文|35斗
50多年后的2075年，太陽即將覆滅，世界冰天雪地，人類不得不開啟“流浪地球”計劃。
——這是科幻電影《流浪地球》里的故事，棲息于地下的人類只能以蚯蚓為食，日復(fù)一日，年復(fù)一年。
如果，那時候有一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，能夠脫離氣候和環(huán)境的控制，無論是在冰川、沙漠，在地震、暴風(fēng)雪等自然災(zāi)害席卷之下，還是面對太陽毀滅這種終極拷問，依然巋然不動，7×24小時不間斷提供蔬菜瓜果，人類將得以延續(xù)。
眼下，人工光植物工廠就是這樣一種存在，正成為設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域最受關(guān)注的“爆款”議題。一個直接體現(xiàn)是不少公司接連斬獲大額融資：美國室內(nèi)種植公司Gotham Green近期宣布獲得3.1億美元的E輪融資；今年1月，Plenty在E輪融資中融得4億美元；Bowery Farming在2021年5月融得3億美元C輪融資。
理想照進(jìn)現(xiàn)實，卻也面臨諸多挑戰(zhàn)。創(chuàng)新解決方案背后是高昂的建造成本和運營成本，以及可能產(chǎn)生的環(huán)境恢復(fù)成本。
當(dāng)一項可以稱之為全球戰(zhàn)略需求的現(xiàn)代黑科技擺在眼前，成本會是企業(yè)選擇退縮的理由嗎？
答案是否定的。如今，這些“終極農(nóng)業(yè)形態(tài)”的夢想家們，仍然在降本增效和場景應(yīng)用的無窮探索上，不斷奔跑。
一種終極農(nóng)業(yè)形態(tài)？
縱觀世界農(nóng)業(yè)發(fā)展，從傳統(tǒng)大田農(nóng)業(yè)到溫室大棚，再到科技含量更高的植物工廠。設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展史，就是一部環(huán)境控制史。
未來智農(nóng)創(chuàng)始人白寶鎖對35斗分析，“5000年的農(nóng)耕文化解決的就是環(huán)境問題，通過環(huán)境控制實現(xiàn)栽培的工業(yè)化，做到產(chǎn)出最大化?！?/p>
當(dāng)下植物工廠利用計算機(jī)和電子傳感器，對作物生長的溫度、濕度、光照、二氧化碳和營養(yǎng)液等進(jìn)行統(tǒng)一高精度自動控制，使得設(shè)施內(nèi)的作物生長不受或少受自然條件制約，是最有效的調(diào)節(jié)控制作物生長環(huán)境的栽培方式。
Plenty室內(nèi)植物工廠，圖片來源：Plenty官網(wǎng)
目前，植物工廠主要分為太陽光植物工廠和人工光植物工廠。兩字之差，內(nèi)涵大有不同。
所謂太陽光植物工廠，顧名思義，就是在半封閉的溫室環(huán)境下，主要利用太陽光或短期人工補光以及營養(yǎng)液栽培技術(shù)，進(jìn)行植物周年生產(chǎn)的現(xiàn)代化植物種植園。
而人工光植物工廠則是在完全密閉可控的環(huán)境下，采用人工光源與營養(yǎng)液栽培技術(shù)，幾乎不受外界氣候條件影響，進(jìn)行植物周年生產(chǎn)。
在業(yè)內(nèi)的潛意識中，植物工廠就是指人工光植物工廠。在中國科學(xué)院植物研究所研究員李紹華看來，植物工廠必須具有以下三個特征：一是在房子里種莊稼，溫室不算；二是人工光源，自然光不算；三是垂直農(nóng)業(yè)，多層栽培，生產(chǎn)環(huán)境和條件都由人工控制。
中科三安副總經(jīng)理李鵬向35斗表示：人工光植物工廠與所謂的太陽光植物工廠，是“完全不同的兩個工藝”，一個工業(yè)化程度很高，一個重度依賴自然環(huán)境。
首先，自然光水平種植，人工光植物工廠采用垂直種植模式，空間利用率高。據(jù)京東方后稷科技（北京）有限公司研發(fā)總監(jiān)孫朝華博士向35斗提供的數(shù)據(jù)，“垂直種植有的可高達(dá)10—14層，同等占地面積下，實際有效面積可提升4.2倍，每平方米占地面積產(chǎn)能是自然光植物工廠的5倍左右?！?/p>
其次，在種植效率上，人工光植物工廠采用LED光源解決了植物生長所需要的全部光，在相同的時間里面，植物光的需求最充足，生長速度要遠(yuǎn)快于太陽光植物工廠、玻璃溫室等。
最后，人工光植物工廠幾乎不受外界環(huán)境氣候條件的影響，可以全年無休生產(chǎn)。生長速度和層數(shù)加持，加上生長周期的差異，占地面積相同的人工光植物工廠能夠做到溫室的10倍，甚至更高。
