文|35斗
50多年后的2075年，太陽即將覆滅，世界冰天雪地，人類不得不開啟“流浪地球”計劃。
——這是科幻電影《流浪地球》里的故事，棲息于地下的人類只能以蚯蚓為食，日復一日，年復一年。
如果，那時候有一種農業生產方式，能夠脫離氣候和環境的控制，無論是在冰川、沙漠，在地震、暴風雪等自然災害席卷之下，還是面對太陽毀滅這種終極拷問，依然巋然不動，7×24小時不間斷提供蔬菜瓜果，人類將得以延續。
眼下，人工光植物工廠就是這樣一種存在，正成為設施農業領域最受關注的“爆款”議題。一個直接體現是不少公司接連斬獲大額融資：美國室內種植公司Gotham Green近期宣布獲得3.1億美元的E輪融資；今年1月，Plenty在E輪融資中融得4億美元；Bowery Farming在2021年5月融得3億美元C輪融資。
理想照進現實，卻也面臨諸多挑戰。創新解決方案背后是高昂的建造成本和運營成本，以及可能產生的環境恢復成本。
當一項可以稱之為全球戰略需求的現代黑科技擺在眼前，成本會是企業選擇退縮的理由嗎？
答案是否定的。如今，這些“終極農業形態”的夢想家們，仍然在降本增效和場景應用的無窮探索上，不斷奔跑。
一種終極農業形態？
縱觀世界農業發展，從傳統大田農業到溫室大棚，再到科技含量更高的植物工廠。設施農業的發展史，就是一部環境控制史。
未來智農創始人白寶鎖對35斗分析，“5000年的農耕文化解決的就是環境問題，通過環境控制實現栽培的工業化，做到產出最大化。”
當下植物工廠利用計算機和電子傳感器，對作物生長的溫度、濕度、光照、二氧化碳和營養液等進行統一高精度自動控制，使得設施內的作物生長不受或少受自然條件制約，是最有效的調節控制作物生長環境的栽培方式。
Plenty室內植物工廠，圖片來源：Plenty官網
目前，植物工廠主要分為太陽光植物工廠和人工光植物工廠。兩字之差，內涵大有不同。
所謂太陽光植物工廠，顧名思義，就是在半封閉的溫室環境下，主要利用太陽光或短期人工補光以及營養液栽培技術，進行植物周年生產的現代化植物種植園。
而人工光植物工廠則是在完全密閉可控的環境下，采用人工光源與營養液栽培技術，幾乎不受外界氣候條件影響，進行植物周年生產。
在業內的潛意識中，植物工廠就是指人工光植物工廠。在中國科學院植物研究所研究員李紹華看來，植物工廠必須具有以下三個特征：一是在房子里種莊稼，溫室不算；二是人工光源，自然光不算；三是垂直農業，多層栽培，生產環境和條件都由人工控制。
中科三安副總經理李鵬向35斗表示：人工光植物工廠與所謂的太陽光植物工廠，是“完全不同的兩個工藝”，一個工業化程度很高，一個重度依賴自然環境。
首先，自然光水平種植，人工光植物工廠采用垂直種植模式，空間利用率高。據京東方后稷科技（北京）有限公司研發總監孫朝華博士向35斗提供的數據，“垂直種植有的可高達10—14層，同等占地面積下，實際有效面積可提升4.2倍，每平方米占地面積產能是自然光植物工廠的5倍左右。”
其次，在種植效率上，人工光植物工廠采用LED光源解決了植物生長所需要的全部光，在相同的時間里面，植物光的需求最充足，生長速度要遠快于太陽光植物工廠、玻璃溫室等。
最后，人工光植物工廠幾乎不受外界環境氣候條件的影響，可以全年無休生產。生長速度和層數加持，加上生長周期的差異，占地面積相同的人工光植物工廠能夠做到溫室的10倍，甚至更高。
如果借用聯合國《世界人口趨勢報告》的預測，到2050年，全球人口將達到98億。這也意味著要跟上人口增長速度，全球糧食總產量必須增加一倍以上。然而在過去50年里，農業用地面積一直保持穩定，可以肯定的是在未來很長一段時間內，這一數字不會發生顯著提升。
在此背景下，植物工廠的存在更具戰略意義。一如孫朝華所言，“我們需要積累不依賴自然環境的種植技術和方法，植物工廠正是我們對于未來的技術和種植經驗儲備。”
拋開產出談成本，毫無意義
