“对一国而言，植物工厂是具有战略意义的技术储备。”
文 |《瞭望》新闻周刊记者
不久前，国务院办公厅印发《关于践行大食物观构建多元化食物供给体系的意见》。强调加快发展现代设施农业，拓展食物开发新空间。积极发展日光温室、塑料大棚，集中连片推进老旧设施改造提升，加快发展集约化育苗，发展基质、水培等无土栽培，在大中城市周边布局建设植物工厂。
所谓植物工厂，是在可控环境下，利用无土栽培技术，实现具有高产高效、节能环保、清洁健康、生态智能等特征的周年稳定的高效农业生产系统。作为现代农业发展的重要方向，植物工厂在解决二十一世纪人口、资源、环境、健康等问题中有巨大想象空间。
近年来，随着人工光源技术的不断突破，加之政策支持，植物工厂在日本、美国、荷兰等国颇受重视，相关技术领先世界。我国起步较晚，但发展迅猛，凭借在光源控制、智能化管控等环节打下的坚实技术基础，为规模化产业落地按下“加速键”，成为全球植物工厂发展的中心之一。
从现实来看，即便植物工厂产业化发展最为成熟的日本，由于技术水平等因素制约，植物工厂依然存在建设成本高、生产成本高、产量和品质未达预期等问题，不少企业依然处于亏损状态。
进一步降本增效，是植物工厂从集装箱走向市场的关键。
国内迎头赶上
营养液代替土壤，LED灯取代太阳光，超越光热水土自然约束，摆脱时间空间天然限制的植物工厂，让高产不再看天吃饭。据测算，其单位面积作物产量可达传统模式的10～20倍，以大小约30立方米的集装箱为例，一茬生菜产量能达到150公斤左右。
植物工厂始于上世纪50年代。1957年丹麦建立了世界上第一座植物工厂，1960年美国通用电气公司开发了世界上第一个完全利用人工光的植物工厂。有学者将植物工厂几十年来的发展分为试验探索（1950～1980年）、示范应用（1980～2000年）和快速发展（2000至今）三个阶段。
我国植物工厂起步较晚，但起点高、发展快。2009年，国内第一个智能型人工光植物工厂由中国农科院环境与可持续发展研究所研发成功，中国也因此成为当时世界上少数几个掌握植物工厂核心技术的国家之一。
近年来，一批LED制造企业、平台企业、房地产企业纷纷加入植物工厂建设行列。数据显示，当前我国人工光植物工厂数量超过了200家，居全球前列。
其中，位于福建省泉州市安溪县的福建省中科生物股份有限公司是较为成熟的案例，其将中国科学院植物所的研发成果和福建三安集团的LED光源技术相结合，开发出生长环境全智能控制的植物高效生产系统，并应用于新一代自动化无人植物工厂。如今该公司的无人植物工厂每天可产出1.5吨蔬菜，在厦门、泉州、深圳等地均已上市销售。
中国农业大学教授贺冬仙研究植物工厂多年，她认为，我国植物工厂发展速度较快，在于居民消费能力和对消费品质的需求有显著提升，给植物工厂发展创造了空间。
“特别是一些经济相对发达、对高端叶菜有更多消费需求的一线城市，可以成为植物工厂重点发力的市场。”贺冬仙说。
以上海为例，有数据表明，上海市每天绿叶菜需求量达6000吨以上，资产1000万元以上的家庭有约27.1万户。若目标家庭每周食用1公斤生菜，每天将有38.7吨新鲜生菜的需求，可支持65座日产5000株（120g/株）的生菜植物工厂。
上海农科院可移动种植架（资料照片） 李傲摄
压缩成本是关键
植物工厂的“智慧菜”已在市场中展现出巨大消费潜力，根据相关报告，2022年全球植物工厂市场规模达到1330亿美元，预计到2028年将达到2250亿美元，预测期内复合年增长率为9.2%。
植物工厂的应用场景也日益丰富，不仅城市，在南北极、高原、沙漠等极端环境下也能有所保障。
目前看，最大的挑战是成本较高。由于植物工厂包括空调系统、照明系统、营养液循环系统、多层立体栽培系统、计算机控制系统等多套复杂系统，需要在完全封闭的室内环境中运行，较之露天种植、温室大棚等常规生产模式成本明显高。
据叶菜侠（山东）农业科技有限公司负责人解晓巍介绍，植物工厂的运营成本主要包括以下几个方面：LED植物照明、空调能耗等在内的能源成本占60%左右，设备维护成本和营养液成本各占10%左右，人工成本占15%左右。
如何降低居高不下的成本，成为植物工厂能否真正走向市场的关键。
