植物工厂,困在成本里?

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· 9月21日

未来农业在沙漠、远洋舰轮、宇宙飞船上种菜,植物工厂还有什么可能?

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植物工厂,困在成本里?

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图片来源@视觉中国

文|35斗

50多年后的2075年,太阳即将覆灭,世界冰天雪地,人类不得不开启“流浪地球”计划。

——这是科幻电影《流浪地球》里的故事,栖息于地下的人类只能以蚯蚓为食,日复一日,年复一年。

如果,那时候有一种农业生产方式,能够脱离气候和环境的控制,无论是在冰川、沙漠,在地震、暴风雪等自然灾害席卷之下,还是面对太阳毁灭这种终极拷问,依然岿然不动,7×24小时不间断提供蔬菜瓜果,人类将得以延续。

眼下,人工光植物工厂就是这样一种存在,正成为设施农业领域最受关注的“爆款”议题。一个直接体现是不少公司接连斩获大额融资:美国室内种植公司Gotham Green近期宣布获得3.1亿美元的E轮融资;今年1月,Plenty在E轮融资中融得4亿美元;Bowery Farming在2021年5月融得3亿美元C轮融资。

理想照进现实,却也面临诸多挑战。创新解决方案背后是高昂的建造成本和运营成本,以及可能产生的环境恢复成本。

当一项可以称之为全球战略需求的现代黑科技摆在眼前,成本会是企业选择退缩的理由吗?

答案是否定的。如今,这些“终极农业形态”的梦想家们,仍然在降本增效和场景应用的无穷探索上,不断奔跑。

一种终极农业形态?

纵观世界农业发展,从传统大田农业到温室大棚,再到科技含量更高的植物工厂。设施农业的发展史,就是一部环境控制史。

未来智农创始人白宝锁对35斗分析,“5000年的农耕文化解决的就是环境问题,通过环境控制实现栽培的工业化,做到产出最大化。” 

当下植物工厂利用计算机和电子传感器,对作物生长的温度、湿度、光照、二氧化碳和营养液等进行统一高精度自动控制,使得设施内的作物生长不受或少受自然条件制约,是最有效的调节控制作物生长环境的栽培方式。

目前,植物工厂主要分为太阳光植物工厂和人工光植物工厂。两字之差,内涵大有不同。

所谓太阳光植物工厂,顾名思义,就是在半封闭的温室环境下,主要利用太阳光或短期人工补光以及营养液栽培技术,进行植物周年生产的现代化植物种植园。

而人工光植物工厂则是在完全密闭可控的环境下,采用人工光源与营养液栽培技术,几乎不受外界气候条件影响,进行植物周年生产。

在业内的潜意识中,植物工厂就是指人工光植物工厂。在中国科学院植物研究所研究员李绍华看来,植物工厂必须具有以下三个特征:一是在房子里种庄稼,温室不算;二是人工光源,自然光不算;三是垂直农业,多层栽培,生产环境和条件都由人工控制。 

中科三安副总经理李鹏向35斗表示:人工光植物工厂与所谓的太阳光植物工厂,是“完全不同的两个工艺”,一个工业化程度很高,一个重度依赖自然环境。

首先,自然光水平种植,人工光植物工厂采用垂直种植模式,空间利用率高。据京东方后稷科技(北京)有限公司研发总监孙朝华博士向35斗提供的数据,“垂直种植有的可高达10—14层,同等占地面积下,实际有效面积可提升4.2倍,每平方米占地面积产能是自然光植物工厂的5倍左右。” 

其次,在种植效率上,人工光植物工厂采用LED光源解决了植物生长所需要的全部光,在相同的时间里面,植物光的需求最充足,生长速度要远快于太阳光植物工厂、玻璃温室等。 

最后,人工光植物工厂几乎不受外界环境气候条件的影响,可以全年无休生产。生长速度和层数加持,加上生长周期的差异,占地面积相同的人工光植物工厂能够做到温室的10倍,甚至更高。

如果借用联合国《世界人口趋势报告》的预测,到2050年,全球人口将达到98亿。这也意味着要跟上人口增长速度,全球粮食总产量必须增加一倍以上。然而在过去50年里,农业用地面积一直保持稳定,可以肯定的是在未来很长一段时间内,这一数字不会发生显著提升。

