科技日報(bào)記者 李均 策劃 趙英淑 滕繼濮

一排排高達(dá)20米的種植架整齊排列，生菜、羽衣甘藍(lán)、雞毛菜等16層蔬菜正被LED燈光照耀，在不同配方的生長盒中悄然生長。傳感器實(shí)時(shí)采集生長數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)街悄鼙O(jiān)測平臺……

立冬時(shí)節(jié)，記者走進(jìn)位于山東膠州的國內(nèi)首家百萬級無菌自動化微模塊植物工廠，看到8臺機(jī)器人正自由穿梭，負(fù)責(zé)全流程管理。這一植物工廠投產(chǎn)剛剛滿月，預(yù)計(jì)達(dá)產(chǎn)后日均出產(chǎn)500公斤蔬菜。

“植物工廠的技術(shù)手段，可讓農(nóng)業(yè)種植擺脫對自然環(huán)境的依賴。”負(fù)責(zé)其運(yùn)營的青島上合富士康智慧農(nóng)業(yè)科技有限公司總經(jīng)理谷宇告訴記者。

延續(xù)數(shù)千年的傳統(tǒng)農(nóng)耕，正以顛覆性的智能植物工廠形態(tài)嶄露頭角。它結(jié)合光電技術(shù)與生物學(xué)技術(shù)，代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，并呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展勢頭。數(shù)據(jù)顯示，截至2024年，我國植物工廠數(shù)量已增長至493座。

然而，在繁榮景象背后，植物工廠發(fā)展也正面臨困境——建設(shè)與運(yùn)營成本高昂、種植品種有限、人才配置不足等問題，正在制約著這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)張

植物工廠最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代。1957年，丹麥建立了全球第一座植物工廠；1960年，美國通用電氣公司研發(fā)了世界首個(gè)完全利用人工光的植物工廠。

我國植物工廠建設(shè)起步較晚，但起點(diǎn)高、發(fā)展快。2009年，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所成功研發(fā)國內(nèi)首個(gè)智能型人工光植物工廠。

隨著LED節(jié)能光源創(chuàng)制、光溫耦合節(jié)能環(huán)境控制、營養(yǎng)液栽培、智能化管控等技術(shù)的進(jìn)步，植物工廠呈現(xiàn)爆發(fā)式增長態(tài)勢。

植物工廠是一種通過高科技手段精確控制環(huán)境，有計(jì)劃、有標(biāo)準(zhǔn)、高效率地生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品的系統(tǒng)。憑借“空間折疊”“環(huán)境控制”“智能種菜”三大核心優(yōu)勢，植物工廠在立體栽培和無土培養(yǎng)條件下種植出高品質(zhì)蔬果，打破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對自然環(huán)境的高度依賴，有望將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶入一個(gè)全新領(lǐng)域。

湖南大學(xué)經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易學(xué)院副院長曹二保介紹：“植物工廠有效提升了土地資源的利用率，既是創(chuàng)業(yè)者和就業(yè)者的可選項(xiàng)之一，也是城市農(nóng)業(yè)的可行方案之一。”

植物工廠不僅是一種先進(jìn)的農(nóng)業(yè)技術(shù)，更是一項(xiàng)具有戰(zhàn)略意義的技術(shù)儲備。當(dāng)疫情等公共事件突發(fā)，或在航空航天、遠(yuǎn)洋航行、邊疆戍守等特殊場景的保障供應(yīng)方面，植物工廠可憑借不受空間限制、穩(wěn)定生產(chǎn)的優(yōu)勢，發(fā)揮關(guān)鍵作用。

為進(jìn)一步鼓勵(lì)這一現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式發(fā)展，我國接連出臺政策措施，為植物工廠建設(shè)按下“加速鍵”。

從《全國現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)規(guī)劃（2023—2030年）》到《關(guān)于踐行大食物觀構(gòu)建多元化食物供給體系的意見》《人工光型植物工廠光環(huán)境技術(shù)規(guī)范》，近兩年，國家層面接連出臺政策，推動植物工廠在城市布局并統(tǒng)一光環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

