前言

近年来，人工光型植物工厂和垂直农场技术越来越受到关注，但利用人工光型植物工厂生产的蔬菜成本较高，同时该技术所赋能的社会作用仍备受争议。现有的人工光型植物工厂的生产成本主要由系统折旧（前期投入）、人工成本（工作时间）和电费组成。自2016年以来，植物工厂生产生菜的产出投入比（销售收入/生产成本）、劳动效率（kg/h）、电能产出（kg/kWh）、单位栽培面积的生产效率（kg/m2）显著提升。这与产业界对导入LED灯具、自动化设备和自动生产管理软件等新技术的应用有密切关系，其他国家也有类似发展趋势。然而，即使是日本的人工光型植物工厂也很少采用人工智能（AI）、物联网、表型组学、太阳能发电以及DNA分子育种等先进技术。

通过集成上述先进技术而开发的下一代人工光型植物工厂可以大幅度提高生产效率。下一代人工光型植物工厂将有望解决当今由于城市人口增加和农业就业人口减少、耕地/肥沃土地面积和水资源的供应短缺以及不断变化的脆弱气候所带来的涉及功能食品、环境、资源和生活质量等方面的社会问题与经济问题。下一代人工光型植物工厂可以大幅度提高当地生产水平，并直接供应地方消费，减少农产品运输里程以及由运输、储存产生的生鲜损耗与化石燃料消耗。为此，面向2030年将要实现的17个可持续发展目标（SDG）的重要技术组成将在未来社会中发挥重大作用[2]。

文章讨论了为实现可持续发展目标而设计的下一代人工光型植物工厂的观点、挑战和机遇，同时指出目前仍处于人工光型植物工厂技术的初级发展阶段。为此，文章对日本现有的人工光型植物工厂的生产成本和生产效率进行了分析，并从环境可控性和资源利用效率的角度分析了如何提高系统生产力。此外，文章针对下一代人工光型植物工厂的基本特征和潜在特性，提出了未来关键技术的研发建议。

人工光型植物工厂的生产成本和生产效率

人工光型植物工厂的定义

人工光型植物工厂需满足以下6个条件：①所有墙体和屋顶不透光，人工光是栽培室的唯一光源；②在标准作业条件下，栽培室气密性良好；③墙体和地板为隔热材料；④水培生产方式；⑤穿消毒服的工人经由风淋室后方可进入栽培区（清洁区）；⑥严格检测与控制病原体、昆虫和细菌繁殖与生长使之处于最低水平。日本的人工光型植物工厂主要用于生产市场需求量较大的叶菜。文章以下各部分数据均来自于满足这6个条件的人工光型植物工厂。

人工光型植物工厂与垂直农场的重要区别在于是否以人工光源作为唯一光源。垂直农场以透过玻璃窗的太阳光作为光源进行室内植物栽培，故垂直农场常使用楼顶温室作为栽培设施。图1展示了现有的商业化人工光型植物工厂的主要环境特征。栽培室具有一定高度但不完全密闭。为避免挥发性有机物（VOC）造成栽培室内有害气体的积累，少量空气渗漏是必要的。有机酸和芳香类物质有时会从植物根部释放到营养液中，因此还需将栽培床和栽培室内等潮湿表面的藻类繁殖控制到最低水平。

对于人工光型植物工厂而言，以下条件是理想的，但不是强制性的：①经植物蒸腾作用而散失的水蒸气经过空调冷凝后被收集，然后再被循环用于灌溉等；②营养液通过生物过滤池、微孔/膜滤池等设施进行过滤，并经紫外线、臭氧消毒灭菌后再循环使用；③栽培室（清洁区）收获和包装的产品需通过双重门传递出来，补给品也应通过双重门传递进去。

栽培床必须使用无机肥料（如果生产需要也可利用微生物分解有机肥料，并将其制成无机肥料）[3]。应当注意，所有含有叶绿素的绿色叶片均可自养生长，尽管植物可以吸收少量的有机营养物质，如氨基酸、维生素和糖（葡萄糖，果糖等），并不需要从根部吸收任何有机营养物质。

图1 现有人工光型植物工厂的主要环境特征注：＊VOC:挥发性有机物，＊＊VPD:水蒸气饱和压差，＊＊＊PFD:光量子通量密度

生产成本

日本的商业化人工光型植物工厂的设备折旧（前期投入）、人工成本（或工作时间）、电费、利润分别占年销售额的26%、21%、18%、11%，其余为消耗品（6%）、物流（5%）、种子（2%）、其他（11%）[4-5]。因此，降低设备折旧、人工成本和电费等主要成本对降低总生产成本至关重要。

资源生产力和投资生产力[5]

人工光型植物工厂在单位种植面积的生产效率约为0.25～0.33 kg/(m2·d)或91 kg/(m2·a)，单位工作时间和电力消耗的生产效率约为7.7～10 kg/h和0.11～0.14 kg/kWh。单位栽培面积和时间的生产效率可以按照kg/(m3·d)的单位换算为栽培空间生产力。

文章来源：《下一代英才》 网址: http://www.xydbjb.cn/qikandaodu/2020/1124/1268.html