蒋晶晶
喜萃植物工厂创始人CEO
《2018阿拉丁照明产业调研白皮书》
植物照明 顾问
近些年，随着人民对高品质生活的追求不断提高，国家供给侧改革战略的不断深化，而国家农业十三五规划的出台，和LED植物生长灯、农业智能物联网等植物工厂配套上游产业快速发展，各类设施设备成本逐渐下降，让植物工厂产业化发展进入了黄金发展期。
一、植物工厂及其社会意义
植物工厂（Plant Factory），广义的讲是指植物栽培系统，全部或部分控制植物生长所需的环境条件，使其生长完全或部分不受自然环境的影响的一整套系统。它的主要特点是种植空间封闭，由人工光全面代替太阳光，各生产要素（二氧化碳、氧气、温度、湿度、肥料养分、光照等）全面精准化控制，全年连续栽培，生产周期快，可按计划定制等。整个过程如同在工厂生产线上进行，从而使产品具有精细化、均质化和丰产性的特点。
据统计，至2050年全球人口将超过90亿。21世纪的全球性课题是粮食、资源、环境及生活质量四大方面。自然环境的恶化包括人为原因导致的土壤板结、土壤盐渍化、重金属污染、雾霾严重、沙漠化等。中国近4亿人口受到荒漠化的影响。2015年人口普查结果农业人口占全部人口的46.6%，且伴随工业化、城镇化进展，未来农业人口比例会越来越少。目前，发达国家不到10%，美国不到5%；农业劳动力成本迅速上涨。麦肯锡全球研究院研究表明，2020年我国的蔬菜消费总量会达到4亿吨，整个生鲜蔬菜产业产值达到9125 亿，是万亿级产业。《2016-2022年中国有机蔬菜产业专项调研与十三五发展商机研究报告》指出，随着食品安全和食品健康在国内受到的关注度越来越高，高端蔬菜的消费在我国将呈现爆发式增长，市场规模的复合增长率将达到20%，到2020年，高端蔬菜需求将接近1亿吨的规模。
植物工厂能很好解决极端环境下蔬菜供应，比如在沙漠条件下工作的士兵，在海上钻进平台工作的工人，都需要定期的配送蔬菜等食物，且只有耐储存类别的蔬菜，较少新鲜叶菜类。此外，全球大国都在争相研究各类探索太空的技术手段，植物工厂是其中重要的研究课题。2016年11月，中国航天员景海鹏和陈冬把一个微型LED植物工厂带到了太空，在天宫二号空间实验室里展开多项实验（图1）。
图1天宫二号上的迷你植物工厂
2016年6月份，习近平总书记在北京展览馆参观国家“十二五”科技创新成就展的时候，中国农科院的展示的智能LED植物工厂展区的时候，询问了蔬菜的种植、生长情况（图2）。
图2习近平主席参观“十二五科技展”上的植物工厂模型
在2016年10月的全国双创周，喜萃植物工厂作为全国五家创业标杆企业之一受到了李克强总理的接见，得到了总理的高度认可（图3）。
图3 2016 年的双创周上，喜萃植物工厂创始人受到李克强总理接见
二、植物工厂案例介绍
2.1 喜萃植物工厂
华星环球（深圳）农业有限公司成立于2015年7月，是一家致力于为人类健康事业保驾护航，同时注重环境保护的国家高新技术企业，已获得华大基因、松禾资本、中融信托等机构数千万投资。主营业务是现代化室内垂直农场技术研发、建设、运营，及高附加值植物研发、种植、销售，旗下的喜萃植物工厂是国内首家大型商业化植物工厂。作为国家智慧植物工厂创新联盟常任主席单位，喜萃植物工厂引领植物工厂产业化进展，并积极推动行业标准发展，是目前国内首家获得全球良好农业规范（Global GAP）和中国良好农业规范 (China GAP) 的植物工厂，也是唯一获得供港资质认证的植物工厂。工业化的作物生产流程，革新的农业生产方式，是未来高科技农业的典范（图4）。
图4喜萃植物工厂外景、内景
作为行业领先的室内全人工光垂直农场，喜萃植物工厂通过计算机精准控制植物生长过程中的关键环境影响因素，使植物生长不受气候、地理条件影响，实现农作物全年365天连续生产。全环控的生长条件，使得喜萃植物工厂所培植蔬菜无需施用任何农药；12层密植，极高土地利用率；高效节水，仅为传统农业1/10用水量。公司注重自主知识产权的保护，已提交申请36项专利申请。