在政策引領(lǐng)下，滬浙川魯?shù)鹊匮杆俑M(jìn)，下發(fā)文件支持植物工廠發(fā)展，一些制造企業(yè)、平臺企業(yè)、生物企業(yè)甚至房地產(chǎn)企業(yè)紛紛入局。

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展活躍的長三角地區(qū)，植物工廠產(chǎn)品消費(fèi)潛力巨大。今年以來，多個(gè)大型植物工廠項(xiàng)目接連在上海落地。目前，位于青浦區(qū)的白鶴數(shù)智草莓植物工廠項(xiàng)目正在加緊建設(shè)，有望于今年底運(yùn)營；浦東新區(qū)則在建設(shè)亞洲最大的商業(yè)化運(yùn)營植物工廠。

此外，在江蘇、福建、湖北、西藏等地，不再“靠天吃飯”的植物工廠也在加速崛起。

時(shí)下，西南地區(qū)最大的規(guī)模化立體栽培草莓智慧工廠迎來了首個(gè)豐果期。11月4日，記者從這家植物工廠了解到，這里每天產(chǎn)出200千克新鮮草莓，并第一時(shí)間進(jìn)入四川成都各大商超。

“由于采用超高層立體種植，產(chǎn)量是傳統(tǒng)地栽草莓的30至40倍。”項(xiàng)目運(yùn)營方、中農(nóng)億享農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)管理中心負(fù)責(zé)人趙中瑩介紹，該植物工廠可實(shí)現(xiàn)草莓的全年無間斷高效生產(chǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了向空間要產(chǎn)量的愿景。

發(fā)展面臨三重困境

今年，四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院程方平科研團(tuán)隊(duì)圍繞植物工廠的關(guān)鍵技術(shù)裝備開展研究，他認(rèn)為，植物工廠作為設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級形式，在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、保障食品安全、緩解糧食危機(jī)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高品質(zhì)生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展等方面都具有重要的意義。

盡管前景廣闊，但這一領(lǐng)域目前正普遍面臨著“一高一窄一低”三重門，這些問題導(dǎo)致90%以上的植物工廠運(yùn)營企業(yè)處于虧損狀態(tài)，行業(yè)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

首先，植物工廠的建設(shè)與運(yùn)營成本居“高”不下。在建設(shè)成本方面，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2024年，我國植物工廠建設(shè)規(guī)模為27.47億元，建設(shè)均價(jià)約為5780元/平方米。然而在實(shí)際建設(shè)中，多數(shù)項(xiàng)目的單方造價(jià)遠(yuǎn)高于該平均水平。

通常，建設(shè)成本涵蓋多層栽培架、環(huán)境控制系統(tǒng)、營養(yǎng)液循環(huán)裝置等專業(yè)化設(shè)備，其中進(jìn)口LED燈板單價(jià)高達(dá)數(shù)千元，智能控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)費(fèi)用更是數(shù)以百萬計(jì)。此外，廠房改造需滿足無菌生產(chǎn)要求，隔熱材料、防蟲網(wǎng)等配套設(shè)施進(jìn)一步提高了建設(shè)門檻。

去年12月，第四屆“多多農(nóng)研科技大賽”在上海收官。從六支闖入決賽的團(tuán)隊(duì)支出情況來看，僅搭建一座20尺的集裝箱植物工廠，單方造價(jià)就已超過萬元。

放眼全國各地布局的植物工廠，種植1千克生菜需要消耗10度電左右，運(yùn)營成本占總成本比例較高。葉菜俠（山東）農(nóng)業(yè)科技有限公司負(fù)責(zé)人解曉巍透露，LED植物照明、空調(diào)能耗等能源成本占60%左右，設(shè)備維護(hù)成本和營養(yǎng)液成本各占10%左右，人工成本占15%左右。

“我們測算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前通過植物工廠種植1千克生菜的綜合成本在10元錢左右，加上設(shè)備折舊成本，售價(jià)起碼在15元每千克才能保本。”上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物工廠團(tuán)隊(duì)王虹博士告訴記者，在夏季高溫時(shí)，植物工廠為維持穩(wěn)定溫度，能耗成本會更高。

