人工光植物工厂生产成本构成及经济效益探析

人工光植物工厂生产成本构成及经济效益探析 人工光植物工厂生产成本构成及经济效益 探析 摘 要,人工光植物工厂作为技术高度密集、资源高效利用的现代农业生产方式,在日本、美国、韩国、中国及北欧一些国家和地区正迅速发展并逐渐形成产业。在世界人口不断增长,资源和环境问题日益突出,环保意识和食品安全受到高度重视的今天,植物工厂风潮的兴起是顺天应人,但植物工厂较高的投资成本与运行成本使得产品售价偏高。因此,阐述了发展植物工厂的意义,剖析了人工光植物工厂的基本组成要素和生产成本构成,了植物工厂的经济效益,针对植物工厂面临的问题,提出了提高其经济效益的对策和途径 关键词,植物工,S,人工光源,组成要素,固定资产,运行成本,经济效益,商业模式 随着世界人口的不断增长,农产品需求数量的逐年上升和资源与环境问题的日益突出,迫切需要发展生产环境可控的设施农业。植物工厂作为一种颠覆传统农业种植的全新方式,不受土地、气候等自然条件的限制和影响,可完全按照、精准定时、定量生产出无污染的种苗及蔬菜、花卉等 1 作物,受到了前所未有的关注[1]。植物工厂是由计算机对作物生育过程的温度、湿度、光照、CO2浓度、营养液等环境要素进行自动控制,周年连续生产的高效工厂化农业系统,是集生物技术、设施园艺技术、植物生理、植物栽培工程、现代装备工程、环控信息技术的高科技产业[2],对解决世界资源、环境问题,保障食品安全,提高农业资源利用率,减缓农业环境污染等方面具有重要的战略意义和实用价值。因此,植物工厂被认为是未来解决资源紧缺、新生代劳动力不足、食物需求不断上升等问题的重要途径,也是未来航天工程、月球和其他星球探索过程中实现食物自给的重要手段[3] 日本千叶大学的古在丰树教授把植物工厂分为3种类型,即人工光型、阳光型、阳光和人工光混合型。本文所讨论的植物工厂是指人工光植物工厂或称为密闭型植物工厂,是完全使用人工光源,具有环境高度可控,多层立体培养,工业化、化、周年生产等特点。人工光植物工厂作为环境因子控制精度最高的设施园艺典范,多年来一直被国际公认为是设施园艺的最高级发展阶段,是衡量一个国家农业高技术发展水平的重要标志之一[2] 目前世界上对植物工厂关注度比较高的国家和地区有日本、韩国、新加坡、北欧及中国台湾等,当然科技巨头美国也在相关领域投入技术研发。日本是目前在植物工厂发展方面处于领先的国家,为摆脱土地对发展的限制,打造不依赖 2 土地的生产方式,同时也为缓解农业劳动人口数量减少及日趋老龄化的冲击,开发与大都市空间相适应的新鲜农产品供应体系。日本政府从 2008 年开始启动植物工厂发展计划,由农林水产省出资 1 000 亿日元、经济贸易工业省出资500 亿日元补助科研单位、企业和农户,5 a间新增了100 多座植物工厂[4],并在全国建立了多处示范型植物工厂基地, 供研究、示范、推广应用等。日本国内的日立和三菱等重工企业在政策的大量刺激下也开始投入重金研发。到2016年3月, 日本的人工光植物工厂已发展到246个,其中 30%盈利、50%持平、 20%亏损经营,涉及植物种类不仅有生菜、菠菜、冰草等叶菜,还有草莓、药草和种苗等。2000年后,我国植物工厂产业蓬勃发展,仅2016年上半年投入运行的人工光植物工厂就有20座以上,但是,我国植物工厂规模普遍偏小,多小于200 m2,,生产植物以叶菜为主,环控技术装备水平参差不齐,以示范展示性和研究性植物工厂居多,商业化运行的植物工厂较少,亟待大力推进 植物工厂作为一种技术高度密集、资源高效利用的现代农业生产方式,具有产量高、土地利用率高、产品安全无污染、自动化程度高等突出优势,目前在国内外具有广泛的应用需求。