如果借用聯(lián)合國《世界人口趨勢報告》的預(yù)測，到2050年，全球人口將達(dá)到98億。這也意味著要跟上人口增長速度，全球糧食總產(chǎn)量必須增加一倍以上。然而在過去50年里，農(nóng)業(yè)用地面積一直保持穩(wěn)定，可以肯定的是在未來很長一段時間內(nèi)，這一數(shù)字不會發(fā)生顯著提升。
在此背景下，植物工廠的存在更具戰(zhàn)略意義。一如孫朝華所言，“我們需要積累不依賴自然環(huán)境的種植技術(shù)和方法，植物工廠正是我們對于未來的技術(shù)和種植經(jīng)驗儲備?！?/p>
拋開產(chǎn)出談成本，毫無意義
最早提出垂直農(nóng)場概念的美國科學(xué)家迪克森·德波爾教授曾表示，最應(yīng)該推行垂直農(nóng)場的國家之一是中國，解決城市規(guī)劃中頭疼的城中村改造問題，為城市居民提供新鮮的農(nóng)副產(chǎn)品，改善城市生態(tài)環(huán)境。
現(xiàn)在，中國已經(jīng)成為全球植物工廠發(fā)展最快的國家之一。國家智慧植物工廠聯(lián)盟主席、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院智能植物工廠首席科學(xué)家楊其長曾向媒體透露：截至2020年底中國各類規(guī)模的植物工廠超過220座。
但不可忽視的是，人工光植物工廠還很小眾，普及率并不高。原因在于，推廣植物工廠，難的不是技術(shù)，而是如何降低建設(shè)成本和運營成本。“算不過來賬”，是很多從業(yè)者對植物工廠的直接認(rèn)識。
植物工廠需要在封閉環(huán)境下進(jìn)行作物生產(chǎn)，因此需要構(gòu)建包括外維護(hù)結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、人工光源裝置、多層栽培架、營養(yǎng)液循環(huán)與控制系統(tǒng)以及計算機(jī)調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)在內(nèi)的相關(guān)工程與配套裝備。
前瞻產(chǎn)業(yè)研究院分析發(fā)現(xiàn)，建設(shè)一個1000平方米以下的植物工廠(包括內(nèi)部裝修、設(shè)備、設(shè)施)，每平方米成本在15000—20000元之間；建設(shè)5000—10000平方米的植物工廠，每平方米成本在8000—10000元；建設(shè)10000平方米以上的大型植物工廠，建設(shè)成本會下降至8000元每平米。
《植物工廠系統(tǒng)與實踐》一書介紹說：在人工光植物工廠中，人工光照明設(shè)備在所有設(shè)備成本中占比例最大，尤其完全采用LED光源的植物工廠，LED費用往往占到設(shè)備總成本的一半左右。
這還只是前期高昂的建造成本，后期維護(hù)及生產(chǎn)運營成本同樣不容小覷。
目前，生產(chǎn)運營成本主要包括電費、各種材料（營養(yǎng)液、種子、CO2氣肥）費、工人勞務(wù)費、物資運輸費、人員管理費等。
據(jù)李鵬透露，現(xiàn)在電費成本占植物工廠生產(chǎn)運營成本的25%左右，“一個一萬平方米、四五米高的工業(yè)廠房，改造成人工光植物工廠，一年耗電在 1300 萬度以上。”高耗能已經(jīng)被視為影響植物工廠發(fā)展的主要瓶頸之一。
另一方面，拋開產(chǎn)出談成本無意義。外界認(rèn)為，植物工廠造價高、運營成本高，是相對于植物工廠種植的作物價值而言。
以常見的生菜為例，楊其長曾對北京一家種植生菜的植物工廠進(jìn)行測算，每生產(chǎn)1千克生菜需要消耗10度電，相當(dāng)于6元。結(jié)合產(chǎn)量分析計算，每千克生菜的生產(chǎn)成本高達(dá)21.19元。而市場上生菜價格普遍在4到6元/斤。不過一些精品商超里個別生菜品類價格較高，比如在盒馬鮮生，200克羅馬生菜售價為12.9元，200克紅葉生菜售價7.9元。
這也意味著，如果要覆蓋成本，植物工廠的一大發(fā)展方向是，生產(chǎn)高品質(zhì)蔬菜，對接精品商超。
事情也并非人們表面看到的樣子，種菜、賣菜只是植物工廠價值的冰山一角。按照用途來看，植物工廠類型包含生產(chǎn)型、科研型和展示型。其中，科研型和展示型的價值遠(yuǎn)不是用商業(yè)模式可以計量的。
