2017.4人工光植物工廠生產(chǎn)成本構(gòu)成和經(jīng)濟(jì)效益分析張宇1，肖玉蘭2（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展研究所 ，北京 ，100081；2.浙江清華長三角研究院 ）隨著世界人口的不斷增長 ， 農(nóng)產(chǎn)品需求數(shù)量的逐年上升和資源與環(huán)境問題的日益突出 ， 迫切需要發(fā)展生產(chǎn)環(huán)境可控的設(shè)施農(nóng)業(yè) 。 植物工廠作為一種顛覆傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植的全新方式 ，不受土地 、氣候等自然條件的限制和影響 ，可完全按照計(jì)劃 、精準(zhǔn)定時(shí) 、定量生產(chǎn)出無污染的種苗及蔬菜 、花卉等作物 ，受到了前所未有的關(guān)注1。 植物工廠是由計(jì)算機(jī)對作物生育過程的溫度 、 濕度 、 光照 、CO2濃度 、營養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行自動控制 ，周年連續(xù)生產(chǎn)的高效工廠化農(nóng)業(yè)系統(tǒng) ；是集生物技術(shù) 、設(shè)施園藝技術(shù) 、植物生理 、植物栽培工程 、現(xiàn)代裝備工程 、環(huán)控信息技術(shù)的高科技產(chǎn)業(yè)2，對解決世界資源 、環(huán)境問題 ，保障食品安全 ，提高農(nóng)業(yè)資源利用率 ， 減緩農(nóng)業(yè)環(huán)境污染等方面具有重要的戰(zhàn)略意基金項(xiàng)目 ：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （71173221）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目 （ASTIP-IAED-2015-07）；浙江省嘉興市科技計(jì)劃項(xiàng)目 （2013BY26004）張宇 （1984-），女 ，博士 ，助理研究員 ，主要從事農(nóng)業(yè)資源環(huán)境經(jīng)濟(jì) 、都市農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究 ，電話 ：18500237029，E-mail：zhangyucaas.cn肖玉蘭 ，通訊作者 ，女 ，博士 ，教授 ，主要從事植物環(huán)境調(diào)控 、植物工廠研究 ，電話 ：15821217246，E-mail：ylxiao2007163.com收稿日期 ：2016-12-13摘 要 ：人工光植物工廠作為技術(shù)高度密集 、資源高效利用的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式 ，在日本 、美國 、韓國 、中國及北歐一些國家和地區(qū)正迅速發(fā)展并逐漸形成產(chǎn)業(yè) 。 在世界人口不斷增長 ，資源和環(huán)境問題日益突出 ，環(huán)保意識和食品安全受到高度重視的今天 ， 植物工廠風(fēng)潮的興起是順天應(yīng)人 ， 但植物工廠較高的投資成本與運(yùn)行成本使得產(chǎn)品售價(jià)偏高 。 因此 ，闡述了發(fā)展植物工廠的意義 ，剖析了人工光植物工廠的基本組成要素和生產(chǎn)成本構(gòu)成 ，分析了植物工廠的經(jīng)濟(jì)效益 ，針對植物工廠面臨的問題 ，提出了提高其經(jīng)濟(jì)效益的對策和途徑 。關(guān)鍵詞 ：植物工廠 ；人工光源 ；組成要素 ；固定資產(chǎn) ；運(yùn)行成本 ；經(jīng)濟(jì)效益 ；商業(yè)模式中圖分類號 ：S625.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ：A 文章編號 ：1001-3547（2017）04-0034-07DOI:10.3865/j.issn.1001-3547.2017.04.015肖玉蘭博士 、教授 ，主要從事植物環(huán)境調(diào)控 、植物工廠和組織培養(yǎng)研究 ，曾師從日本千葉大學(xué)古在豐樹教授 世界著名生物環(huán)境調(diào)控和植物工廠研究領(lǐng)域科學(xué)家 ， 系統(tǒng)進(jìn)行了植物微環(huán)境調(diào)控和植物工廠的學(xué)習(xí)和研究 ， 在植物工廠和植物無糖組培快繁方面做了大量的研究和實(shí)踐工作 。主持和參與了國家科技部 、國家外專局 、上海市科委 、浙江省科技廳下達(dá)的多項(xiàng)科研項(xiàng)目 。以第一完成人獲發(fā)明專利 7 項(xiàng) （其中植物無糖培養(yǎng)專利獲第十三屆全國發(fā)明展覽會金獎 ），獲省科技進(jìn)步獎 2 項(xiàng) ，市科技進(jìn)步獎 2 項(xiàng) 。 