在此背景下,植物工厂的存在更具战略意义。一如孙朝华所言,“我们需要积累不依赖自然环境的种植技术和方法,植物工厂正是我们对于未来的技术和种植经验储备。

抛开产出谈成本,毫无意义

最早提出垂直农场概念的美国科学家迪克森·德波尔教授曾表示,最应该推行垂直农场的国家之一是中国,解决城市规划中头疼的城中村改造问题,为城市居民提供新鲜的农副产品,改善城市生态环境。 现在,中国已经成为全球植物工厂发展最快的国家之一。国家智慧植物工厂联盟主席、中国农业科学院智能植物工厂首席科学家杨其长曾向媒体透露:截至2020年底中国各类规模的植物工厂超过220座。

但不可忽视的是,人工光植物工厂还很小众,普及率并不高。原因在于,推广植物工厂,难的不是技术,而是如何降低建设成本和运营成本。“算不过来账”,是很多从业者对植物工厂的直接认识。 

植物工厂需要在封闭环境下进行作物生产,因此需要构建包括外维护结构、空调系统、人工光源装置、多层栽培架、营养液循环与控制系统以及计算机调节与控制系统在内的相关工程与配套装备。

前瞻产业研究院分析发现,建设一个1000平方米以下的植物工厂(包括内部装修、设备、设施),每平方米成本在15000—20000元之间;建设5000—10000平方米的植物工厂,每平方米成本在8000—10000元;建设10000平方米以上的大型植物工厂,建设成本会下降至8000元每平米。 

《植物工厂系统与实践》一书介绍说:在人工光植物工厂中,人工光照明设备在所有设备成本中占比例最大,尤其完全采用LED光源的植物工厂,LED费用往往占到设备总成本的一半左右。 

这还只是前期高昂的建造成本,后期维护及生产运营成本同样不容小觑。 

目前,生产运营成本主要包括电费、各种材料(营养液、种子、CO2气肥)费、工人劳务费、物资运输费、人员管理费等。

据李鹏透露,现在电费成本占植物工厂生产运营成本的25%左右,“一个一万平方米、四五米高的工业厂房,改造成人工光植物工厂,一年耗电在 1300 万度以上。”高耗能已经被视为影响植物工厂发展的主要瓶颈之一。

另一方面,抛开产出谈成本无意义。外界认为,植物工厂造价高、运营成本高,是相对于植物工厂种植的作物价值而言。

以常见的生菜为例,杨其长曾对北京一家种植生菜的植物工厂进行测算,每生产1千克生菜需要消耗10度电,相当于6元。结合产量分析计算,每千克生菜的生产成本高达21.19元。而市场上生菜价格普遍在4到6元/斤。不过一些精品商超里个别生菜品类价格较高,比如在盒马鲜生,200克罗马生菜售价为12.9元,200克红叶生菜售价7.9元。

这也意味着,如果要覆盖成本,植物工厂的一大发展方向是,生产高品质蔬菜,对接精品商超。

事情也并非人们表面看到的样子,种菜、卖菜只是植物工厂价值的冰山一角。按照用途来看,植物工厂类型包含生产型、科研型和展示型。其中,科研型和展示型的价值远不是用商业模式可以计量的。

环保与效率,鱼和熊掌不可兼得

相信人们对刚刚过去的8月,61年来不遇的高温天气还心存余悸。整个长江流域,没有人躲得过这场从六月下旬就已开始的热浪的洗礼。旷日持久的高温和干旱导致四川、重庆、湖北、湖南、江西、安徽等多个省(市)严重受灾,重庆的江津、大足、铜梁、巴南、北碚,多个区县山火不断,损失巨大。

伴随着的是电力供应极其紧张。多个省市无奈之下做出写字楼限电、商场停运、工厂拉闸的措施。

我国75%的电力来自煤炭发电,煤炭生产过程会带来污染,因此不能忽视植物工厂耗费电能所产生的环境恢复成本。加之全球能源紧缺,耗费大量地球稀缺的能源,为未来不确定环境下的保障供给做技术储备,孰轻孰重?

对此,未来智农创始人白宝锁提出了一种衡量方式:不要只把目光锁定在植物工厂上,需要综合考虑大田农业和植物工厂,从产地到餐桌的综合能耗。

同样有此思路的还有水木九天的创始人王晓庆,他在8年前刚进入农业的时候,发现很难看明白农业到底哪个模式好,于是做了一个核定标准,即按照品质、成本、产量、可持物发展(指标包括碳指标、水、肥、农药等)方面进行综合考量。

孙朝华博士认为植物工厂本身的生产方式,对环境几乎是无污染的,她从四个维度作出说明:

1、营养液循环利用,按需供给,很少涉及到排放问题;

2、基质或者海绵均可降解;