受種植成本高、技術(shù)能力欠缺、市場認(rèn)可度不足等因素影響，植物工廠往往偏向于種植翻茬率高、生長較快的品種，直接導(dǎo)致其種植品類偏窄。記者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前多數(shù)植物工廠的種植品類呈現(xiàn)“三足鼎立”態(tài)勢：綠葉蔬菜占比超60%，藥用植物育苗約占20%，剩余為草莓等經(jīng)濟(jì)作物，果菜、花卉等的技術(shù)儲備明顯不足。業(yè)內(nèi)人士介紹，葉菜生長周期短、LED光照需求低，成為企業(yè)降低風(fēng)險(xiǎn)的“安全牌”，但這種單一的種植結(jié)構(gòu)難以滿足消費(fèi)者的多元化需求。

“在我國發(fā)展植物工廠，必須進(jìn)行本土化轉(zhuǎn)型。比如上海消費(fèi)者喜歡風(fēng)味強(qiáng)烈的霜打菜和雞毛菜。”解曉巍認(rèn)為，植物工廠要通過品種與消費(fèi)者建立聯(lián)系，不能僅著眼模式化的蔬菜種植。

“我們試種過番茄、辣椒等果菜，但溫控、光控等能耗成本比葉菜高3倍，零售價(jià)起碼30元每斤才能回本，市場接受度有限。”江蘇一家植物工廠運(yùn)營企業(yè)負(fù)責(zé)人劉科坦言，“我們也不愿意冒險(xiǎn)。”

“植物工廠種植能夠利用環(huán)境的高度可控性，充分發(fā)揮出產(chǎn)品的最佳品質(zhì)、顏色、營養(yǎng)、質(zhì)地、產(chǎn)量和口感，是高端設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。”上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院智慧農(nóng)業(yè)研究中心研究員丁小濤表示，植物工廠發(fā)展需要通過不斷技術(shù)創(chuàng)新來降低建設(shè)和能耗等運(yùn)營成本，同時(shí)需要政府積極引導(dǎo)，并加大補(bǔ)貼等政策支持。

人才配置“低”、專業(yè)運(yùn)營人才匱乏也是制約植物工廠發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。通常，一家種植面積5000平方米以上的中型植物工廠，需配置環(huán)境工程師、植物生理專家、設(shè)備運(yùn)維專員、生產(chǎn)管理員及市場對接人員，他們必須具有跨學(xué)科知識儲備。

“植物工廠對人才的跨界要求，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)或工業(yè)領(lǐng)域的想象。”植物工廠運(yùn)營機(jī)構(gòu)上海墨泉生物有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人林維輝認(rèn)為，現(xiàn)在頭部企業(yè)在推“數(shù)字孿生”系統(tǒng)，運(yùn)營者得根據(jù)三維模型里的虛擬植株生長狀態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)，這些要求令傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)工作者難以勝任。

更加現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)在于，復(fù)合型人才的薪資預(yù)期與行業(yè)現(xiàn)階段盈利水平存在矛盾。

“有經(jīng)驗(yàn)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程師，跳槽去工業(yè)領(lǐng)域能拿更高薪水，植物工廠只能靠情懷留人。”林維輝說。

植物工廠突圍之路

面對植物工廠的發(fā)展瓶頸，行業(yè)正多方尋求破局之道。

節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新是降低成本的關(guān)鍵。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)基于對植物光生物學(xué)的深入研究，提出了植物“光配方”概念，根據(jù)不同作物的生長特性，科學(xué)調(diào)配不同波長光譜比例，構(gòu)建了75種作物、1200多種光配方，實(shí)現(xiàn)了光的精準(zhǔn)調(diào)控，目前每千克蔬菜所需電量從10度以上降低到了7.2度。

“我們未來的目標(biāo)是將光源能耗進(jìn)一步降低至每千克蔬菜4度電左右，讓垂直植物工廠蔬菜的生產(chǎn)成本接近大棚蔬菜。”中國植物工廠奠基人、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所首席科學(xué)家楊其長說。