云南昆明市中青年學(xué)術(shù)帶頭人 ，昆明市優(yōu)秀專家 ，嘉興市十佳創(chuàng)業(yè)女青年 ，嘉興市新世紀(jì)專業(yè)技術(shù)帶頭人 ，江蘇省高層次科技創(chuàng)新人才 ，在國內(nèi)外發(fā)表論文 40 多篇 （其中 15 篇被 SCI 收錄 ，2 篇被EI 收錄 ），出版專著 4 本 ，獨(dú)著 1 本 ， 參編 3 本 。 Plant Cell Tiss OrganCult，Scientia Horticulturae，HortScience 等多家雜志論文審稿專家 。34- -2017.4義和實(shí)用價(jià)值 。 因此 ，植物工廠被認(rèn)為是未來解決資源緊缺 、新生代勞動力不足 、食物需求不斷上升等問題的重要途徑 ，也是未來航天工程 、月球和其他星球探索過程中實(shí)現(xiàn)食物自給的重要手段3。日本千葉大學(xué)的古在豐樹教授把植物工廠分為 3 種類型 ，即人工光型 、陽光型 、陽光和人工光混合型 。 本文所討論的植物工廠是指人工光植物工廠或稱為密閉型植物工廠 ， 是完全使用人工光源 ，具有環(huán)境高度可控 ，多層立體培養(yǎng) ，工業(yè)化 、標(biāo)準(zhǔn)化 、周年生產(chǎn)等特點(diǎn) 。 人工光植物工廠作為環(huán)境因子控制精度最高的設(shè)施園藝典范 ， 多年來一直被國際公認(rèn)為是設(shè)施園藝的最高級發(fā)展階段 ，是衡量一個(gè)國家農(nóng)業(yè)高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一2。目前世界上對植物工廠關(guān)注度比較高的國家和地區(qū)有日本 、韓國 、新加坡 、北歐及中國臺灣等 ，當(dāng)然科技巨頭美國也在相關(guān)領(lǐng)域投入技術(shù)研發(fā) 。日本是目前在植物工廠發(fā)展方面處于領(lǐng)先的國家 ，為擺脫土地對發(fā)展的限制 ，打造不依賴土地的生產(chǎn)方式 ， 同時(shí)也為緩解農(nóng)業(yè)勞動人口數(shù)量減少及日趨老齡化的沖擊 ， 開發(fā)與大都市空間相適應(yīng)的新鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)體系 。 日本政府從 2008 年開始啟動植物工廠發(fā)展 計(jì)劃 ，由農(nóng)林 水產(chǎn)省出 資1 000 億日元 、 經(jīng)濟(jì)貿(mào)易工業(yè)省出資 500 億日元補(bǔ)助科研單位 、 企業(yè)和農(nóng)戶 ，5 a 間新增了 100 多座植物工廠4，并在全國建立了多處示范型植物工廠基地 ， 供研究 、示范 、推廣應(yīng)用等 。 日本國內(nèi)的日立和三菱等重工企業(yè)在政策的大量刺激下也開始投入重金研發(fā) 。 到 2016 年 3 月 ， 日本的人工光植物工廠已發(fā)展到 246 個(gè) ，其中 30%盈利 、50%持平 、 20%虧損經(jīng)營 ，涉及植物種類不僅有生菜 、菠菜 、冰草等葉菜 ，還有草莓 、藥草和種苗等 。 2000年后 ，我國植物工廠產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展 ，僅 2016 年上半年投入運(yùn)行的人工光植物工廠就有 20 座以上 ，但是 ，我國植物工廠規(guī)模普遍偏小 （多小于 200 m2），生產(chǎn)植物以葉菜為主 ， 環(huán)控技術(shù)裝備水平參差不齊 ，以示范展示性和研究性植物工廠居多 ，商業(yè)化運(yùn)行的植物工廠較少 ，亟待大力推進(jìn) 。植物工廠作為一種技術(shù)高度密集 、 資源高效利用的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式 ，具有產(chǎn)量高 、土地利用率高 、 產(chǎn)品安全無污染 、 自動化程度高等突出優(yōu)勢 ，目前在國內(nèi)外具有廣泛的應(yīng)用需求 。 然而植物工廠的推廣應(yīng)用也面臨著諸多問題 ，如成本過高 、能耗較大 、經(jīng)濟(jì)效益欠佳等 。 能耗和運(yùn)行成本過高的問題已成為制約植物工廠推廣的一大 “瓶頸 ”46。而對于經(jīng)濟(jì)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)相對落后的國家來說 ，純生產(chǎn)型植物工廠企業(yè)盈利前景還不夠明朗 ， 仍然有很長的一段路要走 。 迄今 ，植物工廠與其出產(chǎn)的蔬菜仍被認(rèn)為是 “貴族蔬菜 ”，很難普及 。 除了缺乏銷售渠道外 ，主要的原因在于相對高昂的售價(jià) 。 因此 ， 很有必要對植物工廠的成本和經(jīng)濟(jì)效益作一個(gè)綜合的分析 。