3、密闭环境照射不涉及光污染;

4、结构件为铝合金及不锈钢,无塑料降解污染风险。

大田农业生产没有天然污染物,其污染主要来自种植过程中大量化肥和农药的使用,这对土壤环境造成了极大的破坏,尤其是我国化肥总产量和总用量长期位居世界首位,约占全球三分之一。因此就有业内人士认为,“中国农业造成的面源和点源污染都高于工业。” 

植物工厂的节水能力表现尤为突出。根据联合国粮农组织报告《2020年粮食及农业状况》显示,农业用水占全球水资源消耗的70%。植物工厂可以循环利用水资源,避免浪费。孙朝华博士曾做过相关测算:1颗生菜一个生长期消耗的水量为2L,露地栽培是222L,植物工厂的节水率可达90%。

以新加坡为例。新加坡四面环海,淡水资源极度匮乏,大部分需要从邻国马来西亚进口。但新加坡却依靠楼群里的垂直农场,成为了绿地覆盖面积为50%的“花园城市”,每5平方米一年就能产出38000颗蔬菜的农业强国。这也充分说明,现代化的室内种植方式节水能力超乎想象。

传统农业生产的蔬菜从田间到餐桌,避免不了长途运输带来的损耗和货车尾气污染,运输、清洗制作过程均有损耗,“一斤菜最后能上餐桌的部分大约在30%到60%”,而植物工厂选址自由,可盘活城市化进程中大量闲置的废弃厂房、晚上大量闲置的能源,做到“就地产、就地销”。白宝锁更是提出,植物工厂生产的蔬菜没有厨余垃圾,除了根系都可使用,利用率高达95%以上。

总体来看,植物工厂主要是耗费电能,但是它在减少运输环节、水肥循环利用等方面,却降低了能耗。

如何减少能耗,降低成本?

综合考虑各方因素,植物工厂的能耗问题或许能够得到一些理论意义上的缓解。植物工厂的相关研究正从减少能耗、降低成本入手,让其更能为市场所接受,这也是植物工厂发展过程中的关键一步。

35斗结合业内各方观点,解决高能耗问题,有以下几个方向:

一是,提高光电转换效率。通过优化灯源、光谱、环境的设计等,优化光源的利用。李鹏谈到,“简单理解,电通进去之后有多少可以变成光,现在可以达到百分之五六十,而以前只有百分之十几。” 

二是,利用低谷电。电价跟生活消耗水平相关,工业用电晚上比白天更便宜。植物工厂打破了作物的生长节律,可以利用晚上的低谷电,为作物生长补充、调节光源。这不仅降低了植物工厂的用电成本,还对整个电力能源应用起到削峰填谷的作用,提高能源利用效率。

三是,一些节约用电的措施也是必要的。孙朝华博士分析,不同作物需要的光环境不一样,不一定光周期越长生长品质就越好、生长速度越快,植物工厂可寻找到最佳的光和植物生长的平衡点,找到用电能耗的最优模式。

四是,积极探索清洁能源的利用。如应用太阳能光伏发电系统、风能、水力或生物质能源等比较环保的发电方式,已成为植物工厂研究的热点。

比如,平湖农业经济开发区和国网平湖市供电公司合作,供电公司为园区企业东郁果业量身打造了一套氢光储充一体化新型能源系统,降低植物工厂碳排放和企业用电成本。据了解,工程里包括增加氢能发电系统和储能站建设,植物工厂白天完全使用氢能或光伏发电的电量,晚上使用储能站的储存电量,实现了用电零排放。

对于高昂的造价问题,则是尽可能选用普通民用材料和装备。其实现在的造价成本,相比以往已经大幅降低。

李鹏说道,“现在造价可能只有以前的百分之一,其中生产芯片的材料已经下降到了以前的几百分之一。”白宝锁同样表示,设备不断改进,成本会以每年10%—20%的速度不断降低。

需要注意的是,在植物工厂的运营成本中,人工成本是高于电力成本的存在,普遍占到总成本的30%—40%。目前,已有不少植物工厂通过自动化生产方式减少人力投入。

就在刚刚结束的第二十九届中国杨凌农高会上,植物工厂参展商采用的就是全自动化垂直农业生产系统,整条种植产线上没有人工,机器人、穿梭小车、升降机等设备接收计算机的智能运算指令,代替人工实现播种、分栽、管理等工序,真正实现了无人化管理。