環(huán)保與效率，魚和熊掌不可兼得
相信人們對剛剛過去的8月，61年來不遇的高溫天氣還心存余悸。整個長江流域，沒有人躲得過這場從六月下旬就已開始的熱浪的洗禮。曠日持久的高溫和干旱導(dǎo)致四川、重慶、湖北、湖南、江西、安徽等多個?。ㄊ校﹪?yán)重受災(zāi)，重慶的江津、大足、銅梁、巴南、北碚，多個區(qū)縣山火不斷，損失巨大。
伴隨著的是電力供應(yīng)極其緊張。多個省市無奈之下做出寫字樓限電、商場停運、工廠拉閘的措施。
我國75%的電力來自煤炭發(fā)電，煤炭生產(chǎn)過程會帶來污染，因此不能忽視植物工廠耗費電能所產(chǎn)生的環(huán)境恢復(fù)成本。加之全球能源緊缺，耗費大量地球稀缺的能源，為未來不確定環(huán)境下的保障供給做技術(shù)儲備，孰輕孰重？
對此，未來智農(nóng)創(chuàng)始人白寶鎖提出了一種衡量方式：不要只把目光鎖定在植物工廠上，需要綜合考慮大田農(nóng)業(yè)和植物工廠，從產(chǎn)地到餐桌的綜合能耗。
同樣有此思路的還有水木九天的創(chuàng)始人王曉慶，他在8年前剛進(jìn)入農(nóng)業(yè)的時候，發(fā)現(xiàn)很難看明白農(nóng)業(yè)到底哪個模式好，于是做了一個核定標(biāo)準(zhǔn)，即按照品質(zhì)、成本、產(chǎn)量、可持物發(fā)展（指標(biāo)包括碳指標(biāo)、水、肥、農(nóng)藥等）方面進(jìn)行綜合考量。
孫朝華博士認(rèn)為植物工廠本身的生產(chǎn)方式，對環(huán)境幾乎是無污染的，她從四個維度作出說明：
營養(yǎng)液循環(huán)利用，按需供給，很少涉及到排放問題；
基質(zhì)或者海綿均可降解；
密閉環(huán)境照射不涉及光污染；
結(jié)構(gòu)件為鋁合金及不銹鋼，無塑料降解污染風(fēng)險。
大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)沒有天然污染物，其污染主要來自種植過程中大量化肥和農(nóng)藥的使用，這對土壤環(huán)境造成了極大的破壞，尤其是我國化肥總產(chǎn)量和總用量長期位居世界首位，約占全球三分之一。因此就有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，“中國農(nóng)業(yè)造成的面源和點源污染都高于工業(yè)。”
植物工廠的節(jié)水能力表現(xiàn)尤為突出。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織報告《2020年糧食及農(nóng)業(yè)狀況》顯示，農(nóng)業(yè)用水占全球水資源消耗的70%。植物工廠可以循環(huán)利用水資源，避免浪費。孫朝華博士曾做過相關(guān)測算：1顆生菜一個生長期消耗的水量為2L，露地栽培是222L，植物工廠的節(jié)水率可達(dá)90%。
以新加坡為例。新加坡四面環(huán)海，淡水資源極度匱乏，大部分需要從鄰國馬來西亞進(jìn)口。但新加坡卻依靠樓群里的垂直農(nóng)場，成為了綠地覆蓋面積為50%的“花園城市”，每5平方米一年就能產(chǎn)出38000顆蔬菜的農(nóng)業(yè)強國。這也充分說明，現(xiàn)代化的室內(nèi)種植方式節(jié)水能力超乎想象。
傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的蔬菜從田間到餐桌，避免不了長途運輸帶來的損耗和貨車尾氣污染，運輸、清洗制作過程均有損耗，“一斤菜最后能上餐桌的部分大約在30%到60%”，而植物工廠選址自由，可盤活城市化進(jìn)程中大量閑置的廢棄廠房、晚上大量閑置的能源，做到“就地產(chǎn)、就地銷”。白寶鎖更是提出，植物工廠生產(chǎn)的蔬菜沒有廚余垃圾，除了根系都可使用，利用率高達(dá)95%以上。
總體來看，植物工廠主要是耗費電能，但是它在減少運輸環(huán)節(jié)、水肥循環(huán)利用等方面，卻降低了能耗。
如何減少能耗，降低成本？
綜合考慮各方因素，植物工廠的能耗問題或許能夠得到一些理論意義上的緩解。植物工廠的相關(guān)研究正從減少能耗、降低成本入手，讓其更能為市場所接受，這也是植物工廠發(fā)展過程中的關(guān)鍵一步。
35斗結(jié)合業(yè)內(nèi)各方觀點，解決高能耗問題，有以下幾個方向：