光伏直供是另一條降本途徑。北京平谷的“空中苗圃”和江蘇南京國家農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)植物工廠，都在屋頂鋪設(shè)了光伏板，所發(fā)綠電基本滿足日常運(yùn)行需求。通過充分利用夜間低谷電價(jià)進(jìn)行高強(qiáng)度補(bǔ)光，工廠單茬種植節(jié)電可達(dá)18%左右。

在西藏自治區(qū)亞東縣，一座集成“全人工氣候”系統(tǒng)的植物工廠于今年6月建成。作為該縣首個(gè)現(xiàn)代化無土栽培農(nóng)業(yè)項(xiàng)目，整個(gè)種植過程已實(shí)現(xiàn)高度自動化和遠(yuǎn)程化管理。負(fù)責(zé)建設(shè)的上海墨泉生物有限公司首席執(zhí)行官秦楚漢介紹，每個(gè)種植周期中，人工只需參與放置種苗與采收兩個(gè)環(huán)節(jié)，大大降低了運(yùn)營成本與技術(shù)門檻，助力興邊富民、產(chǎn)業(yè)振興。

“植物工廠可在海島、船只、極地、沙漠、邊防哨所等非可耕地開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為解決一些環(huán)境惡劣、土地資源稀缺地區(qū)的食物安全問題提供一種思路。”丁小濤建議，西北戈壁、沙漠等綠電難以消納的地區(qū)，要加大植物工廠推廣力度。如此，既可使用價(jià)格實(shí)惠的電力，也能解決當(dāng)?shù)匾蛩Y源不足導(dǎo)致的露天蔬菜種植難題。

除了降低成本，植物工廠還在積極探索多元盈利模式，以突破發(fā)展困境。

生產(chǎn)高附加值作物是提升盈利能力的重要途徑。在安徽省亳州市的一家植物工廠里，中藥材種苗在一排排玻璃器皿內(nèi)靜靜生長。經(jīng)過4年選育，這里已繁育出穩(wěn)定量產(chǎn)的優(yōu)秀瓜蔞株系。運(yùn)營機(jī)構(gòu)亳州興禾農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司負(fù)責(zé)人劉凱說，良種繁育后可快速進(jìn)行種子種苗生產(chǎn)和大規(guī)模種植推廣，助力中藥材全產(chǎn)業(yè)鏈質(zhì)量提升。

運(yùn)用植物工廠種植技術(shù)生產(chǎn)高附加值農(nóng)產(chǎn)品，在增強(qiáng)企業(yè)盈利能力的同時(shí)，還可破解傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)藥殘留問題。

“要不斷突破植物工廠技術(shù)瓶頸，探索種植西洋參、藏紅花、生姜、金線蓮等藥食兩用植物，提升附加值。”南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院副院長、博導(dǎo)、教授束勝建議，在青海、新疆等地，還可探索種植對光、溫度、濕度要求相對不高的牧草，帶動畜牧業(yè)發(fā)展。

技術(shù)輸出與服務(wù)輸出是植物工廠的新盈利方向。今年5月，四維生態(tài)科技（杭州）有限公司與一家沙特企業(yè)簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方將共同在沙特及中東地區(qū)開發(fā)植物工廠。江南大學(xué)助理研究員、食品科學(xué)與工程專業(yè)艾斯卡爾·艾拉提博士建議，頭部植物工廠可通過參股新建工廠的產(chǎn)業(yè)合作模式，吸引社會資源投入，推動新建項(xiàng)目順利實(shí)施。

為解決人才短缺問題，產(chǎn)教融合成為植物工廠人才培養(yǎng)的重要路徑。目前，我國開設(shè)設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程專業(yè)的高校有30多所，但跨學(xué)科融合力度普遍不足，難以有效培養(yǎng)植物工廠領(lǐng)域所需的復(fù)合型人才。

“植物工廠建設(shè)，還要發(fā)揮好科技型企業(yè)創(chuàng)新主體作用，強(qiáng)化與高校、科研機(jī)構(gòu)的深度合作，加快將科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力。”上海市農(nóng)業(yè)農(nóng)村委員會科學(xué)技術(shù)處處長徐杰建議。

