植物工厂的成长过程
近30年来,我国的设施农业发展迅速,到2015年底设施园艺栽培面积已高达410万ha以上,居世界首位,其中玻璃温室与日光温室面积超过100万ha。
近年来,随着世界人口、资源、环境问题的日益突出,植物工厂这种设施园艺生产系统受到了世界各国前所未有的关注和青睐,得以快速发展。
实际上,植物工厂是高技术密集型产业,在一定程度上确实能够解决社会、农业问题,应对全球气候变化问题,具有其他生产方式无法比拟的突出优势。
植物工厂的具体优势表现为:
作物周年生产的计划性强,不受外界环境的影响;
单位面积产量高,生产效率可达到露地栽培的40~108倍;
机械化、自动化程度高,劳动强度低;
不施用农药,无重金属和病原菌,
产品安全无污染;
多层立体栽培,资源(土地、水、空间等)的利用效率高;
适宜在非可耕地上生产(滩涂、海岛、沙漠、戈壁等),不受或很少受耕地的限制;
可建立在城市周边或市区,就近生产、就近销售,大大减少物流成本和温室气体排放;
植物工厂具有重要的生态环境效益,在家庭、社区、公共场所固碳减排方面作用很明显。
因此,植物工厂被认为是未来解决资源紧缺、新生代劳动力不足、食物需求不断上升等问题的重要途径,也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段,受到世界各国的广泛重视 。
目前,植物工厂主要分布在东亚和欧美国家,以日本、荷兰、中国最具代表性。其中,日本在人工光植物工厂方面研发与产业化较快,居领先水平。
目前,日本大约有100余座人工光植物工厂在运营。
荷兰在太阳光植物工厂方面实力最强,最高产量高达90 kg/m2。荷兰的植物工厂结构形式比较单一,90%以上的温室为Venlo型玻璃温室,Venlo型温室结构的基本特征是立柱支撑跨间桁架,桁架上支撑天沟,镶嵌屋面玻璃的,但不同年代建设的Venlo型玻璃温室的跨度和高度却在不断变化之中。
中国是全球植物工厂研发与产业化最活跃的国家,在两类植物工厂研发方面均有建树,处于均衡发展中,目前已有人工光植物工厂近百座。中国的发展大致分为3个阶段:第1个阶段为引进消化阶段,发生在“十二五”前;第2个阶段为自主研发创新阶段,发生在“十二五”时期,以国家863项目“智能化植物工厂生产技术研究”立项为标志;第3阶段为应用推广阶段,以2016年7月“智能LED植物工厂”亮相国家“十二五”科技创新成就展,国家领导人高度关注为标志。
世界范围内,植物工厂研发与产业化存在几种模式,包括企业为主导型、科研院所为主导型、政府为主导型,未来将是以政府、企业、科研院所和用户企业协同主导建立、运营植物工厂的多种创新模式。
世界上绝大多数植物工厂建立在城市,是城市农业重要组成部分。世界各植物工厂强国均在努力开发海外市场,进行技术装备的输出,竞争愈演愈烈。
植物工厂的核心技术装备包括4个方面,即立体多层无土栽培技术装备、人工光照明技术装备、智能环境控制技术装备、植物生产空间自动化管控技术装备。近几年,这些核心技术装备得到了很大的发展,正在被逐渐地标准化和大规模应用。植物工厂的外围护结构设计、功能分区、各区域密闭性保证都很重要,直接关系到植物工厂初装成本和运行成本及能耗,也关系着生产效率。
粗略估算,全球植物工厂市场总规模在数千亿元以上,我国植物工厂市场规模在1 000亿元以上。2000年后,我国植物工厂产业蓬勃发展。仅2016年上半年,投入运行的人工光植物工厂就有20座以上,太阳光植物工厂数千公顷。但是,我国植物工厂规模偏小(多小于200 m2),生产植物单一(叶菜为主),环控技术装备水平参差不齐,而且示范展示性和研究性植物工厂居多,商业化运行的植物工厂较少,亟待大力推进。
近年来，随着世界环境、资源等问题日渐突出，植物工厂的发展优势逐渐显现，表现为：作物生产周期性强，可达到周年生产；不施农药，产品安全无污染；多层立体栽培，资源（土地、水肥、空间等）利用率高；作物生长周期短，单位面积产量高；机械化、自动化程度高，劳动强度低；不受或很少受地理、自然环境的影响，甚至可在极端气候区、外层空间等地区进行农业生产等。
植物工厂是未来设施园艺发展的趋势，发展前景广阔。但不可否认，当前植物工厂的发展面临诸多问题。
(1)投入成本高，主要包括人工光源、营养液设备和智能环境调控、监控系统等投入，而这些设备等成本比较高；
(2)运行成本较高，能耗较大，其中电能消耗巨大；
(3)栽培作物种类较少，主要以叶菜为主；
(4)植物工厂智能化程度低，高成本，低产出；
(5)自动化程度低，育苗、移栽、定植、收获等人工成本高；
(6)商业化模式日渐成熟，但赢利点需要探索。
3.2 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）加强植物工厂自动化、智能化技术的研究，提升集约化、精细化的管理水平。自动化、智能化水平的提升，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、智能的环控装备等，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、珍稀特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。
政府和企业更加重视。政府层面：植物工厂资源高效利用关键技术被列为农业部“十三五”农业科技发展规划中；植物工厂项目被列入中科院“十三五”重点培育方向；植物工厂项目也列入了福建省重点支持项目。企业方面：不仅是科研界，电子、医疗、能源、材料、房地产等产业界和企业也大量投资研究开发植物工厂技术。植物工厂研发类型多样，应用范围广阔，符合多元的市场需求。植物工厂发展的技术储备已经成熟，产业雏形已经形成，将很快进入商业化快速发展期。
