植物工廠的概念與國內外發展現狀

中國農業大學賀冬仙教授分別以“植物工廠的概念與國內外發展現狀”“人工光型植物工廠技術進展與典型案例”“太陽光型植物工場技術進展與典型案例”“家庭植物工廠技術進展與典型案例”“我國植物工廠發展的思考”為題，系統的介紹“植物工廠”的概念以及經典案例，分析“植物工廠”發展中存在的問題和誤區，提出適應中國國情的“植物工廠”解決方案。從本期開始，我們以連載的形式刊發，敬請期待。

植物工廠的概念

按照嚴格的定義，完全在可控環境下進行工業化生產植物產品的設施才能稱其為“植物工廠”或“植物工場”。日本千葉大學的古在豐樹教授把植物工廠分為“人工光型植物工廠”“太陽光型植物工場”及“太陽光與人工光并用型植物工場”。簡而言之，人工光植物工廠就是完全使用人工光源、進行多層立體栽培植物的設施，類似于工業化工廠實現了標準化流程的訂單式規模生產，可簡稱為人工光植物工廠；太陽光型及其與人工光并用型植物工場就是不補光或補光的大型溫室設施，實現了高效節能的規模化量產，可簡稱為太陽光型或自然光型植物工場。家庭植物工廠、集裝箱式植物工廠、小型植物工廠等概念應該說是植物工廠技術的衍生詞，因其不具備工業化生產流程和規模化量產的特征，故不能稱其為真正意義上的“植物工廠”。關于“植物工廠”還是“植物工場”的術語用詞，筆者認為，具有工業化生產工藝流程，能夠實現標準化、規范化、規模化的周年穩定生產的商業化人工光型設施可以稱為“植物工廠”，但對于其常規的溫室設施來講，即使是具有一定規模并能實現周年穩定生產的補光型或不補光設施都應稱其為“植物工場”，而不是“植物工廠”。從準確描述設施類型和生產特點的角度出發，“植物工廠”和“植物工場”的音同字不同，應區別使用。家庭植物工廠或集裝箱型植物工廠等詞盡管已被市場所接受，但不能等同于這種設備就是植物工廠，如果作為產品建議使用“植物光照盒”“植物栽培箱”等符合其設備特點的專用術語來定義。

人工光型植物工廠的國內外現狀

人工光型植物工廠是2000年日本千葉大學古在研究組開發的密閉式植物生產系統的基礎上進行產業化而發展的一項新技術。在日本福島核泄漏事件背景下和日本政府的大力支持下，商業化生產的人工光型植物工廠在日本已經有近250個，其中30%是盈利的、50%可以持平，還有20%處于赤字經營，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（圖1）。不僅是科研界，電子、醫療、能源、材料、房地產等產業界和私人企業也大量投資開發植物工廠技術，包含人工光型植物工廠涉及的人工光源、節能調控、系統設計與建設、營銷策略與市場開拓，還研究如何調控植物的二次代謝和功能性成分等。日本植物工廠研究會的日企成員多達80多個，定期或不定期地開展植物工廠學習和培訓會，在提高自身技術水平的同時積極開拓海外市場，以期在人工光型植物工廠領域處于國際領先地位，并能夠成為農業領域的經濟支柱型產業。相對比日本產業界對人工光型植物工廠產業轉型的關注，中國臺灣和韓國則是LED生產廠家直接開展了人工光型植物工廠的技術研發與商業化示范推廣，美國則是以垂直農業模式和LED創新應用在推動該技術，荷蘭等歐洲發達國家則以飛利浦和PlantLab等大公司和Waheninggen UR的Greenhouse Horticulture Team科研院所合作開展了LED立體栽培和溫室補光的試驗示范，至今未曾開展商業化普及推廣。相對比日本的技術和產業發展，我國還沒有1座真正意義上的商業化的人工光型植物工廠。

近20年來，盡管我國有將近6000多個農業科技觀光園，幾乎都建有示范性的組培大樓和大型溫室設施，新建園區也建有示范性的人工光型植物工廠，但其規模小、能耗高、無法實現周年連續穩定生產，故不能稱其為植物工廠。近年來，不少LED廠家擴展了植物生長燈和植物工廠等業務，宣稱其有植物工廠的整體解決方案，但未曾看到具有一定商業化推廣前景的示范性設施或生產模式。中國科技部于2013～2017年在現代農業領域以863項目形式啟動了“智能化植物工廠生產技術研究（2013AA103000）”專項，投資了4611萬國撥經費開展植物工廠技術研發，但到目前為止還未取得突破性進展以支撐大規模、商業化的植物工廠生產（表1）。因此，人工光型植物工廠技術在中國還處于商業化推廣之前的研發階段。