与之相比较,传统农业人力成本投入并不算少,还存在人员工作效率低、资源浪费率高等问题,且很难通过智能化手段提高生产效率。

中科三安总经理占卓曾在媒体采访中表示,“我们乐观地认为2025年很有可能是植物工厂的元年。这其中包含两个主要因素:第一点是LED技术的发光效率正以每年5%—8%的速度进步;第二点是近些年随着整个系统技术的提升,植物工厂的成本得到了大规模下降。反之,传统农业在劳动力成本、用地成本、运输和环境成本等方面都在逐步攀升。预计这两种农业生产成本将在2025年接近弥合状态。”

时间节省一半,更具盈利空间

除了降本节能,探索植物工厂的应用场景和商业模式,同样具有可持续发展意义。

在作物品类上,生产型植物工厂种植的作物品类不局限于普通蔬菜,而是瞄准高端市场,生产高附加值的经济作物、功能性产品。

现在不少植物工厂已经开发出了包括蓝莓、果树、甜椒、黄瓜、番茄、花卉、茶叶及特殊名贵药材等高附加值作物品种的室内栽培技术及设施装备。种植的作物品类从蔬菜拓展到了石斛、金线莲、食用花卉、果树、茶叶等。

李鹏强调,植物工厂更大的应用场景,是利用植物工厂的工业化生产方式,提升栽培的整齐度、产量和生产效率,实现中药材等经济作物、种苗的标准化生产。

一方面,植物工厂可缩短中药材生产时间,“在户外需要十几个月甚至是二三十个月的生产,在植物工厂里至少能够缩短一半的时间。”另一方面,植物工厂在提升中药材药效成分含量上有非常明显的这样效果,“通过环境、技术调控,让中草药里本身的一些有效的成分越来越越高,定向精准的生产中草药。”

 

在育种领域,植物工厂在缩短作物育种周期方面具有巨大潜力。育种卡脖子技术关键原因在于周期长,培育一个优良性状的品种通常需要七八年甚至十几年,而植物工厂通过智能化设备模拟不同地域的自然特性,增强种子与环境的匹配度和适应度,可将周期缩短至两到三年。

在植物工厂内生长的水稻周期也会大幅缩短。比如,中国农科院都市农业研究所植物工厂创新团队与中国水稻研究所钱前院士团队合作,成功实现植物工厂水稻种植60天左右收获的重要突破,比大田环境下120天左右的水稻生长周期缩短了一半。

不少植物工厂企业还在商业模式上积极创新,探索更多的可能性。

未来智农瞄准植物工厂产业闭环,前期可做植物工厂规划设计、提供一整套设备解决方案等工作;建造完成后有植物工厂的运营管理、远程栽培技术的咨询服务等,甚至还建立了生鲜事业部,帮忙对接销售平台;白宝锁称,公司未来也会进行大规模生产,目前已经在选址阶段。中科三安延伸出来的商业模式则包含品牌建立、渠道拓展、与新零售新业态结合、与文旅结合等。

那么,市场上有植物工厂盈利吗,多久能够收回成本?有报道显示,日本实现盈利的植物工厂占25%,收支平衡的占32.9%。李鹏认为,“3000平方米以上的植物工厂,在比较好的市场里面,大概需要3年到4年时间覆盖成本。” 

因何而产生便因何而存在

农业需要跟工业一样走向工厂化生产。我国粮食作物已经部分实现大部分机械化和自动化,下一步就是利用植物工厂,实现蔬菜的工厂化、机械化、自动化乃至信息化。

水木九天创始人王晓庆提出:农业、医疗、教育是社会的三个底线,不可以用纯商业来评价,而应该综合考虑经济价值、生态价值和社会价值。

当然还有更多紧迫的问题摆在眼前:人口急剧增加、人们对食品安全需求急剧提升、土地急剧减少、从事农业生产的劳动力持续减少……人类需要用新的方式生产农产品,植物工厂正是有效途径之一。

“它因何而产生,就因何而存在。”如李鹏所说,植物工厂会成为未来农业的重要组成部分。

或许地球流浪、星际移民离我们非常遥远,但在全球粮食危机、疫情叠加的背景下,人工光植物工厂不单单是一种新型的城市保供方案,更代表了未来农业的生产方式。它存在的更大的意义在于,可以作为拯救人类免于灭亡的重要工程之一。

因此,即便是在阳光依然明媚、海阔天空的今天,我们已然看到有疯狂的梦想家,将人工光植物工厂设计成了可以承受地震、暴风雪、极端干旱等自然灾害的生命方舱。

它可以不限地点、全年无休生产。这也为解决2050年全球98亿人的吃饭问题,提供了全新的想象空间。

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