然而植物工厂的推广应用也面临着诸多问题,如成本过高、能耗较大、经济效益欠佳等。能耗和运行成本过高 3 的问题已成为制约植物工厂推广的一大“瓶颈”[4,6]。而对于经济和消费结构相对落后的国家来说,纯生产型植物工厂企业盈利前景还不够明朗,仍然有很长的一段路要走。迄今,植物工厂与其出产的蔬菜仍被认为是“贵族蔬菜”,很难普及。除了缺乏销售渠道外,主要的原因在于相对高昂的售价。因此,很有必要对植物工厂的成本和经济效益作一个综合的分析 1 植物工厂的基本组成要素和生产成本构成 人工光植物工厂是密闭式的系统,不受或很少受外界气候变化的影响,其植物产量和质量主要取决于环境调控与管理技术的整体水平。因此,植物工厂必须具有“工厂”的基本属性,要求植物生长发育的环境因子、水肥供给等均可全程自动化调控,并具有一定的植物生产流程的空间自动管理功能,可实现植物工厂化、规模化高效生产。人工光植物工厂的基本组成要素和生产成本主要由以下部分构成 1.1 植物工厂的基本组成要素和固定资产投资 ?厂房基本建设 人工光植物工厂要求保温、密闭、洁净,一般由栽培车间、作业室、贮藏室、控制室、更衣室等房间构成。为了室内气温波动最小化以及防止出现结露,常采用不透光的绝热材料作为围护结构。对于寒冷地区来说,还应隔断地面的传热。人工光植物工厂围护结构的传热系数为0.1,0.2 W/,m2?K,,栽培室的换气次数为0.01,0.02 次 4 /h [7]。植物工厂实行高度保温和密闭不只是为了防止室外的昆虫、微生物以及小动物进入室内,减少室内水蒸气和热量散失,同时也是为了防止室内CO2 流失到室外, 室外大气的CO2 浓度仅有400 μmol/mol,。植物工厂的外围护结构 、功能分区、密闭性都很重要,直接关系到植物工厂初装成本、运行成本及能耗,也关系着生产效率。植物工厂厂房基本建设包括采用保温防火材料,例如彩钢板,搭建各生产车间,并进行墙壁及地面的保温及防菌处理。为了保证产品安全和操作人员的健康,应选择环保、不产生挥发性气体的建筑材料 ?立体多层栽培系统 立体多层栽培系统包括栽培架、栽培床或苗床、栽培板、穴盘等,利用立体多层栽培系统可以实现土地的高效利用,栽培层数越多,则土地的利用率越高。如果为栽培架配置高反射材料制作的反射板,栽培床上的光强可以显著提高。例如,白色栽培板的光反射率约为80%,可以有效提高光能的利用率。另外需注意的是,栽培架最顶层应与屋顶保持一定距离,至少30 cm,, 以利于屋顶空气流动,如果栽培车间内的空气流动性能差,会使得栽培车间在垂直方向上出现温差,影响植物生长。 ?营养液供给系统 植物工厂大多采用水培或基质栽培,如今,以NFT,营养液膜技术,、DFT,深液流技术,或潮汐式灌溉方式为基础的多种立体无土栽培供液系统及其装备已经 5 开发出来,适合叶菜、根茎类植物生产。营养液储存供给系统主要包括营养液贮液装置、循环泵、供液回液管路、过滤装置、杀菌装置,紫外线、臭氧、过滤膜,等 ?CO2供给系统 CO2是植物进行光合作用的最重要的因素之一。为了提高植物的光合作用,促进植株的生长发育,在光期及时补充植物工厂内的CO2是非常必要的。一般情况下,当栽培,间内CO2 浓度维持在800,1 000 μmol/mol 时,就能有效促进植物的光合作用,获得较高的产量[8]。CO2供给系统包括二氧化碳钢瓶、压力阀、流量计、电磁阀、 供气管道等 ?空调通风系统 人工光植物工厂的空调主要用于降温、循环空气、调节湿度等。