2023年2月，来自中国农业大学、上海农业科学院、上海交通大学、极星农业等科研院校及种植企业的4支团队，从全球30支顶尖团队、150多位青年科学家中脱颖而出，集聚崇明岛，在集装箱改造的“植物工厂”内，参加由拼多多、光明母港、中国农业大学、浙江大学联合举办的AI种植比赛，沉淀了大量一手的植物工厂运营成本数据。
经过90天的比拼，最终数据出炉：生菜的日产量为0.18公斤/每平方米；成本约为7.73元一棵，约为市场上同规格普通生菜的10倍。如果栽培架层数再提高，成本可摊平至4.59元一棵。如果集装箱利用效率进一步提高、能源利用效率进一步降低，生产成本将降低为2.84元一棵。
2.84元一棵的成本依旧明显高于露天种植。同样的场地、同样的品类，今年生菜种植比赛如约而至，赛事难度进一步升级，在去年开展集装箱植物工厂种植比拼的基础上，将植物工厂设计、改造的主动权交给参赛队伍。
围绕降成本，参赛队伍使出浑身解数。上届比赛中，中国农业大学代表队发现空调是整个植物工厂最大的能耗来源，占比在50%～60%，今年对温控系统进行了改进。一方面，使用能耗更低的水冷空调；另一方面，将外界冷源接入节能系统。正常植物生长所需温度是18℃～22℃，当箱外温度低于箱内大于等于5℃，空调会关闭，系统自动引入外界冷源，对室内降温处理，从而减小空调负荷、降低能耗。
在光能供给上，团队放弃了上届比赛使用的LED直流灯，在每个种植单元安装了6根交流灯。也无需人力控制光强，仅根据植物生长的阶段差异开关不同个数的灯管即可，从而大大降低了功率。经过这一系列改进，生菜的成本将有望降低10%左右。
在降本增效方面，植物工厂还有许多潜力可挖。
“种植架从层架式改为可移动式，可将过道处80厘米的空间充分利用起来，实现极致空间使用率。”“旋转种植架让所有种植槽在传输链条的带动下，缓慢移动形成大回环，打造动态环境，降低整体散热能耗和成本。”“通过将植物蒸腾的水分进行回收，冷凝存储至营养液中，降低植物生长过程中的水分消耗。”“尝试给植物听音乐，以探究声波赫兹对于植物生长的影响。”……
此次比赛中，一项项奇思妙想的“脑洞”，集结了从农业技术，到电气工程，再到工业制造等多领域的跨界融合，不仅为植物工厂的发展蓄力，也为农业科研注入了新活力。
以创新赋能农业转型
让“智慧菜”不再昂贵，大规模走向普通消费者餐桌，还需很长一段时间。但政策端对植物工厂前沿技术研发的支持，正吸引着越来越多的人才和企业参与，共同推动传统农业转型升级。
以本次垂直农业挑战赛为例，已有多项涉及植物工厂环控、营养液配方动态调整技术等成果，进入专利实审受理阶段。
包括基于日累积光照量的植物补光方法、增加空气流动降低生菜烧边症状发生率的方法、番茄产量预测模型等一系列比赛过程中形成的创新种植技术，也开始逐步推广应用。比如，赛博农人队在此前赛事中积累的草莓营养液配方动态调整技术，目前已在北京小汤山草莓种植基地应用。
作为唯一连续四届比赛都参与的选手，来自赛博农人队的中国农业大学博士生杨浩表示，“国家正倡导发展现代农业，我们希望能做出一套区别于传统农业的种植方案，让普通农民也能快速学习上手，为农事生产减负增效。”
举办垂直农业挑战赛，就是要把科研与产业打通、把实验室与市场打通，通过农研竞赛搭建舞台，创建产学研合作平台，吸引汇集更多优秀的科研团队和科创企业投身科技农业。
其中青年人才所展现出来的创新思维、科技能力和科研精神远超想象。作为上届比赛的冠军，上海农科院队通过去年的比赛，受到广泛关注，吸引了不少企业主动上门寻求合作，这激发团队更加大胆地创新。
据介绍，上海农科院队在本次比赛中设计了一套总共6层的可移动式垂直吊挂栽培架。从植株的育苗期到成长期，这些架子逐渐展开，可为每架生菜留出20厘米的生长间距，整个空间可种植1600余棵生菜，是目前6支队伍中种植数量最“激进”的方案。
上海市农业农村委员会党组成员、副主任，上海市乡村振兴局副局长夏明林表示，未来几年将着力突破温室和植物工厂关键核心技术，研发柔性农业机器人，创设生产型植物工厂，实现茄果、叶菜等温室生产智慧决策和智能控制。
“对一国而言，植物工厂是具有战略意义的技术储备，意义不可忽视。”贺冬仙最后表示。