喜萃植物工厂的产品为精准控制生长环境生产的洁净、无污染的叶菜等高级食材。主要包括沙拉用不同类型生菜、宝宝菠菜等叶菜；传统中式叶菜：紫青菜、皇帝菜；芽苗菜类：苜蓿苗、萝卜苗等；香料类：罗勒、薄荷、芝麻菜等；以及高档新型健康蔬菜：红叶、紫叶的高硫苷含量的kale（羽衣甘蓝）、冰草等。对产品质量的检测上，检测结果均为零农药、零重金属残留。
目前喜萃植物工厂在大鹏新区官湖3000平方米植物工厂，日产能力在1万颗菜左右，产品定位中高端客户，零售终端产品已经进驻深圳及广州华润高端超市ole’、永辉旗下新零售品牌超级物种华南地区数家旗舰店，并拓展至港澳地区、珠三角地区及长三角地区的高端餐饮品牌及高端酒店。经麦肯锡全球研究院最新研究表明，2011中国中等收入以上人群达到2.9亿，此类人群的优质蔬菜年人均消费量达到115公斤，优质蔬菜市场需求会达到3335万吨，产值将超过1006.2亿元。高端蔬菜市场空间巨大（图5）。
图5喜萃植物工厂产品在高端超市中的售卖陈列
2.2 中科三安植物工厂
福建省中科生物股份有限公司，创立于2015年，是中科院植物所与福建三安集团共同发起的合资企业。公司总部位于福建省安溪县，设有植物工厂研究院和植物工厂产业化基地，计划总投资约70亿元。
中科三安利用中科院植物所在植物科学领域的研发成果，结合三安集团旗下核心企业三安光电领先的LED光源技术，进行光生物技术产业转化，应用于现代设施农业及生物制药领域。植物工厂研究院下设福建、北京两个分院及美国、厦门工程技术中心，从事光生物技术应用研究，为产业化提供技术支撑。首个产业化基地位于安溪县湖头光电产业园区，是利用LED光谱技术，采用自动化环境控制及智能化装备，在十万级净化厂房进行植物工厂化种植，主要生产高品质的安全蔬菜、保健品及抗肿瘤等重大疾病医药中间体材料。该基地将建设成集科研、生产、示范、孵化等功能于一体的产业化示范基地（图6）。
图6中科生物产业化基地
中科三安正以总部基地为依托，加快实现LED植物光源、生物制剂及植物工厂自动化装备的产业化，并逐步扩大在产业链上下游的投资布局，同时积极拓展国外市场，向国外输出具有自主知识产权的植物工厂装备及技术服务（图7）。
图7福建中科生物股份有限公司植物工厂生产基地内景
中科三安植物工厂营销中心设立在厦门。植物工厂健康蔬菜的销售业务目前以厦门作为核心市场，着手布局延伸至全国各重点中心城市。营销中心采取线下渠道拓展+线上商城推广的营销模式。产品已进驻各大高端精品商超、高端酒楼、星级酒店、西式餐厅、火锅连锁、轻食中央厨房等各类渠道。现有合作商家：永辉超市、元初食品等。中科三安将继续不断地进行销售区域的拓展和渠道优化，力争产品在北京、上海、广州、深圳、香港等城市陆续上市销售，让更多的消费者吃到健康无污染的蔬菜。中科三安不但对外输出蔬菜产品，还输出其植物LED照明灯，植物工厂生产模组等，以及正在准备上市的高附加值的产品，例如金线莲等，是一家模式多样化的植物工厂企业。
2.3 旭田物工厂
陕西旭田光电农业科技有限公司于2013年3月在陕西省杨凌农业高新示范区正式成立，总部位于西安市。旭田光电农业以改变人类生活方式、提高国人生活品质为己任，以资本为纽带，以光电农业为龙头产业，以I-farmer植物工厂为拳头产品，以安全、新鲜、健康、营养为核心理念，推动和引领光电农业的发展，主导产业发展潮流。全力打造以植物生长照明、植物生长环境智能控制、植物无土栽培及立体种植、有机营养液、有机基质、观光旅游、研发、生产、销售一体化为核心的光电农业产业链，立志在光电农业行业打造世界品牌，成为国内第一（图8）。
图8旭田承建植物工厂实景图
经过多年的前期积累，旭田自主研发并生产的具有自主知识产权的I-farmer小型植物工厂，可广泛应用于国防军队及野外作业的远程补给、示范农业、蔬菜工厂、珍稀植物种植、种苗工厂、超市餐厅、家庭园艺以及科学研究等领域。
现阶段公司研发生产的植物工厂分为餐厅和家庭、特殊补给、科学研究及工厂化种植4大系列，可进行多种蔬菜的种植及种苗培育。