家用空调的种类和功能都非常完善,可以直接用于植物工厂。植物工厂室内的气温一般控制在20,25?。但在光期,栽培架内空气温度会高于室内,因此,促进栽培架内的空气流动是必须的,不仅能降低植物栽培层内的温度并调节湿度,而且能有效促进CO2的供给,从而提高植物的光合速率和生长。空调的能耗是人工光植物工厂能耗的一个重要部分,为减少降温耗电量,也可采用风机空调协同降温的方法,又称光温耦合节能调温技术[9],即当室外温度低于室内温度时,引进室外低温空气进行植物工厂降温,充分利用室外冷源以降低空调能耗并补充CO2。空调通风系统包括空调、风机、通风管道、空气过滤装置、风扇以 6 及空气净化器等 ?照明系统 照明系统是人工光植物工厂核心装备。光是植物环境信号和光合作用能量的唯一来源,许多因素都可能导致植物工厂内光环境,光照强度、光照时间、光谱组成、照射方向,不能满足植物生长发育需求,所以光环境的调控非常必要,其光谱组成直接影响着植物的生产效率和品质。荧光灯是传统光源,LED灯是新型光源。LED灯具有荧光灯无法比拟的优势,包括,a.节省能源,与传统的荧光灯相比,可节省50%以上的能源,b.可按植物光合作用和生长发育需求调制光谱,按需用光,生物光效高,c.为冷光源,可贴近植物照射,提高空间利用率,d.环保、长寿命,可用 3万,5万h、体积小、质量轻,适宜植物的工厂化生产。一般而言,栽培床面的光照强度或光合有效光量子密度为100,300 μmol?m-2?s-1, 可根据培养植物的种类对光强的需求来配置。照明系统主要包括光源灯具、悬挂装置、电源、电线、配件等 ?湿度控制系统 植物工厂栽培室内空气的相对湿度一般维持在70%,80%。如今工业和民用的加湿设备种类繁多,且功能齐全,只需根据培养植物种类的需求配置。实际上,温度、湿度、气体的流通速度都会影响植物的蒸腾速率和光合作用,例如,当室内气温为20?,栽培室内空气的相对湿度应维持在80%,饱和蒸汽压差为0.5 kPa,时对植物 7 光合速率比较有利,同时,为了使室内空气分布均匀,即使不降温时,也应将空调设定在送风模式下运行。湿控系统包括加湿器、加湿管道、控制系统等 ?自动控制系统 自动控制系统由检测、执行、控制机构组成,控制因子包括温度、湿度、光照、CO2浓度、气流、营养液供给等多种生产要素,在很大程度上控制智能化水平的高低决定着植物工厂的运行效率。智能环境控制以植物生长环境控制为基础,特别需要以环境因子耦合控制下的植物生理响应效应作为依据,需要大量的试验数据, 不同植物种类、不同的生长阶段环境控制的参数不同,需根据实际情况进行调节。在环境控制要素中,最重要的是养分和光照。养分和光照是2个既具有数量属性,又具有质量属性的环境要素,智能控制难度较大,其控制策略具有时间和空间要求,也需要和其他环境要素耦合统筹控制[2]。综合环境调控还包括提高投入资源的利用效率,将植物活体检测信息应用于环境调控以及植物生长速率的检测和控制[7]。自动控制系统包括软件、硬件两部分,硬件包括温度、湿度、光照强度、气流速度、EC、pH、CO2浓度等各种环境因子传感器及PLC控制器、PC机、变送器、摄像机、物联网等 ?植物生产空间管控系统 立体多层规模化量产的植物工厂,还需配备植物生产空间管控系统,包括植物移栽定植装置、植物空间水平垂直移动传输设备、光源灯具水平垂直 8 移动传输设备,以及机械化自动升降机、自动收获等生产管理装备等。植物生产空间管控系统是植物工厂规模化生产流水线作业的主体装备,有利于提高生产效率和管控水平,解决植物工厂内病原菌污染、高空作业安全隐患的问题,降低劳动强度和劳动力成本 1.2 植物工厂的运行成本 ?