最早提出垂直農場概念的美國科學家迪克森·德波爾教授曾表示，最應該推行垂直農場的國家之一是中國，解決城市規劃中頭疼的城中村改造問題，為城市居民提供新鮮的農副產品，改善城市生態環境。
現在，中國已經成為全球植物工廠發展最快的國家之一。國家智慧植物工廠聯盟主席、中國農業科學院智能植物工廠首席科學家楊其長曾向媒體透露：截至2020年底中國各類規模的植物工廠超過220座。
但不可忽視的是，人工光植物工廠還很小眾，普及率并不高。原因在于，推廣植物工廠，難的不是技術，而是如何降低建設成本和運營成本。“算不過來賬”，是很多從業者對植物工廠的直接認識。
植物工廠需要在封閉環境下進行作物生產，因此需要構建包括外維護結構、空調系統、人工光源裝置、多層栽培架、營養液循環與控制系統以及計算機調節與控制系統在內的相關工程與配套裝備。
前瞻產業研究院分析發現，建設一個1000平方米以下的植物工廠(包括內部裝修、設備、設施)，每平方米成本在15000—20000元之間；建設5000—10000平方米的植物工廠，每平方米成本在8000—10000元；建設10000平方米以上的大型植物工廠，建設成本會下降至8000元每平米。
《植物工廠系統與實踐》一書介紹說：在人工光植物工廠中，人工光照明設備在所有設備成本中占比例最大，尤其完全采用LED光源的植物工廠，LED費用往往占到設備總成本的一半左右。
這還只是前期高昂的建造成本，后期維護及生產運營成本同樣不容小覷。
目前，生產運營成本主要包括電費、各種材料（營養液、種子、CO2氣肥）費、工人勞務費、物資運輸費、人員管理費等。
據李鵬透露，現在電費成本占植物工廠生產運營成本的25%左右，“一個一萬平方米、四五米高的工業廠房，改造成人工光植物工廠，一年耗電在 1300 萬度以上。”高耗能已經被視為影響植物工廠發展的主要瓶頸之一。
另一方面，拋開產出談成本無意義。外界認為，植物工廠造價高、運營成本高，是相對于植物工廠種植的作物價值而言。
以常見的生菜為例，楊其長曾對北京一家種植生菜的植物工廠進行測算，每生產1千克生菜需要消耗10度電，相當于6元。結合產量分析計算，每千克生菜的生產成本高達21.19元。而市場上生菜價格普遍在4到6元/斤。不過一些精品商超里個別生菜品類價格較高，比如在盒馬鮮生，200克羅馬生菜售價為12.9元，200克紅葉生菜售價7.9元。
這也意味著，如果要覆蓋成本，植物工廠的一大發展方向是，生產高品質蔬菜，對接精品商超。
事情也并非人們表面看到的樣子，種菜、賣菜只是植物工廠價值的冰山一角。按照用途來看，植物工廠類型包含生產型、科研型和展示型。其中，科研型和展示型的價值遠不是用商業模式可以計量的。
環保與效率，魚和熊掌不可兼得
相信人們對剛剛過去的8月，61年來不遇的高溫天氣還心存余悸。整個長江流域，沒有人躲得過這場從六月下旬就已開始的熱浪的洗禮。曠日持久的高溫和干旱導致四川、重慶、湖北、湖南、江西、安徽等多個省（市）嚴重受災，重慶的江津、大足、銅梁、巴南、北碚，多個區縣山火不斷，損失巨大。
伴隨著的是電力供應極其緊張。多個省市無奈之下做出寫字樓限電、商場停運、工廠拉閘的措施。
我國75%的電力來自煤炭發電，煤炭生產過程會帶來污染，因此不能忽視植物工廠耗費電能所產生的環境恢復成本。加之全球能源緊缺，耗費大量地球稀缺的能源，為未來不確定環境下的保障供給做技術儲備，孰輕孰重？
對此，未來智農創始人白寶鎖提出了一種衡量方式：不要只把目光鎖定在植物工廠上，需要綜合考慮大田農業和植物工廠，從產地到餐桌的綜合能耗。
同樣有此思路的還有水木九天的創始人王曉慶，他在8年前剛進入農業的時候，發現很難看明白農業到底哪個模式好，于是做了一個核定標準，即按照品質、成本、產量、可持物發展（指標包括碳指標、水、肥、農藥等）方面進行綜合考量。
孫朝華博士認為植物工廠本身的生產方式，對環境幾乎是無污染的，她從四個維度作出說明：
營養液循環利用，按需供給，很少涉及到排放問題；
基質或者海綿均可降解；
密閉環境照射不涉及光污染；