1 植物工廠的基本組成要素和生產(chǎn)成本構(gòu)成人工光植物工廠是密閉式的系統(tǒng) ， 不受或很少受外界氣候變化的影響 ， 其植物產(chǎn)量和質(zhì)量主要取決于環(huán)境調(diào)控與管理技術(shù)的整體水平 。 因此 ，植物工廠必須具有 “工廠 ”的基本屬性 ，要求植物生長發(fā)育的環(huán)境因子 、 水肥供給等均可全程自動化調(diào)控 ， 并具有一定的植物生產(chǎn)流程的空間自動管理功能 ，可實(shí)現(xiàn)植物工廠化 、規(guī)?；咝a(chǎn) 。人工光植物工廠的基本組成要素和生產(chǎn)成本主要由以下部分構(gòu)成 。1.1 植物工廠的基本組成要素和固定資產(chǎn)投資廠房基本建設(shè) 人工光植物工廠要求保溫 、密閉 、潔凈 ，一般由栽培車間 、作業(yè)室 、貯藏室 、控制室 、更衣室等房間構(gòu)成 。 為了室內(nèi)氣溫波動最小化以及防止出現(xiàn)結(jié)露 ， 常采用不透光的絕熱材料作為圍護(hù)結(jié)構(gòu) 。 對于寒冷地區(qū)來說 ，還應(yīng)隔斷地面的傳熱 。 人工光植物工廠圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)為 0.10.2 W/（m2K）；栽培室的換氣次數(shù)為 0.010.02 次 /h7。 植物工廠實(shí)行高度保溫和密閉不只是為了防止室外的昆蟲 、 微生物以及小動物進(jìn)入室內(nèi) ，減少室內(nèi)水蒸氣和熱量散失 ，同時(shí)也是為了防止室內(nèi) CO2流失到室外 （ 室外大氣的 CO2濃度僅有 400 mol/mol）。 植物工廠的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 、功能分區(qū) 、密閉性都很重要 ，直接關(guān)系到植物工廠初裝成本 、運(yùn)行成本及能耗 ，也關(guān)系著生產(chǎn)效率 。 植物工廠廠房基本建設(shè)包括采用保溫防火材料 （例如彩鋼板 ）搭建各生產(chǎn)車間 ，并進(jìn)行墻壁及地面的保溫及防菌處理 。 為了保證產(chǎn)品安全和操作人員的健康 ，應(yīng)選擇環(huán)保 、不產(chǎn)生揮發(fā)性氣體的建筑材料 。35- -立體多層栽培系統(tǒng) 立體多層栽培系統(tǒng)包括栽培架 、栽培床或苗床 、栽培板 、穴盤等 ；利用立體多層栽培系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)土地的高效利用 ， 栽培層數(shù)越多 ，則土地的利用率越高 。 如果為栽培架配置高反射材料制作的反射板 ， 栽培床上的光強(qiáng)可以顯著提高 。 例如 ， 白色栽培板的光反射率約為80%，可以有效提高光能的利用率 。 另外需注意的是 ， 栽培架最頂層應(yīng)與屋頂保持一定距離 （至少30 cm）， 以利于屋頂空氣流動 ， 如果栽培車間內(nèi)的空氣流動性能差 ， 會使得栽培車間在垂直方向上出現(xiàn)溫差 ，影響植物生長 。營養(yǎng)液供給系統(tǒng) 植物工廠大多采用水培或基質(zhì)栽培方法 ，如今 ，以 NFT（營養(yǎng)液膜技術(shù) ）、DFT（深液流技術(shù) ）或潮汐式灌溉方式為基礎(chǔ)的多種立體無土栽培供液系統(tǒng)及其裝備已經(jīng)開發(fā)出來 ，適合葉菜 、根莖類植物生產(chǎn) 。 營養(yǎng)液儲存供給系統(tǒng)主要包括營養(yǎng)液貯液裝置 、循環(huán)泵 、供液回液管路 、過濾裝置 、殺菌裝置 （紫外線 、臭氧 、過濾膜 ）等 。CO2供給系統(tǒng) CO2是植物進(jìn)行光合作用的最重要的因素之一 。 為了提高植物的光合作用 ，促進(jìn)植株的生長發(fā)育 ， 在光期及時(shí)補(bǔ)充植物工廠內(nèi)的 CO2是非常必要的 。 一般情況下 ，當(dāng)栽培車間內(nèi) CO2濃度維持在 8001 000 mol/mol 時(shí) ， 就能有效促進(jìn)植物的光合作用 ，獲得較高的產(chǎn)量8。CO2供給系統(tǒng)包括二氧化碳鋼瓶 、壓力閥 、流量計(jì) 、電磁閥 、 供氣管道等 ?？照{(diào)通風(fēng)系統(tǒng) 人工光植物工廠的空調(diào)主要用于降溫 、循環(huán)空氣 、調(diào)節(jié)濕度等 。 家用空調(diào)的種類和功能都非常完善 ，可以直接用于植物工廠 。植物工廠室內(nèi)的氣溫一般控制在 2025。 但在光期 ，栽培架內(nèi)空氣溫度會高于室內(nèi) ，因此 ，促進(jìn)栽培架內(nèi)的空氣流動是必須的 ， 不僅能降低植物栽培層內(nèi)的溫度并調(diào)節(jié)濕度 ， 而且能有效促進(jìn)CO2的供給 ，從而提高植物的光合速率和生長 。 