电力消耗 人工光植物工厂的能耗主要包括人工光源,80%,、空调,16%,及营养液循环系统,4%,等[10]。为减少系统的运行费用,在人工光源节能技术基础上,如何减少植物工厂空调的能耗,主要包括采用LED灯,热泵调温技术、光温耦合节能调温技术等。随着LED灯价格的不断下降,越来越多的植物工厂正在选用LED灯作为人工光源 ?人工费 人工费在植物工厂的成本中占20%,30%,而且每年都有上涨趋势。规模越小的植物工厂,人工成本所占的比例就越高,因为难于安装机械化和自动化的处理系统。如今,日本等国不断研发机械化和自动化设备以用及机器人代替人工,以降低劳动力成本。在生产能力超过每天10 000株绿叶菜的大型植物工厂,自动化处理操作成为降低生产成本的关键。自动收集和分析各种数据,包括环境、植物生长、移植、收获、资源消耗和成本、运输和销售等。许多先进的自动化技术正应用于植物工厂中,包括智能机器人、遥感、图像处理、云计算、大数据分析和三维建模等 9 ?基本材料费 材料包括种子、肥料和培养基质等,种子是最基本的生产资料,种子的种类和质量直接影响植物产品的成本。品种不同,种子价格和发芽率不同。种子的发芽率可通过发芽试验测得,一般种子包装袋上也都有明确标示。种子发芽率越高,则生产成本越低。肥料主要采用杂质少、纯度高的产家生产的肥料。培养基质主要有海绵、岩棉、蛭石、泥炭土、沙等。对于种苗生产来说,还需配备种苗专用穴盘,根据不同的栽培密度采用不同规格的穴盘,如50、72、128、288 穴等。采用不同孔数的穴盘,直接影响穴盘使用量和基质数量。 其他成本还有与生产、销售联系发生的办公管理费、通讯费、交通费等。本文重点讨论直接生产成本和经济效益 1.3 植物工厂生产成本的构成比例 在日本,设备折旧费约占25%、劳动力占25%、 电力成本占30%、其余成本占20%[11]。图1表示的是日本一个日产7 000株生菜规模的植物工厂的成本构成比例。经济寿命计算折旧,不同国家有所不同,在日本,人工光植物工厂的建筑折旧是15 a,设备是10 a,LED灯5 a 在中国,对于面积小于200 m2的人工光植物工厂而言,植物工厂设备折旧费约占28%、劳动力占30%、电力成本占30%、其余成本占12%,数据来源于上海离草科技有限公司和嘉兴华斌农业科技有限公司,。经济寿命计算折旧, 10 一般而言,人工光植物工厂的建筑折旧是15 a,设备是8 a,LED灯3 a 2 植物工厂经济效益分析 理论上,植物工厂立体形式使栽培面积提高了几倍甚至几十倍,由于环境可控,实现了周年不间断栽培,栽培周期缩短、品质提高、植物产量也相应成倍提高。例如生菜30 d就可收获,比大田栽培至少缩短了50%生长周期。尤其是植物工厂还具有观光效益,使植物工厂取得了比传统农业同等面积高出几十倍甚至上百倍的经济效益。然而,植物工厂的发展亦面临诸多问题,需要认真对待,较高的建设成本和运行成本是植物工厂发展的瓶颈 首先, 植物工厂建设成本高,比日光温室、连栋温室高出很多,一般在6 000元/m2以上,一个200 m2的人工光植物工厂,建设成本在150万元以上。日本则更高,每1 m2都在1.5万元人民币以上。其次,植物工厂运行成本较高,特别是能耗和人工成本高,由于植物工厂采用的是人工光源,能耗问题一直以来都是影响其发展的瓶颈,其中主要的能耗来自于照明,约占80%,,另外,环境控制系统运行,空调、气流、营养液供给等,都需要消耗电能,人工方面,自动化程度低,移栽定植、育苗、收获都需要人工。