第一篇 当前和下一代植物工厂的特征
第1章 人工光植物工厂的现状与智能人工光植物工厂
Toyoki Kozai 著
万斯，缪剑华，郭晓云，韦坤华 译
摘要：本章讨论了人工光植物工厂（plant factory with arti.cial lighting，PFAL）在解决食物、资源与环境三大问题中的重要性，描述了人工光植物工厂的定义及主要组成部分，简要介绍了世界上人工光植物工厂的数量、生产成本，产品生产批发价及适合人工光植物工厂种植的植物。另外，还介绍了撰写本书的主要目的，并讨论了下一代智能人工光植物工厂的构想及预期的最终功能。
关键词：全球技术；本土技术；人工光植物工厂；智能人工光植物工厂；三大问题
1.1 引言：食物、资源与环境的三大问题
1.1.1 人工光植物工厂在解决三大问题中的作用
目前，人类正面临着三个无可替代、同等棘手且需要并行解决的问题：①食物供给短缺和（或）不稳定；②资源短缺；③环境退化（图1.1）。随着城市人口的持续增长和（或）农业人口的老龄化，这三大问题不仅在地区、国家层面发生，而且将进一步发展成为全球性的问题。
图1.1 人工光植物工厂被认为在解决食物、资源、环境三大问题中起到重大作用
短缺的资源包括可耕种土地、灌溉用水、肥料、化石燃料及劳动力。环境退化包括土壤、大气和水的污染，土壤表面盐碱化、沙漠化，以及近期气候变化造成的干旱、高（低）温、强（弱）光照、暴雨、洪涝、强风及害虫传播。这些问题都导致了蔬菜市场价格的不稳定。
为了解决食物、资源、环境这三大问题，人们需要开发基于全新理念的跨学科生产方式来大幅度提高食物的产量和质量，同时与现今的植物生产系统相比，这种新的生产方式能够大幅度地缓解资源消耗和环境退化。人工光植物工厂（PFAL）就是这样一种有望完成这个使命的系统（图1.2）。人工光植物工厂的优势包括资源利用效率高、单位面积年产量高、不施用杀虫剂、产出植物品质高等（Kozai et al.，2015）。目前需要解决的主要问题是高昂的初期投入、电费及劳务费。
图1.2 人工光植物工厂的任务与目标
下一代的智能人工光植物工厂有望显著降低初期投入与运营成本，从而同时解决食物、资源与环境的问题。
生活在城市的人们每天要消耗大量的食物。与此同时，他们会产生大量的垃圾，包括 CO2、生物质垃圾、废水与热量。结果，为了保持干净的城市环境，大量的资源被用于处理这些垃圾（Despommier，2010）。这是食物、资源与环境三大问题中另外一个需要解决的方面。
1.1.2 利用植物工厂减少城市地区的新鲜蔬菜损耗
全世界每年为人类消费而生产的食物大约有1/3被浪费，数量约13亿吨，在各种食物中，浪费率最高的是蔬菜。在发展中国家，采后与处理环节造成的损耗占其总浪费量的40%，而在工业化国家，超过总浪费量40%的损耗发生在零售店与消费者层面。食物的损耗与浪费背后是一连串的资源消耗，这些资源包括水、土地、能源、劳动力、资金，而不必要的温室气体排放则加重了全球变暖与气候变化。新鲜蔬菜含水量约为90%，不仅质量重，在运输过程中还极易受损。因此，就近生产、就近消费（地产地销）是减少蔬菜损耗与节约资源的重要手段。
1.1.3 城市地区产生的垃圾可作为植物生产的必需资源
众所周知，绿色植物的生长依赖光合作用，而光合作用除了需要适当的温度，还需要水、 CO2、光能，以及由13种营养元素（包括 N、P、Ca和 Mg）组成的无机肥等资源。
需要指出的是，城市地区产生的相当大的一部分垃圾在理论上可以转变为植物光合与生长的必需资源。城市排放的 CO2可用作光合作用的碳源；废水在经过正确处理之后，可比河水、湖水及地下水更干净，故可作为灌溉用水；生活垃圾（有机肥的原料）可通过特定微生物分解转变为无机肥；餐厅、写字楼和不同类型的工厂释放的热能（30～60℃）可作为热源用于冬天温室保温、食品与材料干燥等方面。因此，种植食品类植物等资源再利用方式可以显著减少城市地区资源消耗量与垃圾产量。
人工光植物工厂生产中唯一不足且昂贵的资源是光能，需要利用灯具并消耗电能产生人工光补足。