空調(diào)的能耗是人工光植物工廠能耗的一個(gè)重要部分 ，為減少降溫耗電量 ，也可采用風(fēng)機(jī)空調(diào)協(xié)同降溫的方法 ，又稱光溫耦合節(jié)能調(diào)溫技術(shù)9，即當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度時(shí) ， 引進(jìn)室外低溫空氣進(jìn)行植物工廠降溫 ， 充分利用室外冷源以降低空調(diào)能耗并補(bǔ)充 CO2。 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)包括空調(diào) 、風(fēng)機(jī) 、通風(fēng)管道 、空氣過濾裝置 、風(fēng)扇以及空氣凈化器等 。照明系統(tǒng) 照明系統(tǒng)是人工光植物工廠核心裝備 。 光是植物環(huán)境信號和光合作用能量的唯一來源 ， 許多因素都可能導(dǎo)致植物工廠內(nèi)光環(huán)境（光照強(qiáng)度 、光照時(shí)間 、光譜組成 、照射方向 ）不能滿足植物生長發(fā)育需求 ， 所以光環(huán)境的調(diào)控非常必要 ， 其光譜組成直接影響著植物的生產(chǎn)效率和品質(zhì) 。 熒光燈是傳統(tǒng)光源 ，LED 燈是新型光源 。LED 燈具有熒光燈無法比擬的優(yōu)勢 ，包括 ：a.節(jié)省能源 ，與傳統(tǒng)的熒光燈相比 ，可節(jié)省 50%以上的能源 ；b.可按植物光合作用和生長發(fā)育需求調(diào)制光譜 ，按需用光 ，生物光效高 ；c.為冷光源 ，可貼近植物照 射 ，提 高 空 間 利 用 率 ；d.環(huán) 保 、長 壽 命 ，可 用3 萬 5 萬 h、體積小 、質(zhì)量輕 ，適宜植物的工廠化生產(chǎn) 。 一般而言 ，栽培床面的光照強(qiáng)度或光合有效光量子密度為 100300 molm-2s-1， 可根據(jù)培養(yǎng)植物的種類對光強(qiáng)的需求來配置 。 照明系統(tǒng)主要包括光源燈具 、懸掛裝置 、電源 、電線 、配件等 。濕度控制系統(tǒng) 植物工廠栽培室內(nèi)空氣的相對濕度一般維持在 70%80%。 如今工業(yè)和民用的加濕設(shè)備種類繁多 ，且功能齊全 ，只需根據(jù)培養(yǎng)植物種類的需求配置 。實(shí)際上 ，溫度 、濕度 、氣體的流通速度都會影響植物的蒸騰速率和光合作用 ，例如 ，當(dāng)室內(nèi)氣溫為 20，栽培室內(nèi)空氣的相對濕度應(yīng)維持在 80%（飽和蒸汽壓差為 0.5 kPa） 時(shí)對植物光合速率比較有利 ，同時(shí) ，為了使室內(nèi)空氣分布均勻 ，即使不降溫時(shí) ，也應(yīng)將空調(diào)設(shè)定在送風(fēng)模式下運(yùn)行 。 濕控系統(tǒng)包括加濕器 、加濕管道 、控制系統(tǒng)等 。自動控制系統(tǒng) 自動控制系統(tǒng)由檢測 、執(zhí)行 、控制機(jī)構(gòu)組成 ，控制因子包括溫度 、濕度 、光照 、CO2濃度 、氣流 、營養(yǎng)液供給等多種生產(chǎn)要素 ，在很大程度上控制智能化水平的高低決定著植物工廠的運(yùn)行效率 。 智能環(huán)境控制以植物生長環(huán)境控制為基礎(chǔ) ， 特別需要以環(huán)境因子耦合控制下的植物生理響應(yīng)效應(yīng)作為依據(jù) ， 需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù) ， 不同植物種類 、 不同的生長階段環(huán)境控制的參數(shù)不同 ，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié) 。 在環(huán)境控制要素中 ，最重要的是養(yǎng)分和光照 。 養(yǎng)分和光照是 2個(gè)既具有數(shù)量屬性 ，又具有質(zhì)量屬性的環(huán)境要素 ，智能控制難度較大 ， 其控制策略具有時(shí)間和空間要求 ，也需要和其他環(huán)境要素耦合統(tǒng)籌控制2。 綜合環(huán)境調(diào)控還包括提高投入資源的利用效率 ，將2017.436- -植 物活體檢測信息應(yīng)用于環(huán)境調(diào)控以及植物生長速率的檢測和控制7。 自動控制系統(tǒng)包括軟件 、硬件兩部分 ，硬件包括溫度 、濕度 、光照強(qiáng)度 、氣流速度 、EC、pH、CO2濃 度 等 各 種 環(huán) 境 因 子 傳 感 器 及PLC 控制器 、PC 機(jī) 、變送器 、攝像機(jī) 、物聯(lián)網(wǎng)等 。植物生產(chǎn)空間管控系統(tǒng) 立體多層規(guī)模化量產(chǎn)的植物工廠 ， 還需配備植物生產(chǎn)空間管控系統(tǒng) ，包括植物移栽定植裝置 、植物空間水平垂直移動傳輸設(shè)備 、光源燈具水平垂直移動傳輸設(shè)備 ，以及機(jī)械化自動升降機(jī) 、 自動收獲等生產(chǎn)管理裝備等 。 