在植物工厂发展处于世界领先水平的日本,生菜生产成本约100日元/100 g,零售价180,200日元/100 g,价格是传统方式种植 11 基地生菜的2倍。在中国台湾,用人工光植物工厂生产1株生菜约70 g的成本是47,56新台币,零售价为81,420新台币[12],1新台币约合0.213 3元人民币, 据上海离草科技有限公司提供的数据,1个200 m2小型的植物工厂,栽培架为4层,生产 1 000株水培生菜,每株质量70,80 g,周期30 d,成本如下, 折旧1 650元,营养液、种子,国产种子,、CO2等180元,用电1 750 kW?h,每1 kW?h电以1元计算,,人工费1 800元,其他600元,共计5 980元,平均每株生菜的直接生产成本约为6元人民币。所以,1株生菜需卖到10元以上才有盈利。可以看出,200 m2以下小型化的人工光植物工厂,因为其自动化程度低,所以人工费最高,其次是电费和折旧 显然,目前植物工厂种植出来的蔬菜在价格上不具有市场竞争力,但其销售群体主要为一些对蔬菜品质要求较高的少数群体,暂时不可能取代传统种植基地的蔬菜在市场上的主流地位 3 提高植物工厂经济效益的对策和途径 植物工厂作为一种新型的农业生产方式,正处于学习和成长阶段,还需要投入更多的关注和研究。 古在丰树[1]教授认为,我们可以通过提高植物工厂的性能来降低生产成本,到2021年电力成本可以下降50%,劳动力成本可以下 12 降50%,初始投资可以减少30%,产品的商业价值提高了30%, 电力照明和空调的成本可以减少约30%。其中,通过使用LED灯可以不断降低生产成本,因为LED灯的成本有望不断下降,甚至低于荧光灯,使用LED灯比荧光灯具有更多优势 3.1 最初的固定资产投资可以通过良好的设计来减少 植物工厂的设计方面具有很大的潜力,一是设计高效节能的照明系统,增加立体栽培的层数,合理高效运转的生产流程和培养空间,可以节省总成本10%,15%,二是充分利用城市建筑、废弃厂房、仓库、地下空间等闲置空间,进行无尘车间的改造工程,节省巨额新建厂房的投入,三是在设备成本方面,一个植物工厂所需的植物光源较多,而使用自主研发的LED模组以及独特的光配方,无需引进或购买,设备成本可降低30%以上 3.2 降低电耗的成本 采用LED灯提高光能利用率。LED 光源作为第4代新型半导体固态冷光源,具有光质纯、光效高、波长类型丰富、光强与光质可调控及节能、环保、寿命长等优点,在人工光植物工厂光环境调控方面具有很好的应用前景[13]。据日本未来公司的介绍,在人工光植物工厂中,与使用荧光灯相比,使用LED灯耗电量降低了40%,生菜的收获量提高了50%。近年来,随着我国LED产业的快速发展,LED灯价格不断 13 降低,产品质量在不断提高,因此,电耗的成本有望不断降低。另外,利用波谷错峰补光,种植阴生的植物等,都可大大降低用电成本50%左右。但在植物工厂能耗结构中,照明占据了80%的比例,而能耗在整个植物工厂的成本结构中仍占25%,30%,因此降低能耗任重道远。而且LED光环境调控是个复杂的过程,涉及光质、光强和光周期等的综合调控,其调控直接影响着植物的生产效率及品质,是人工光植物工厂需实现和满足的技术手段,必须进行深入系统的研究 3.3 降低人工成本 植物工厂要量产和规模化生产,不断提高机械化和自动化水平。我国植物工厂的人工成本比日本高,主要原因其一,植物工厂的规模小,大部分植物工厂的面积都在200 m2左右,其二,机械化和自动化程度低,智能化高精度,h境控制是增加植物工厂作物产量、提高品质、降低人工成本的运行能耗的重要因素,另外,开发植物生产空间自动化管控技术装备,优化组合集成系统也是降低人工成本运行能耗的重要措施。