2013年8月30日，由陕西省科学技术厅组织、杨凌农业高新技术产业示范区管委会主持了 “PF-SN-40A完全人工环境植物生长箱”科技成果鉴定会，鉴定该项成果“处于国内领先水平，达到国际先进水平，符合现代农业的发展方向，具有广阔的应用前景。”2013年9月，取得杨凌区民营科技企业认证。目前公司已申请专利32项，并注册“I-farmer”植物工厂及“王琦”菜商标，是国内将小型植物工厂产业化的领军企业。旭田光电农业与美国、荷兰、日本的同行建立了良好的合作关系，企业的起点与国际同步。现已与省内外多家科研机构及大学在植物工厂环境实验室建设及种苗培育等领域开展了广泛合作，并利用植物工厂技术在西安市周边开发建设大型蔬菜生产基地，制定了“王琦”菜规范的生产流程和严格的检验标准。
图9旭田承建植物工厂概念图
旭田光电对外输出其“王琦”菜，以私人定制为主，也对外输出植物工厂建设方案，以及植物生长灯。
2.4 星菜植物工厂
江山市星菜农业科技有限公司，为同景新能源集团全资打造的集高端农业、水培技术研究及应用于一体的高新科技型农业公司。同景集团成立于1994年，主营照明、光伏产业以及高端农业。星菜植物工厂于2016年12月成立，注册资本5000万人民币，工厂占地面积3万多平方米。采用集团自主研发的LED照明，自动立体栽培支架技术，已建有栽培面积规模达到116000平米植物工厂，总投资额为1.6亿元（图11）。
图11 星菜植物工厂内景图
星菜科技依托在电光源和新能源行业的成功发展经验和专业技术创新能力，以及与中国农科院、复旦大学、台湾等高等级科研院所和机构展开密切的合作。星菜科技通过建设“五化菜园”，强调“规模化、标准化、商品化、品牌化和产业化”的“种植可控”高端菜园，提供环境友好、安全优质的安心高端蔬菜
星菜科技对外推出植物工厂蔬菜，具有线上和线下的销售模式。星菜还推出星菜智慧小型植物工厂，作为大规模植物工厂的雏形，植物生长各个指标均通过计算机与传感器的控制，可以实现无污染蔬菜的订单化循环生产。
2.5 爱盛植物工厂
爱盛生物科技（上海）有限公司是来自美国硅谷，集研发和制造温室水培、雾培的模块化专业设备及整厂解决方案于一体的高科技农业企业，拥有30多项专利。公司具有自主开发的植物工厂雾培技术、光源和传感技术，并结合农业大数据信息处理和云计算技术进行产业创新。并提供高效、易扩展业的整厂解决方案，广泛应用于中草药、蔬菜花卉等植物的规模化种植（图13）。
图13爱生植物工厂内景图
爱盛的Ætrium系统使用最新的气雾培种植技术来培育出口感最佳，品质最好，最保鲜的作物。爱盛的Guardian系统通过智能传感器控制复杂的营养液配比工作，保证各营养元素均衡持续的供应，加速植物生长。通过对植物所需的各种生长条件（氧气、营养液、水分、光照、温度、湿度、二氧化碳浓度、PH值等）参数调节和控制，加速植物生长。Ætrium系统是一个智能平台，在传感器监控的洁净环境下，确保了蔬果的纯净，美味和活力。模块化设备是十分灵活的，消费者可以根据快速变化的市场需求，随时重新编组设备（图14）。
图14 爱盛集装箱式植物工厂实物图
爱盛不但对外输出他们的蔬菜产品，还有他们的植物生长LED灯，以及成套化的植物工厂模组。
三、浅析国内植物工厂与照明产业相结合的发展方向
在植物工厂发展的过程中所使用的光源主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯、白炽灯等，这些光源的突出缺点是能耗大，运行费用高，能耗费用占全部运行成本的50%-60%。而近些年发展起来的LED光源不仅可发出光波较窄的单色光，还能根据植物需要任意组合光源，且LED是具有低发热特性的冷光源，可以近距离照射植物，提高空间利用率为植物生长提供合理的光环境，非常适合植物工厂多层密植的栽培方式。
3.1 植物工厂对植物照明设备的需求与应用特点分析：
随着植物工厂的迅速崛起，从业者对植物工厂专用的LED光源有了初步的见解：