植物生產(chǎn)空間管控系統(tǒng)是植物工廠規(guī)?；a(chǎn)流水線作業(yè)的主體裝備 ， 有利于提高生產(chǎn)效率和管控水平 ，解決植物工廠內(nèi)病原菌污染 、高空作業(yè)安全隱患的問題 ，降低勞動強(qiáng)度和勞動力成本 。1.2 植物工廠的運(yùn)行成本電力消耗 人工光植物工廠的能耗主要包括人工光源 （80%）、空調(diào) （16%）及營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng) （4%）等10。 為減少系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用 ，在人工光源節(jié)能技術(shù)基礎(chǔ)上 ， 如何減少植物工廠空調(diào)的能耗 ，主要包括采用 LED 燈 ，熱泵調(diào)溫技術(shù) 、光溫耦合節(jié)能調(diào)溫技術(shù)等 。 隨著 LED 燈價(jià)格的不斷下降 ，越來越多的植物工廠正在選用 LED 燈作為人工光源 。人工費(fèi) 人工費(fèi)在植物工廠的成本中占20%30%，而且每年都有上漲趨勢 。 規(guī)模越小的植物工廠 ，人工成本所占的比例就越高 ，因?yàn)殡y于安裝機(jī)械化和自動化的處理系統(tǒng) 。 如今 ，日本等國不斷研發(fā)機(jī)械化和自動化設(shè)備以用及機(jī)器人代替人工 ， 以降低勞動力成本 。 在生產(chǎn)能力超過每天10 000 株綠葉菜的大型植物工廠 ， 自動化處理操作成為降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵 。 自動收集和分析各種數(shù)據(jù) ，包括環(huán)境 、植物生長 、移植 、收獲 、資源消耗和成本 、運(yùn)輸和銷售等 。 許多先進(jìn)的自動化技術(shù)正應(yīng)用于植物工廠中 ，包括智能機(jī)器人 、遙感 、圖像處理 、云計(jì)算 、大數(shù)據(jù)分析和三維建模等 ?；静牧腺M(fèi) 材料包括種子 、 肥料和培養(yǎng)基質(zhì)等 ，種子是最基本的生產(chǎn)資料 ，種子的種類和質(zhì)量直接影響植物產(chǎn)品的成本 。 品種不同 ，種子價(jià)格和發(fā)芽率不同 。 種子的發(fā)芽率可通過發(fā)芽試驗(yàn)測得 ，一般種子包裝袋上也都有明確標(biāo)示 。 種子發(fā)芽率越高 ， 則生產(chǎn)成本越低 。 肥料主要采用雜質(zhì)少 、純度高的產(chǎn)家生產(chǎn)的肥料 。 培養(yǎng)基質(zhì)主要有海綿 、巖棉 、蛭石 、泥炭土 、沙等 。對于種苗生產(chǎn)來說 ，還需配備種苗專用穴盤 ， 根據(jù)不同的栽培密度采用不同規(guī)格的穴盤 ，如 50、72、128、288 穴等 。采用不同孔數(shù)的穴盤 ， 直接影響穴盤使用量和基質(zhì)數(shù)量 。其他成本還有與生產(chǎn) 、 銷售聯(lián)系發(fā)生的辦公管理費(fèi) 、通訊費(fèi) 、交通費(fèi)等 。 本文重點(diǎn)討論直接生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)效益 。1.3 植物工廠生產(chǎn)成本的構(gòu)成比例在日本 ， 設(shè)備折舊費(fèi)約占 25%、 勞動力占25%、 電力成本占 30%、其余成本占 20%11。 圖 1表示的是日本一個(gè)日產(chǎn) 7 000 株生菜規(guī)模的植物工廠的成本構(gòu)成比例 。 經(jīng)濟(jì)壽命計(jì)算折舊 ，不同國家有所不同 ，在日本 ，人工光植物工廠的建筑折舊是 15 a，設(shè)備是 10 a，LED 燈 5 a。在中國 ，對于面積小于 200 m2的人工光植物工廠而言 ，植物工廠設(shè)備折舊費(fèi)約占 28%、勞動力占 30%、電力成本占 30%、其余成本占 12%（數(shù)據(jù)來源于上海離草科技有限公司和嘉興華斌農(nóng)業(yè)科技有限公司 ）。 經(jīng)濟(jì)壽命計(jì)算折舊 ，一般而言 ，人工光植物工廠的建筑折舊是 15 a， 設(shè)備是 8 a，LED燈 3 a。2 植物工廠經(jīng)濟(jì)效益分析理論上 ， 植物工廠立體形式使栽培面積提高了幾倍甚至幾十倍 ，由于環(huán)境可控 ，實(shí)現(xiàn)了周年不2017.4圖 1 植物工廠生產(chǎn)成本構(gòu)成注 ：1.生產(chǎn)能力 7 000 株 /d，生菜單株質(zhì)量 80 g；2.運(yùn)送成本較高是由于長距離運(yùn)輸造成 ；3.