全球首个完全自动化的人工光植物工厂由日本SPREAD 公司建设,日产生菜达30 000 株,β-胡萝卜素含量高达2 710 μg/100 g,是普通生菜的11倍 [14]。 3.4 提高产品的商业价值 生产种苗、功能蔬菜、药用植物、珍稀特蔬菜等附加值高的各种保健植物,推进高机能、高附加价值产品的开发, 14 拓展植物工厂生产的植物种类,探明功能性活性物质合成代谢累积的环境调控机制,增加可使用部位生物量和有益化合物的含量[2]。日本利用植物工厂生产种苗就是一个成功的范例,日本的种苗生产企业的专业化程度很高,效益也很好,特别是小型人工光利用型植物工厂在日本应用较多,至2011年,应用数量已达260座,不少农户家都有这种小型的植物种苗工厂。日本还有很多用植物工厂生产高附加值植物的典型范例,日本村上农园株式会社利用人工光型植物工厂进行芽苗菜生产,主要产品包括结球甘蓝、芥菜、花椰菜、白萝卜的芽苗菜等,产品富含萝卜硫素、β-胡萝卜素、维生素C、维生素E 等功能性成分,其中花椰菜芽苗菜因富含萝卜硫素被称为“超级保健品”[14]。日本富士通半导体株式会社利用植物工厂生产用于透析肾脏病患者食用的低钾生菜与菠菜也已经投放市场,其市场价格是普通生菜的3倍以上[15]。日本著名化妆品品牌“资生堂”旗下也有植物工厂培植蔬菜,用作化妆品和药品的原料,以及三安集团植物工厂与中科院植物所专家合作开展了红豆杉、牛耳草、蛇足石杉等多种药材的研发工作,用于治疗多种疾病等 3.5 良好的商业营销模式 首先,植物工厂是针对都市的,是都市农业重要的组成部分,而不是替代传统温室或开放田地的生产,植物工厂的发展为都市创造了新的市场和商业机会[1]。植物工厂不仅可 15 以生产植物产品,绿化空间,增加室内含氧量,有效吸收室内有害气体,调节空气湿度,还可以体会耕种的乐趣,因此,为了出售植物工厂的所有产品,市场策略比“产品”更重要。北京农众物联科技有限公司位于北京平谷马坊工业园区,该公司采取了完全不一样的运销策略,充分发挥其植物工厂的特征优势,针对都市现代农业服务,在特意化、高附加值、差异化的特需农业产品做文章。公司采用3层立体化的空间利用方式,最下一层为无光暗室,主要培养食用菌,第2层为人工光培养车间,主要培养铁皮石斛、金线莲等药用植物,第3层采用人工光和自然光混合光源,种植特种蔬菜、瓜果、花卉以及家庭设施园艺的展示等。公司的盈利是多方面的,包括植物工厂的产品、阳台菜园、中小学生科普教育、植物工厂的设备和技术输出、观光,因此该公司2015年创造了4亿元的产值。图2是北京农众物联科技有限公司2015年的销售情况,数据由北京农众物联科技有限公司提供,,从中可以看出公司的经营模式 由此可见,植物工厂盈利途径的多样化,植物工厂的市场机会,一是植物工厂设备销售与技术输出,二是植物工厂生产的蔬果作物销售。目前包括日本、中国台湾在内的全球企业在商业模式上进行了大量探索,包括构建多种植物工厂类型、产品、拓展盈利模式等,例如为餐厅、办公室、家庭、医院、社区、学校等提供不同类型的植物工厂,满足不同人 16 群的需求,增加植物工厂生产的植物种类,充分利用植物工 厂的多种功能实现可持续盈利。作为一种新兴的产业,植物 工厂有相当大的空间来改善生产成本、效率和销售策略,从 而获得好的经济效益和可持续发展 参考文献 [1] Kozai T, Niu G, Takagaki M. 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