“要大力推動建立‘植物工廠人才服務(wù)站’，鼓勵(lì)高技能人才進(jìn)廠開展柔性服務(wù)。”無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院旅游烹飪學(xué)院副院長、副教授孫德偉博士對記者說，可依托頭部企業(yè)建設(shè)“植物工廠技能大師工作室”，以平臺建設(shè)更好賦能植物工廠發(fā)展。

中國工程院院士、國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心主任趙春江曾指出，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)，是我國在推進(jìn)智慧設(shè)施園藝技術(shù)裝備方面的創(chuàng)新發(fā)展方向。

具體該如何以智能化、數(shù)字化賦能植物工廠建設(shè)呢？楊其長建議，要通過智能感知、數(shù)據(jù)分析和自動控制等技術(shù)手段，讓人工智能優(yōu)化種植技術(shù)方案、改進(jìn)管理方式，實(shí)現(xiàn)與硬件設(shè)備的高效協(xié)同調(diào)控。上海市農(nóng)業(yè)農(nóng)村委員會黨組成員、副主任夏明林認(rèn)為，要研發(fā)柔性農(nóng)業(yè)機(jī)器人，創(chuàng)設(shè)生產(chǎn)型植物工廠，實(shí)現(xiàn)茄果、葉菜等溫室生產(chǎn)智慧決策和智能控制。

“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展至今，已和人工智能、光學(xué)、建筑學(xué)、能源科學(xué)、機(jī)械制造等密不可分。”中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、國家中藥材體系崗位科學(xué)家賀冬仙表示，植物工廠不再是單一學(xué)科，而是需要眾多學(xué)科研究者攜手突破的前沿交叉領(lǐng)域。“唯有多方共同努力，才能為我國乃至全球的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量！”賀冬仙說。

記者手記丨看見未來農(nóng)業(yè)的模樣

李均

AI正在把植物工廠升級為“自主思考的垂直農(nóng)場”。

近日，上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院與上海交通大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的專利技術(shù)，正式在草莓植物工廠建模應(yīng)用中落地。

傳統(tǒng)AI模型在指導(dǎo)草莓種植時(shí)，常出現(xiàn)“幻覺”問題，例如，誤判適宜生長溫度、錯(cuò)誤推薦施肥配比等，給種植者造成經(jīng)濟(jì)損失。而這項(xiàng)新技術(shù)把AI的“幻覺”關(guān)進(jìn)籠子。

AI與農(nóng)業(yè)碰撞，帶來無限可能。

今年，“多多農(nóng)研科技大賽”已舉辦第五屆。目前，晉級決賽的四支隊(duì)伍已進(jìn)入測試種植賽段，他們在科技農(nóng)業(yè)的掌控力、人工光種植、AI應(yīng)用和生態(tài)育苗等方面表現(xiàn)突出。例如，上海交通大學(xué)領(lǐng)銜的莓立方隊(duì)開發(fā)了一套智能種植系統(tǒng)，可根據(jù)草莓的生長特性建立數(shù)字模型，自動、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)植物工廠里的光、溫、濕等環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)“算法提前彩排，現(xiàn)實(shí)照抄答案”。

AI技術(shù)也逐步滲透至植物工廠的各個(gè)環(huán)節(jié)，成為降本增效的關(guān)鍵變量。在環(huán)境控制方面，AI算法通過實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，結(jié)合蔬菜生長模型動態(tài)調(diào)整設(shè)備參數(shù)；在病蟲害預(yù)警領(lǐng)域，AI與機(jī)器視覺技術(shù)相結(jié)合，通過高清探頭每日掃描植株葉片，較人工巡檢提前3到5天發(fā)現(xiàn)異常。

未來，AI技術(shù)的深度應(yīng)用，將進(jìn)一步突破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)經(jīng)驗(yàn)依賴的局限，在解決糧食安全、城市應(yīng)急保供、拓展種植邊界等方面發(fā)揮獨(dú)特作用。對于人口密集、耕地緊張的都市來說，植物工廠將成為未來農(nóng)業(yè)的重要補(bǔ)充。