肥料基質(zhì)等其他費(fèi)用構(gòu)成為肥料 、基質(zhì)等 3%，種子 2%，水 1%，燈具更換 1%，辦公用品 1%，土地租金 1%，其他 1%。G1G2 G3G4G2 G5G6G7G8G9GAGBGCGDGEGF G10G11G12G13G14G15G16G17G1829%26%23%12%10%37- -間 斷栽培 ，栽培周期縮短 、品質(zhì)提高 、植物產(chǎn)量也相應(yīng)成倍提高 。 例如生菜 30 d 就可收獲 ，比大田栽培至少縮短了 50%生長周期 。 尤其是植物工廠還具有觀光效益 ， 使植物工廠取得了比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)同等面積高出幾十倍甚至上百倍的經(jīng)濟(jì)效益 。 然而 ，植物工廠的發(fā)展亦面臨諸多問題 ，需要認(rèn)真對待 ， 較高的建設(shè)成本和運(yùn)行成本是植物工廠發(fā)展的瓶頸 。首先 ， 植物工廠建設(shè)成本高 ，比日光溫室 、連棟溫室高出很多 ，一般在 6 000 元 /m2以上 ，一個(gè)200 m2的人工光植物工廠 ， 建設(shè)成本在 150 萬元以上 。日本則更高 ，每 1 m2都在 1.5 萬元人民幣以上 。 其次 ，植物工廠運(yùn)行成本較高 ，特別是能耗和人工成本高 ，由于植物工廠采用的是人工光源 ，能耗問題一直以來都是影響其發(fā)展的瓶頸 ， 其中主要的能耗來自于照明 （約占 80%），另外 ，環(huán)境控制系統(tǒng)運(yùn)行 （空調(diào) 、氣流 、營養(yǎng)液供給等 ）都需要消耗電能 ；人工方面 ，自動化程度低 ，移栽定植 、育苗 、收獲都需要人工 。 在植物工廠發(fā)展處于世界領(lǐng)先水平的日本 ， 生菜生產(chǎn)成本約 100 日元 /100 g，零售價(jià) 180200 日元 /100 g，價(jià)格是傳統(tǒng)方式種植基地生菜的 2 倍 。 在中國臺灣 ，用人工光植物工廠生產(chǎn) 1 株生菜約 70 g 的成本是 4756 新臺幣 ，零售價(jià)為 81420 新臺幣12（1 新臺幣約合 0.213 3 元人民幣 ）。據(jù)上海離草科技有限公司提供的數(shù)據(jù) ，1 個(gè)200 m2小 型 的 植 物 工 廠 ，栽 培 架 為 4 層 ，生 產(chǎn)1 000 株水培生菜 ，每株質(zhì)量 7080 g，周期 30 d，成本如下 ： 折舊 1 650 元 ，營養(yǎng)液 、種子 （國產(chǎn)種子 ）、CO2等 180 元 ，用電 1 750 kWh（每 1 kWh電以 1 元計(jì)算 ），人工費(fèi) 1 800 元 ，其他 600 元 ，共計(jì) 5 980 元 ；平均每株生菜的直接生產(chǎn)成本約為 6元人民幣 。 所以 ，1 株生菜需賣到 10 元以上才有盈利 ?？梢钥闯?，200 m2以下小型化的人工光植物工廠 ，因?yàn)槠渥詣踊潭鹊?，所以人工費(fèi)最高 ，其次是電費(fèi)和折舊 。顯然 ， 目前植物工廠種植出來的蔬菜在價(jià)格上不具有市場競爭力 ， 但其銷售群體主要為一些對蔬菜品質(zhì)要求較高的少數(shù)群體 ， 暫時(shí)不可能取代傳統(tǒng)種植基地的蔬菜在市場上的主流地位 。3 提高植物工廠經(jīng)濟(jì)效益的對策和途徑植物工廠作為一種新型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式 ，正處于學(xué)習(xí)和成長階段 ， 還需要投入更多的關(guān)注和研究 。 古在豐樹1教授認(rèn)為 ，我們可以通過提高植物工廠的性能來降低生產(chǎn)成本 ，到 2021 年電力成本可以下降 50%，勞動力成本可以下降 50%，初始投資可以減少 30%， 產(chǎn)品的商業(yè)價(jià)值提高了30%， 電力照明和空調(diào)的成本可以減少約 30%。其中 ， 通過使用 LED 燈可以不斷降低生產(chǎn)成本 ，因?yàn)?LED 燈的成本有望不斷下降 ，甚至低于熒光燈 ，使用 LED 燈比熒光燈具有更多優(yōu)勢 。3.1 最初的固定資產(chǎn)投資可以通過良好的設(shè)計(jì)來減少植物工廠的設(shè)計(jì)方面具有很大的潛力 ， 一是設(shè)計(jì)高效節(jié)能的照明系統(tǒng) ，增加立體栽培的層數(shù) ，合理高效運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)流程和培養(yǎng)空間 ， 可以節(jié)省總成本 10%15%；二是充分利用城市建筑 、廢棄廠房 、倉庫 、地下空間等閑置空間 ，進(jìn)行無塵車間的改造工程 ，節(jié)省巨額新建廠房的投入 ；三是在設(shè)備成本方面 ，一個(gè)植物工廠所需的植物光源較多 ，而使用自主研發(fā)的 LED 模組以及獨(dú)特的光配方 ，無需引進(jìn)或購買 ，設(shè)備成本可降低 30%以上 。