕西旭田光电农业科技有限公司成立于陕西省杨凌农业高新示范区。建设运营的植物工厂项目大部分位于农业高新技术示范园区内，主要用于科普示范和休闲观光。这些科普类植物工厂由于其功能性限制，很难达到产业化所要求的高产高效，未来也难以成为产业化发展的主流形式。

2015年，作为中国LED芯片大厂的福建三安集团与中国科学院植物研究所合作，共同发起成立了“福建省中科生物股份有限公司”，建设中科三安植物工厂，从光电产业跨界到“光生物”产业，成为中国LED 生产企业产业化投资建设植物工厂的先例。中科三安植物工厂的定位为集科研、生产、示范、孵化等多功能于一体的新兴光生物产业投资，注册资金1亿元。2016年6月，占地面积为3000 m²的3层式建筑、栽培面积超过10000 m² 的中科三安植物工厂建成投产，到2017年5月日产规模为1500 kg叶菜，折合日产15000株生菜。

中科三安植物工厂

植物工厂发展面临的问题与对策

存在问题

建设成本高

植物工厂需要在封闭环境下进行作物生产，因此需要构建包括外维护结构、空调系统、人工光源、多层栽培系统、营养液循环以及计算机控制系统在内的配套工程与装备，建设成本相对较高。

运行成本高

植物工厂所需的光源大部分来自LED灯，LED灯在为不同农作物生长提供相应光谱的同时需要消耗大量的电。植物工厂生产过程中的空调、通风、水泵等设备也需要消耗电能，因此电费是一笔很大的开支。据统计，植物工厂生产成本中，电力成本占29%，劳动力成本占26%，固定资产折旧占23%，包装运输占12%，生产资料占10%。

植物工厂生产成本构成

自动化程度低

目前应用的植物工厂中自动化程度低，育苗、移栽、定植、收获等过程仍需要人工作业，导致人工成本高。

可种植作物品种有限

当前植物工厂适用的作物种类十分有限，以生长迅速、容易接受人工光源、植株低矮的绿叶类蔬菜为主，对于种植要求复杂（如需要进行授粉的作物等）无法进行大规模种植。

发展对策

针对植物工厂产业面临的问题，需要从技术、运营等多方面开展研究。针对当前存在的问题，应对措施如下。

（1）加强植物工厂智能化技术研究，提升集约化、精细化管理水平。开发智慧管控系统，有助于实现植物工厂集约化、精细化管理，可大幅度缩减劳动成本，节约劳动力。

（2）开发集约高效的植物工厂技术装备，实现周年优质高产。开发高效的栽培设施装备、节能的照明技术装备等，提升植物工厂智能化水平，有利于实现周年高效生产。

（3）开展药用植物、保健植物、珍稀蔬菜等高附加值植物工厂化栽培技术研究，增加植物工厂栽培作物种类，拓宽盈利渠道，提高盈利起点。

（4）开展家用型、商用型等植物工厂研究，丰富植物工厂类型，实现多种功能持续盈利。

植物工厂发展趋势与前景

技术发展趋势

作业全程智能化

基于作物-机器人系统的机艺融合与防损机制，创建高速柔性无损种收末端执行器、分布式多维空间准确定位和多模态多机协同控制方法，创制高层植物工厂无人化高效无损播种-分栽-采收-装箱等智能机器人及配套装备，实现全流程无人化作业。

生产管控智慧化

基于作物生长发育对光辐射、温度、湿度、CO₂浓度及营养液养分浓度、EC 的响应机制，构建作物-环境反馈定量模型；创立策略核心模型，动态解析叶菜生命信息及生产环境参数，建立环境在线动态辨识诊断与过程调控体系，创建高容积率垂直农业工厂生产全流程多机协同人工智能决策系统。

低碳生产节能化

建立能源管理系统，利用太阳能、风能等可再生能源完成电力输送，控制能耗，达到优化能源管理目标，捕获和重新利用CO₂排放，以帮助作物生产。

特优品种高值化

选育不同的高附加值品种进行种植试验，构建栽培工艺专家数据库，并进行栽培工艺、密度选择、茬口安排、品种与装备适应性等研究，形成标准的栽培技术规范。

产业发展前景

植物工厂可摆脱资源与环境的束缚，实现农业的工业化生产，吸引新生代劳动力从事农业生产，被世界各国列为农业高技术战略新兴产业和未来农业的发展方向，中国植物工厂关键技术创新和产业化正在跻身世界领先行列。随着LED光源、数字化、自动化、智能化技术在植物工厂领域应用步伐加快，植物工厂将吸引更多的资金投入和人才集聚及更多新能源、新材料、新装备的使用，实现信息技术与设施装备的深度融合，提升设施装备的智能无人化水平，通过持续创新使系统能耗与运行成本的不断下降、专业化市场的逐渐培育，智能植物工厂将迎来发展的黄金期。

根据市场调研报告显示，2020年全球垂直农业的市场规模仅为29亿美元，预计到2025年，全球垂直农业的市场规模将达到300亿美元。综上所述，植物工厂具有广泛的应用前景和发展空间。

引用信息

周增产,董微,李秀刚,等.植物工厂产业发展现状与展望[J].农业工程技术,2022,42(1):18-23.