太陽光型及其與人工光并用型植物工場的國內外現狀

太陽光型植物工場及其與人工光并用型植物工場是從荷蘭的高產高效溫室生產轉化而來的植物工廠技術。荷蘭是一個溫光等自然環境較差的國家，經過65年的技術發展，荷蘭溫室番茄產量每年以6.5%的速率穩定增長，其平均產量水平已經超過70 kg/m2，很多公司的溫室番茄單產均已超過90 kg/m2，溫室產品的75%全部出口，溫室類型以文洛式玻璃溫室為主，是真正意義上的設施園藝強國（圖2）。荷蘭主流的溫室蔬菜生產基本為3～10 hm2規模，近年來已有多家50 hm2以上規模。除大公司以外，溫室種植農戶也常以合作社方式擴大規模以降低包裝和銷售成本。荷蘭的葉菜類溫室生產基本為不補光溫室，即太陽光型植物工場，果菜類溫室生產基本為補光溫室即太陽光與人工光并用型植物工場。目前，荷蘭Royal Pride公司的溫室生產標準和其牽頭組織的Harvest House銷售公司已經結成聯盟，累計設施面積占荷蘭溫室蔬菜種植總面積的1/5。可以說，荷蘭在太陽光及其與人工光并用型植物工場技術領域是真正的世界領先，已經成為其經濟支柱型產業支撐。相對比，盡管日本和韓國的設施園藝技術遠遠落后于荷蘭，但也走出了一條適合當地農業發展的道路。日本和韓國大多以3000～5000 m2的塑料溫室規模進行家庭經營，只有為數不多的大公司的溫室生產規模會超過3～4 hm2，其果菜和葉菜的溫室生產比較穩定，平均產量水平為荷蘭的一半。為了追趕荷蘭溫室園藝技術進展，日本提出了“低段高密度”等分茬栽培模式以抗衡荷蘭式“長季節吊蔓”栽培模式，溫室番茄目標產量為50 kg/m2，目前已有成套化的資材和技術配套推廣該技術。韓國則期待利用農業互聯網（Internet of Farm）等信息化技術（Information Communications Technology）將溫室農戶聯營，通過直營和聯營農場的網絡化高端技術支撐，提高設施產量、促進產業發展。日本的種苗生產企業的專業化程度很高，效益也很好，無論是太陽光型種苗生產還是人工光型種苗生產均走在了世界前列。

相對比荷蘭的1萬hm2溫室，日本和韓國有5萬hm2溫室面積，我國設施園藝面積在205萬hm2以上數據來源農業機械司2104年統計年報。我國北方的主要設施類型為日光溫室和春秋大棚，南方的主要設施類型為塑料大棚和遮雨棚，具有環境控制功能的連棟溫室面積較少。在“九五”和“十五”期間，科技部以工廠化農業專項資助大力促進了我國設施園藝尤其是溫室建設技術的發展，國家也投資建設了很多大型的農業科技示范園。事實上，設施園藝產業得到大力發展的并不是連棟溫室建設技術，而是日光溫室和塑料大棚等簡易設施。“十一五”期間，科技部啟動管控一體化等國家科技支撐專項資助以期通過自動化的環境控制和精準管理水平的提高以促進溫室產量和設施效益，但是效果并不顯著。“十二五”期間，科技界的研究重點轉向日光溫室智能環控、水肥一體化、太陽能主動蓄放熱、熱泵加溫等一系列研發項目以863項目和國家科技支撐項目的形式出現。“十三五”期間，減農藥和減化肥、育種與裝備成為首期啟動的重大研發計劃，期待這些科研項目能從提高設施產量和增加設施效益的角度解決我國設施園藝產業的問題，促進產業發展。

*項目支持：科技部863項目“植物工廠立體多層栽培系統及其關鍵技術與裝備”（2013AA103002）和“植物工廠網絡化控制系統研究”（2013AA102005）。

作者簡介：賀冬仙（1970-），女，山西太谷人，教授，博士，博士生導師。