3.2 降低電耗的成本采用 LED 燈提高光能利用率 。 LED 光源作為第 4 代新型半導(dǎo)體固態(tài)冷光源 ，具有光質(zhì)純 、光效高 、波長類型豐富 、光強(qiáng)與光質(zhì)可調(diào)控及節(jié)能 、環(huán)保 、壽命長等優(yōu)點(diǎn) ，在人工光植物工廠光環(huán)境調(diào)控方面具有很好的應(yīng)用前景13。 據(jù)日本未來公司的介紹 ，在人工光植物工廠中 ，與使用熒光燈相比 ，使用 LED 燈耗電量降低了 40%，生菜的收獲量提高了 50%。 近年來 ，隨著我國 LED 產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展 ，LED 燈價(jià)格不斷降低 ， 產(chǎn)品質(zhì)量在不斷提高 ，因此 ，電耗的成本有望不斷降低 。 另外 ，利用波谷錯(cuò)峰補(bǔ)光 ，種植陰生的植物等 ，都可大大降低用電成本 50%左右 。但在植物工廠能耗結(jié)構(gòu)中 ，照明占據(jù)了 80%的比例 ， 而能耗在整個(gè)植物工廠的成本結(jié)構(gòu)中仍占 25%30%， 因此降低能耗任重道遠(yuǎn) 。而且 LED 光環(huán)境調(diào)控是個(gè)復(fù)雜的過程 ， 涉及光質(zhì) 、光強(qiáng)和光周期等的綜合調(diào)控 ，其調(diào)控直接影響著植物的生產(chǎn)效率及品質(zhì) ， 是人工光植物工廠需實(shí)現(xiàn)和滿足的技術(shù)手段 ， 必須進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究 。3.3 降低人工成本植物工廠要量產(chǎn)和規(guī)?；a(chǎn) ， 不斷提高機(jī)2017.438- -械 化和自動化水平 。 我國植物工廠的人工成本比日本高 ，主要原因其一 ，植物工廠的規(guī)模小 ，大部分植物工廠的面積都在 200 m2左右 ；其二 ，機(jī)械化和自動化程度低 ， 智能化高精度環(huán)境控制是增加植物工廠作物產(chǎn)量 、提高品質(zhì) 、降低人工成本的運(yùn)行能耗的重要因素 ；另外 ，開發(fā)植物生產(chǎn)空間自動化管控技術(shù)裝備 ， 優(yōu)化組合集成系統(tǒng)也是降低人工成本運(yùn)行能耗的重要措施 。 全球首個(gè)完全自動化的人工光植物工廠由日本 SPREAD 公司建設(shè) ， 日產(chǎn)生菜達(dá) 30 000 株 ，-胡蘿卜素含量高達(dá)2 710 g/100 g，是普通生菜的 11 倍14。3.4 提高產(chǎn)品的商業(yè)價(jià)值生產(chǎn)種苗 、功能蔬菜 、藥用植物 、珍稀特蔬菜等附加值高的各種保健植物 ；推進(jìn)高機(jī)能 、高附加價(jià)值產(chǎn)品的開發(fā) ；拓展植物工廠生產(chǎn)的植物種類 ，探明功能性活性物質(zhì)合成代謝累積的環(huán)境調(diào)控機(jī)制 ， 增加可使用部位生物量和有益化合物的含量2。日本利用植物工廠生產(chǎn)種苗就是一個(gè)成功的范例 ，日本的種苗生產(chǎn)企業(yè)的專業(yè)化程度很高 ，效益也很好 ， 特別是小型人工光利用型植物工廠在日本應(yīng)用較多 ，至 2011 年 ，應(yīng)用數(shù)量已達(dá) 260 座 ，不少農(nóng)戶家都有這種小型的植物種苗工廠 。 日本還有很多用植物工廠生產(chǎn)高附加值植物的典型范例 ， 日本村上農(nóng)園株式會社利用人工光型植物工廠進(jìn)行芽苗菜生產(chǎn) ， 主要產(chǎn)品包括結(jié)球甘藍(lán) 、芥菜 、花椰菜 、白蘿卜的芽苗菜等 ，產(chǎn)品富含蘿卜硫素 、-胡蘿卜素 、維生素 C、維生素 E 等功能性成分 ，其中花椰菜芽苗菜因富含蘿卜硫素被稱為 “超級保健品 ”14。 日本富士通半導(dǎo)體株式會社利用植物工廠生產(chǎn)用于透析腎臟病患者食用的低鉀生菜與菠菜也已經(jīng)投放市場 ， 其市場價(jià)格是普通生菜的 3 倍以上15。 日本著名化妝品品牌 “資生堂 ”旗下也有植物工廠培植蔬菜 ， 用作化妝品和藥品的原料 ； 以及三安集團(tuán)植物工廠與中科院植物所專家合作開展了紅豆杉 、牛耳草 、蛇足石杉等多種藥材的研發(fā)工作 ，用于治療多種疾病等 。3.5 良好的商業(yè)營銷模式首先 ，植物工廠是針對都市的 ，是都市農(nóng)業(yè)重要的組成部分 ， 而不是替代傳統(tǒng)溫室或開放田地的生產(chǎn) ， 植物工廠的發(fā)展為都市創(chuàng)造了新的市場和商業(yè)機(jī)會1。 植物工廠不僅可以生產(chǎn)植物產(chǎn)品 ，綠化空間 ，增加室內(nèi)含氧量 ，有效吸收室內(nèi)有害氣體 ，調(diào)節(jié)空氣濕度 ，還可以體會耕種的樂趣 ，因此 ，為了出售植物工廠的所有產(chǎn)品 ， 市場策略比 “產(chǎn)品 ”更重要 。 