結構件為鋁合金及不銹鋼，無塑料降解污染風險。
大田農業生產沒有天然污染物，其污染主要來自種植過程中大量化肥和農藥的使用，這對土壤環境造成了極大的破壞，尤其是我國化肥總產量和總用量長期位居世界首位，約占全球三分之一。因此就有業內人士認為，“中國農業造成的面源和點源污染都高于工業。”
植物工廠的節水能力表現尤為突出。根據聯合國糧農組織報告《2020年糧食及農業狀況》顯示，農業用水占全球水資源消耗的70%。植物工廠可以循環利用水資源，避免浪費。孫朝華博士曾做過相關測算：1顆生菜一個生長期消耗的水量為2L，露地栽培是222L，植物工廠的節水率可達90%。
以新加坡為例。新加坡四面環海，淡水資源極度匱乏，大部分需要從鄰國馬來西亞進口。但新加坡卻依靠樓群里的垂直農場，成為了綠地覆蓋面積為50%的“花園城市”，每5平方米一年就能產出38000顆蔬菜的農業強國。這也充分說明，現代化的室內種植方式節水能力超乎想象。
傳統農業生產的蔬菜從田間到餐桌，避免不了長途運輸帶來的損耗和貨車尾氣污染，運輸、清洗制作過程均有損耗，“一斤菜最后能上餐桌的部分大約在30%到60%”，而植物工廠選址自由，可盤活城市化進程中大量閑置的廢棄廠房、晚上大量閑置的能源，做到“就地產、就地銷”。白寶鎖更是提出，植物工廠生產的蔬菜沒有廚余垃圾，除了根系都可使用，利用率高達95%以上。
總體來看，植物工廠主要是耗費電能，但是它在減少運輸環節、水肥循環利用等方面，卻降低了能耗。
如何減少能耗，降低成本？
綜合考慮各方因素，植物工廠的能耗問題或許能夠得到一些理論意義上的緩解。植物工廠的相關研究正從減少能耗、降低成本入手，讓其更能為市場所接受，這也是植物工廠發展過程中的關鍵一步。
35斗結合業內各方觀點，解決高能耗問題，有以下幾個方向：
一是，提高光電轉換效率。通過優化燈源、光譜、環境的設計等，優化光源的利用。李鵬談到，“簡單理解，電通進去之后有多少可以變成光，現在可以達到百分之五六十，而以前只有百分之十幾。”
二是，利用低谷電。電價跟生活消耗水平相關，工業用電晚上比白天更便宜。植物工廠打破了作物的生長節律，可以利用晚上的低谷電，為作物生長補充、調節光源。這不僅降低了植物工廠的用電成本，還對整個電力能源應用起到削峰填谷的作用，提高能源利用效率。
三是，一些節約用電的措施也是必要的。孫朝華博士分析，不同作物需要的光環境不一樣，不一定光周期越長生長品質就越好、生長速度越快，植物工廠可尋找到最佳的光和植物生長的平衡點，找到用電能耗的最優模式。
四是，積極探索清潔能源的利用。如應用太陽能光伏發電系統、風能、水力或生物質能源等比較環保的發電方式，已成為植物工廠研究的熱點。
比如，平湖農業經濟開發區和國網平湖市供電公司合作，供電公司為園區企業東郁果業量身打造了一套氫光儲充一體化新型能源系統，降低植物工廠碳排放和企業用電成本。據了解，工程里包括增加氫能發電系統和儲能站建設，植物工廠白天完全使用氫能或光伏發電的電量，晚上使用儲能站的儲存電量，實現了用電零排放。
對于高昂的造價問題，則是盡可能選用普通民用材料和裝備。其實現在的造價成本，相比以往已經大幅降低。
李鵬說道，“現在造價可能只有以前的百分之一，其中生產芯片的材料已經下降到了以前的幾百分之一。”白寶鎖同樣表示，設備不斷改進，成本會以每年10%—20%的速度不斷降低。
需要注意的是，在植物工廠的運營成本中，人工成本是高于電力成本的存在，普遍占到總成本的30%—40%。目前，已有不少植物工廠通過自動化生產方式減少人力投入。
就在剛剛結束的第二十九屆中國楊凌農高會上，植物工廠參展商采用的就是全自動化垂直農業生產系統，整條種植產線上沒有人工，機器人、穿梭小車、升降機等設備接收計算機的智能運算指令，代替人工實現播種、分栽、管理等工序，真正實現了無人化管理。
與之相比較，傳統農業人力成本投入并不算少，還存在人員工作效率低、資源浪費率高等問題，且很難通過智能化手段提高生產效率。