一是，提高光電轉(zhuǎn)換效率。通過優(yōu)化燈源、光譜、環(huán)境的設(shè)計等，優(yōu)化光源的利用。李鵬談到，“簡單理解，電通進(jìn)去之后有多少可以變成光，現(xiàn)在可以達(dá)到百分之五六十，而以前只有百分之十幾。”
二是，利用低谷電。電價跟生活消耗水平相關(guān)，工業(yè)用電晚上比白天更便宜。植物工廠打破了作物的生長節(jié)律，可以利用晚上的低谷電，為作物生長補充、調(diào)節(jié)光源。這不僅降低了植物工廠的用電成本，還對整個電力能源應(yīng)用起到削峰填谷的作用，提高能源利用效率。
三是，一些節(jié)約用電的措施也是必要的。孫朝華博士分析，不同作物需要的光環(huán)境不一樣，不一定光周期越長生長品質(zhì)就越好、生長速度越快，植物工廠可尋找到最佳的光和植物生長的平衡點，找到用電能耗的最優(yōu)模式。
四是，積極探索清潔能源的利用。如應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)能、水力或生物質(zhì)能源等比較環(huán)保的發(fā)電方式，已成為植物工廠研究的熱點。
比如，平湖農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和國網(wǎng)平湖市供電公司合作，供電公司為園區(qū)企業(yè)東郁果業(yè)量身打造了一套氫光儲充一體化新型能源系統(tǒng)，降低植物工廠碳排放和企業(yè)用電成本。據(jù)了解，工程里包括增加氫能發(fā)電系統(tǒng)和儲能站建設(shè)，植物工廠白天完全使用氫能或光伏發(fā)電的電量，晚上使用儲能站的儲存電量，實現(xiàn)了用電零排放。
對于高昂的造價問題，則是盡可能選用普通民用材料和裝備。其實現(xiàn)在的造價成本，相比以往已經(jīng)大幅降低。
李鵬說道，“現(xiàn)在造價可能只有以前的百分之一，其中生產(chǎn)芯片的材料已經(jīng)下降到了以前的幾百分之一?！卑讓氭i同樣表示，設(shè)備不斷改進(jìn)，成本會以每年10%—20%的速度不斷降低。
需要注意的是，在植物工廠的運營成本中，人工成本是高于電力成本的存在，普遍占到總成本的30%—40%。目前，已有不少植物工廠通過自動化生產(chǎn)方式減少人力投入。
就在剛剛結(jié)束的第二十九屆中國楊凌農(nóng)高會上，植物工廠參展商采用的就是全自動化垂直農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，整條種植產(chǎn)線上沒有人工，機(jī)器人、穿梭小車、升降機(jī)等設(shè)備接收計算機(jī)的智能運算指令，代替人工實現(xiàn)播種、分栽、管理等工序，真正實現(xiàn)了無人化管理。
與之相比較，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)人力成本投入并不算少，還存在人員工作效率低、資源浪費率高等問題，且很難通過智能化手段提高生產(chǎn)效率。
中科三安總經(jīng)理占卓曾在媒體采訪中表示，“我們樂觀地認(rèn)為2025年很有可能是植物工廠的元年。這其中包含兩個主要因素：第一點是LED技術(shù)的發(fā)光效率正以每年5%—8%的速度進(jìn)步；第二點是近些年隨著整個系統(tǒng)技術(shù)的提升，植物工廠的成本得到了大規(guī)模下降。反之，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在勞動力成本、用地成本、運輸和環(huán)境成本等方面都在逐步攀升。預(yù)計這兩種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本將在2025年接近彌合狀態(tài)。”
時間節(jié)省一半，更具盈利空間
除了降本節(jié)能，探索植物工廠的應(yīng)用場景和商業(yè)模式，同樣具有可持續(xù)發(fā)展意義。
在作物品類上，生產(chǎn)型植物工廠種植的作物品類不局限于普通蔬菜，而是瞄準(zhǔn)高端市場，生產(chǎn)高附加值的經(jīng)濟(jì)作物、功能性產(chǎn)品。
現(xiàn)在不少植物工廠已經(jīng)開發(fā)出了包括藍(lán)莓、果樹、甜椒、黃瓜、番茄、花卉、茶葉及特殊名貴藥材等高附加值作物品種的室內(nèi)栽培技術(shù)及設(shè)施裝備。種植的作物品類從蔬菜拓展到了石斛、金線蓮、食用花卉、果樹、茶葉等。