北京農(nóng)眾物聯(lián)科技有限公司位于北京平谷馬坊工業(yè)園區(qū) ， 該公司采取了完全不一樣的運(yùn)銷策略 ，充分發(fā)揮其植物工廠的特征優(yōu)勢 ，針對都市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)服務(wù) ，在特意化 、高附加值 、差異化的特需農(nóng)業(yè)產(chǎn)品做文章 。 公司采用 3 層立體化的空間利用方式 ，最下一層為無光暗室 ，主要培養(yǎng)食用菌 ；第 2 層為人工光培養(yǎng)車間 ，主要培養(yǎng)鐵皮石斛 、金線蓮等藥用植物 ；第 3 層采用人工光和自然光混合光源 ，種植特種蔬菜 、瓜果 、花卉以及家庭設(shè)施園藝的展示等 。 公司的盈利是多方面的 ，包括植物工廠的產(chǎn)品 、陽臺菜園 、中小學(xué)生科普教育 、植物工廠的設(shè)備和技術(shù)輸出 、 觀光 ， 因此該公司2015 年創(chuàng)造了 4 億元的產(chǎn)值 。 圖 2 是北京農(nóng)眾物聯(lián)科技有限公司 2015 年的銷售情況 （數(shù)據(jù)由北京農(nóng)眾物聯(lián)科技有限公司提供 ），從中可以看出公司的經(jīng)營模式 。由此可見 ，植物工廠盈利途徑的多樣化 ，植物工廠的市場機(jī)會 ： 一是植物工廠設(shè)備銷售與技術(shù)輸出 ，二是植物工廠生產(chǎn)的蔬果作物銷售 。 目前包括日本 、 中國臺灣在內(nèi)的全球企業(yè)在商業(yè)模式上進(jìn)行了大量探索 ，包括構(gòu)建多種植物工廠類型 、產(chǎn)品 、拓展盈利模式等 ，例如為餐廳 、辦公室 、家庭 、醫(yī)院 、社區(qū) 、學(xué)校等提供不同類型的植物工廠 ，滿足不同人群的需求 ； 增加植物工廠生產(chǎn)的植物種類 ， 充分利用植物工廠的多種功能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)盈利 。 作為一種新興的產(chǎn)業(yè) ，植物工廠有相當(dāng)大的空間來改善生產(chǎn)成本 、效率和銷售策略 ，從而獲得好2017.4G1G2G3G4G5G6G7G8G2G1G2G3G4G9GAGBGCGDGEGFG10G11G12G13G14圖 2 北京農(nóng)眾物聯(lián)科技有限公司 2015 年銷售構(gòu)成25%5%37%9%10%14%39- -的 經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)發(fā)展 。參考文獻(xiàn)1 Kozai T, Niu G, Takagaki M. 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Nowadays, the world is facing problems onresources and environment under growing population with increasing importance of food safety and environmentalprotection consciousness. Therefore, it is necessary to develop plant factory for producing high-quality foods effectively,improving the quality of life. However, the price of products from plant factory is high because of high investment andoperation costs. This paper discusses the significance of developing plant factory, describes the basic elements andconfiguration of plant factory with artificial light, and analyzes the production costs and economic benefits. Facing theproblems in the plant factory, the countermeasure and the way to increase the economic benefit is also discussed in thispaper.Key words: Plant factory; Artificial light; Configuration elements; Fixed assets; Operating cost; Economic benefit;Business model40- -