中科三安總經理占卓曾在媒體采訪中表示，“我們樂觀地認為2025年很有可能是植物工廠的元年。這其中包含兩個主要因素：第一點是LED技術的發光效率正以每年5%—8%的速度進步；第二點是近些年隨著整個系統技術的提升，植物工廠的成本得到了大規模下降。反之，傳統農業在勞動力成本、用地成本、運輸和環境成本等方面都在逐步攀升。預計這兩種農業生產成本將在2025年接近彌合狀態。”
時間節省一半，更具盈利空間
除了降本節能，探索植物工廠的應用場景和商業模式，同樣具有可持續發展意義。
在作物品類上，生產型植物工廠種植的作物品類不局限于普通蔬菜，而是瞄準高端市場，生產高附加值的經濟作物、功能性產品。
現在不少植物工廠已經開發出了包括藍莓、果樹、甜椒、黃瓜、番茄、花卉、茶葉及特殊名貴藥材等高附加值作物品種的室內栽培技術及設施裝備。種植的作物品類從蔬菜拓展到了石斛、金線蓮、食用花卉、果樹、茶葉等。
李鵬強調，植物工廠更大的應用場景，是利用植物工廠的工業化生產方式，提升栽培的整齊度、產量和生產效率，實現中藥材等經濟作物、種苗的標準化生產。
一方面，植物工廠可縮短中藥材生產時間，“在戶外需要十幾個月甚至是二三十個月的生產，在植物工廠里至少能夠縮短一半的時間。”另一方面，植物工廠在提升中藥材藥效成分含量上有非常明顯的這樣效果，“通過環境、技術調控，讓中草藥里本身的一些有效的成分越來越越高，定向精準的生產中草藥。”
育苗，圖片來源：光明母港
在育種領域，植物工廠在縮短作物育種周期方面具有巨大潛力。育種卡脖子技術關鍵原因在于周期長，培育一個優良性狀的品種通常需要七八年甚至十幾年，而植物工廠通過智能化設備模擬不同地域的自然特性，增強種子與環境的匹配度和適應度，可將周期縮短至兩到三年。
在植物工廠內生長的水稻周期也會大幅縮短。比如，中國農科院都市農業研究所植物工廠創新團隊與中國水稻研究所錢前院士團隊合作，成功實現植物工廠水稻種植60天左右收獲的重要突破，比大田環境下120天左右的水稻生長周期縮短了一半。
不少植物工廠企業還在商業模式上積極創新，探索更多的可能性。
未來智農瞄準植物工廠產業閉環，前期可做植物工廠規劃設計、提供一整套設備解決方案等工作；建造完成后有植物工廠的運營管理、遠程栽培技術的咨詢服務等，甚至還建立了生鮮事業部，幫忙對接銷售平臺；白寶鎖稱，公司未來也會進行大規模生產，目前已經在選址階段。中科三安延伸出來的商業模式則包含品牌建立、渠道拓展、與新零售新業態結合、與文旅結合等。
那么，市場上有植物工廠盈利嗎，多久能夠收回成本？有報道顯示，日本實現盈利的植物工廠占25％，收支平衡的占32.9％。李鵬認為，“3000平方米以上的植物工廠，在比較好的市場里面，大概需要3年到4年時間覆蓋成本。”
因何而產生便因何而存在
農業需要跟工業一樣走向工廠化生產。我國糧食作物已經部分實現大部分機械化和自動化，下一步就是利用植物工廠，實現蔬菜的工廠化、機械化、自動化乃至信息化。
水木九天創始人王曉慶提出：農業、醫療、教育是社會的三個底線，不可以用純商業來評價，而應該綜合考慮經濟價值、生態價值和社會價值。
當然還有更多緊迫的問題擺在眼前：人口急劇增加、人們對食品安全需求急劇提升、土地急劇減少、從事農業生產的勞動力持續減少……人類需要用新的方式生產農產品，植物工廠正是有效途徑之一。
“它因何而產生，就因何而存在。”如李鵬所說，植物工廠會成為未來農業的重要組成部分。
或許地球流浪、星際移民離我們非常遙遠，但在全球糧食危機、疫情疊加的背景下，人工光植物工廠不單單是一種新型的城市保供方案，更代表了未來農業的生產方式。它存在的更大的意義在于，可以作為拯救人類免于滅亡的重要工程之一。
因此，即便是在陽光依然明媚、海闊天空的今天，我們已然看到有瘋狂的夢想家，將人工光植物工廠設計成了可以承受地震、暴風雪、極端干旱等自然災害的生命方艙。
它可以不限地點、全年無休生產。這也為解決2050年全球98億人的吃飯問題，提供了全新的想象空間。