①LED光源在植物工厂中应用的基本要求，主要体现在三个方面，即光谱性能 -- 既要保证植物光合对光质的需求，又要尽可能的减少无效光谱和能源消耗；发光效率--发出的光合有效辐射量与消耗功率之比较高；使用寿命--使用时间长、光衰小、价格相对较低。
②LED光源对植物工厂中所栽培作物生长状况的影响，主要有三个因素，光强--光照的强弱一方面影响光合强度同时还会改变作物的形态，如开花阶段、节间长度、茎秆粗细及叶片大小厚度等；光质 -- 光谱分布对植物光合作用和形态建成都具有重要影响，地球上的植物都是在长期演化过程中不断适应太阳辐射的，不同种类具有不同的光选择吸收特征。光周期—光周期特性与光照时数密切相关，不同的作物完成光周期需要一定的光照时数才能开花结实，相反的也可以通过改变光照时数抑制作物开花结实。
③LED光源对植物工厂建设及使用成本的影响，现阶段植物工厂建设中LED光源成本占建设成本20%-50%，压缩空间较大；使用过程中的安装效率、维修更换频率、节电比率、衰减速度等都会影响实际使用成本。
3.2 未来植物工厂与植物照明技术相结合的发展展望：
LED的性价比在过去数年见有了显著的提高，故基于LED的人工光型植物工厂的产业近年来也有了较快的发展，可以确信和预测的是随着LED性价比的不断提高，基于LED的人工光型植物工厂必将有更广阔的发展空间。植物工厂的迅速崛起也促使植物照明产业向研发型、标准化、产业间密切合作的有利方向前进。
为促进LED人工光植物工厂的高效健康发展，需要解决以下问题：
①植物工厂中人工光源对植物生长影响的持续深入研究。植物光生物学研究的复杂性使得至今光生物学的机理不清楚，尤其是分子生物学领域。首先，植物种类和品种多种多样，光生物学需求十分复杂；其次，植物效应光的波长复杂，涉及很多种典型波段，其单独效应和复合效应需要长期研究；最后也是最复杂的是植物发育、产量和品质指标多样，光调控难度大，单指标和复合指标效应庞杂，这就需要两个行业的密切合作才能推动解决。
②植物工厂专用照明灯具的相关标准制定与推行。相比家居、商场等照明灯具，国内在LED农用特别是植物工厂专用的照明灯具方面仍存在产品杂乱、生产设计不规范、缺乏统一的产品标准和质量管理问题。除了在光质调节、光强方面缺乏科学统一规范外更缺乏对植物工厂高湿环境下防电、防水、耐腐蚀的设计规范要求，部分灯具的使用寿命较短且存在安全隐患。
③科技研发投入及知识产权的保护体系的完善。目前国内生产LED植物照明灯具的企业中生产中低端产品的中小企业比较多，缺乏自主知识产权和系统性研究，这使得LED植物照明产品良莠不齐，产业化和标准化程度低，缺乏市场竞争力，特别是与飞利浦、欧司朗等涉足植物照明领域较早的国际大公司相比差距较大。
据不完全统计，国内植物工厂有100多家，本文只选择了几个笔者相对熟悉的几个典型案例，不代表这些案例更加成功或更有特色。文中介绍的植物工厂案例中，除了喜萃植物工厂，其他几个植物工厂所涉及的数据均为网上公开信息或者由其公司相关负责人员提供。本文的介绍只为让更多的人了解植物工厂及目前发展的情况，难免疏漏。
高端设施农业是现代农业种植的发展趋势，植物工厂正是这种新概念和技术体系的典型代表。它可以通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是利用计算机对植物生长的环境条件进行自动控制，是一项颠覆传统农业，使植物生长不受或很少受自然条件制约的省力型生产模式，是农业发展的高级阶段。
笔者认为，在未来的三到五年，更多的产业资源的进入，更多的资本的进入，并随着各地政府支持政策的出台，植物工厂的发展将进入一个蓬勃发展的时期。植物工厂的发展既得益于国内LED产业的良好前期基础，以及目前各个LED企业已经或整个在布局的LED植物照明或者说农业照明领域，可以预见的是，植物照明成本的降低和专业度的提高，以及其他相关上游产业的不断的专业化发展和战略性合作的推进，植物工厂将蓬勃发展，有益于消费升级的大趋势，并能解决部分的能源和耕地短缺的问题。
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匿名