李鵬強調(diào)，植物工廠更大的應(yīng)用場景，是利用植物工廠的工業(yè)化生產(chǎn)方式，提升栽培的整齊度、產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，實現(xiàn)中藥材等經(jīng)濟(jì)作物、種苗的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。
一方面，植物工廠可縮短中藥材生產(chǎn)時間，“在戶外需要十幾個月甚至是二三十個月的生產(chǎn)，在植物工廠里至少能夠縮短一半的時間。”另一方面，植物工廠在提升中藥材藥效成分含量上有非常明顯的這樣效果，“通過環(huán)境、技術(shù)調(diào)控，讓中草藥里本身的一些有效的成分越來越越高，定向精準(zhǔn)的生產(chǎn)中草藥。”
育苗，圖片來源：光明母港
在育種領(lǐng)域，植物工廠在縮短作物育種周期方面具有巨大潛力。育種卡脖子技術(shù)關(guān)鍵原因在于周期長，培育一個優(yōu)良性狀的品種通常需要七八年甚至十幾年，而植物工廠通過智能化設(shè)備模擬不同地域的自然特性，增強種子與環(huán)境的匹配度和適應(yīng)度，可將周期縮短至兩到三年。
在植物工廠內(nèi)生長的水稻周期也會大幅縮短。比如，中國農(nóng)科院都市農(nóng)業(yè)研究所植物工廠創(chuàng)新團(tuán)隊與中國水稻研究所錢前院士團(tuán)隊合作，成功實現(xiàn)植物工廠水稻種植60天左右收獲的重要突破，比大田環(huán)境下120天左右的水稻生長周期縮短了一半。
不少植物工廠企業(yè)還在商業(yè)模式上積極創(chuàng)新，探索更多的可能性。
未來智農(nóng)瞄準(zhǔn)植物工廠產(chǎn)業(yè)閉環(huán)，前期可做植物工廠規(guī)劃設(shè)計、提供一整套設(shè)備解決方案等工作；建造完成后有植物工廠的運營管理、遠(yuǎn)程栽培技術(shù)的咨詢服務(wù)等，甚至還建立了生鮮事業(yè)部，幫忙對接銷售平臺；白寶鎖稱，公司未來也會進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，目前已經(jīng)在選址階段。中科三安延伸出來的商業(yè)模式則包含品牌建立、渠道拓展、與新零售新業(yè)態(tài)結(jié)合、與文旅結(jié)合等。
那么，市場上有植物工廠盈利嗎，多久能夠收回成本？有報道顯示，日本實現(xiàn)盈利的植物工廠占25％，收支平衡的占32.9％。李鵬認(rèn)為，“3000平方米以上的植物工廠，在比較好的市場里面，大概需要3年到4年時間覆蓋成本。”
因何而產(chǎn)生便因何而存在
農(nóng)業(yè)需要跟工業(yè)一樣走向工廠化生產(chǎn)。我國糧食作物已經(jīng)部分實現(xiàn)大部分機(jī)械化和自動化，下一步就是利用植物工廠，實現(xiàn)蔬菜的工廠化、機(jī)械化、自動化乃至信息化。
水木九天創(chuàng)始人王曉慶提出：農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、教育是社會的三個底線，不可以用純商業(yè)來評價，而應(yīng)該綜合考慮經(jīng)濟(jì)價值、生態(tài)價值和社會價值。
當(dāng)然還有更多緊迫的問題擺在眼前：人口急劇增加、人們對食品安全需求急劇提升、土地急劇減少、從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動力持續(xù)減少……人類需要用新的方式生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品，植物工廠正是有效途徑之一。
“它因何而產(chǎn)生，就因何而存在。”如李鵬所說，植物工廠會成為未來農(nóng)業(yè)的重要組成部分。
或許地球流浪、星際移民離我們非常遙遠(yuǎn)，但在全球糧食危機(jī)、疫情疊加的背景下，人工光植物工廠不單單是一種新型的城市保供方案，更代表了未來農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式。它存在的更大的意義在于，可以作為拯救人類免于滅亡的重要工程之一。
因此，即便是在陽光依然明媚、海闊天空的今天，我們已然看到有瘋狂的夢想家，將人工光植物工廠設(shè)計成了可以承受地震、暴風(fēng)雪、極端干旱等自然災(zāi)害的生命方艙。
它可以不限地點、全年無休生產(chǎn)。這也為解決2050年全球98億人的吃飯問題，提供了全新的想象空間。