不过，城市地区夜间常有过剩的电能，价格通常低于白天，可以降低人工光植物工厂中用于光照与空调的花费。
与使用荧光灯相比，人工光植物工厂的用电量与电费在使用发光二极管（light-emitting diode，LED）时减少了30%～40%或者更多。随着智能 LED光照系统的发展，这项费用会进一步降低。此外，利用自然能源如太阳能、风能、生物质能发电的成本也在逐年降低。人工光植物工厂，尤其是智能人工光植物工厂，就可以成为城市地区中一种资源节约型与环境友好型的高产量植物生产系统，并有望帮助解决食物、资源与环境三大问题。
1.2 人工光植物工厂的特征与主要组成部分
在多数亚洲国家，植物工厂同时包括人工光植物工厂和太阳光植物工厂（plant factory with solar lighting，PFSL）。由于太阳光植物工厂仅在本章1.2.2小节中有所述及讨论，故本书中“植物工厂”专指“人工光植物工厂（PFAL）”，不包括太阳光植物工厂。植物生产系统中，人工光植物工厂也被称为垂直农场（Despommier，2010）、室内农场或封闭式植物生产系统。
1.2.1 人工光植物工厂的特征
人工光植物工厂，而非智能人工光植物工厂，在本书中被定义为一类使用人工光源的封闭式植物生产系统（closed plant production system，CPPS；Kozai et al.，2015）。人工光植物工厂的栽培室（或培养室）有良好的隔热性与气密性，并且需要保持洁净。由于良好的气密性与隔热性，人工光植物工厂内部不受天气影响，只要控制单元经过良好的设计并正确运行，其环境便可控制在预期的设定值上。
1.2.2 人工光植物工厂与太阳光植物工厂的区别
由于人工光植物工厂栽培室的墙面是不透光、隔热且气密的，环境控制设备如加热器、遮光帘、隔热屏、防虫网及天花板风扇通风设备或蒸发降温系统都是不需要的。但是，太阳光植物工厂与环控温室内则需要这些控制设备。在人工光植物工厂中，灯具产生的热量需要利用空调制冷抵消，以保持空气温度在设定值，即便在冬天的夜晚也是如此。这意味着人工光植物工厂不需要加热系统。因此，人工光植物工厂的主要成本是光照和降温所需的电费，太阳光植物工厂的主要成本是加热、降温、防虫的消费，这二者的区别是环境控制的其中一个因素。其他因素在第2章中叙述。
1.2.3 人工光植物工厂的主要组成部分
人工光植物工厂栽培室的主要组成部分（或系统）列于表1.1中，并以图的形式展示在图1.3中（更多细节见 Kozai et al.，2015）。
表1.1 商业化生产的典型人工光植物工厂的主要组成部分（或系统）（左列序号与图1.3中的序号一致）
现在，大多数占地面积在5000 m2及以上的大规模人工光植物工厂都配备了自动进行播种、移栽、运输及包装操作的机器或设备。占地面积在1000 m2及以下的人工光植物工厂未装备自动化机器，而占地面积在1000～5000 m2的人工光植物工厂则是部分自动化的。因此，自动化技术并非人工光植物工厂的必要条件。在任何人工光植物工厂中，发现生理紊乱的叶片并将其去除（修剪）仍是靠人工操作的。工具或机器通常用于清理栽培板和栽培床，以及栽培室的地面，但这些操作也不是完全自动化的。
图1.3 人工光植物工厂（PFAL）中的栽培室结构由8个主要部分（系统）组成。自动化机器未在图中展示。多数电能消耗在光照与空调系统。图中序号与表1.1中的一致。此图是 Kozai等（2015）所著文献第4章中图4.1的修订版
1.3 人工光植物工厂的现状
1.3.1 人工光植物工厂的数量估计
截至2018年9月，粗略估计商业化生产的人工光植物工厂在日本超过200个，在中国台湾约100个，在全世界超过500个。中国、美国与韩国的人工光植物工厂数量自2015年来有显著增长。2013～2017年，多个人工光植物工厂在新加坡、巴拿马、蒙古国、俄罗斯、法国、越南、荷兰、印度、英国、马来西亚与一些包括阿联酋在内的中东国家建成。
