本文選自《半導(dǎo)體照明》雜志2013年第8期 (總第43期) 轉(zhuǎn)載請標(biāo)注：中國半導(dǎo)體照明網(wǎng)

 近年，完全人工光控制型植物工廠在臺灣正逐步形成半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的新顯學(xué)，結(jié)合了臺灣在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的照明與自動化技術(shù)，加上網(wǎng)絡(luò)信息的深厚產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，一時之間植物工廠似乎成為臺灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要應(yīng)用與發(fā)展方向。

 光合作用是植物生長的要素，因此植物照明與控制被認(rèn)為是蔬菜與藥用植物種植流程自動化的重要手段，因?yàn)樵诃h(huán)控的種植環(huán)境下，需要植物燈來提供全年無休的作物生產(chǎn)的光源，這種新型的作物生產(chǎn)模式產(chǎn)量相較傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)栽種模式要至少高十倍以上。從自動化技術(shù)的發(fā)展角度，植物工廠也被視為自動化流程的技術(shù)應(yīng)用，植物工廠這種全年不間斷、可以排程栽培、本地生產(chǎn)的特性對人類的農(nóng)業(yè)文明來說確實(shí)是個巨大突破，使得人類得以自由地選擇在廠房、家中或任何特定商業(yè)空間中高效地進(jìn)行糧食生產(chǎn)，當(dāng)然也為半導(dǎo)體廠家創(chuàng)造新的營收。

 從農(nóng)業(yè)發(fā)展的角度來看，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展由于化肥與農(nóng)藥的使用，得以迅速提升產(chǎn)量以供應(yīng)激增的人口所產(chǎn)生的巨大糧食需求，對解決全球糧食與貧窮問題居功偉。但傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)純屬靠天吃飯，不僅作物栽培受到氣候與季節(jié)限制，無法完全按計(jì)劃生產(chǎn)，即使作物豐收都受到量多價跌的影響;再加上農(nóng)民為了確保收成，大量使用農(nóng)藥來防治病蟲害，因而造成食品安全的疑慮，又為了提高產(chǎn)能，過度使用化肥，不僅增加成本、更污染農(nóng)田、河川、湖泊與海洋，更可能造成硝酸鹽含量過高，傷害消費(fèi)者。

 所以植物工廠這種高度自動化，可以像工廠一樣全年無休排程種植，在地生產(chǎn)新鮮、衛(wèi)生蔬果的科技農(nóng)業(yè)，并且不會對環(huán)境造成污染的優(yōu)點(diǎn)，自然引起政府與學(xué)研單位的高度重視，加上采用植物工廠的生產(chǎn)模式所節(jié)省的運(yùn)輸成本，植物工廠就有機(jī)會變成一個傳統(tǒng)作物生產(chǎn)模式的真正替代選項(xiàng)，這也是風(fēng)投與私募基金關(guān)注植物工廠的原因。

 人口膨脹與水資源乏是全球性的大問題，全球人口目前為70億，未來四十年有可能增加到92億，以目前仍有將近10億的饑餓人口來算，40年內(nèi)需要提升將近58%的糧食產(chǎn)能;但現(xiàn)有耕地已經(jīng)使用了80%，加上氣候異常、可耕地面積減少，以及青壯人口離農(nóng)趨勢等不利因素，前景堪慮。此外，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)用去了全球大約87%的淡水資源，所以單位面積生產(chǎn)力的大幅提升與節(jié)水技術(shù)的建立都是刻不容緩的研究課題(如圖1)。

 本文除了介紹目前臺灣LED植物工廠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，包括學(xué)研單位與工商企業(yè)界的推動現(xiàn)況，以及未來前景的展望外，也針對產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)，提供一些探索的心得供大家參考，但LED植物燈的照明與控制技術(shù)非本文探討重點(diǎn)。文中所指的植物工廠是允許全年穩(wěn)態(tài)量產(chǎn)短期野菜、香料作物與具特殊風(fēng)味的高單價作物的環(huán)控設(shè)施，不包括組織培養(yǎng)苗、菇類、芽菜與花卉等作物的栽培設(shè)施。

        圖 1 農(nóng)業(yè)單位面積生產(chǎn)力的大幅提升與節(jié)水技術(shù)的建立是刻不容緩的研究課題

        圖 2 垂直型農(nóng)業(yè)摩天樓示意圖

        一、植物工廠的緣起

 植物工廠不僅來自于生產(chǎn)效率的提升，同時也關(guān)乎人類發(fā)展與自然環(huán)境關(guān)系的省思，尤其是歐美國家“立體農(nóng)業(yè)”(Vertical Farming)的概念，就是企圖在滿足全球人口膨脹引發(fā)的糧食供應(yīng)缺口的同時，也希望創(chuàng)造可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)城市，利用城市產(chǎn)生的熱能與污水處理系統(tǒng)，以及人工植物照明與先進(jìn)灌溉技術(shù)，將立體垂直摩天大樓變成能源自給自足的農(nóng)場，創(chuàng)造高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，避免農(nóng)藥與化肥的污染，進(jìn)而可以將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)占用的土地復(fù)育成為森林。在某些氣候惡劣的地區(qū)與國家，例如中東沙漠地區(qū)、南北極地地區(qū)，乃至人類太空探索的旅程，都可借助精密的植物工廠生產(chǎn)作物，以滿足人類營養(yǎng)所需的作物與蔬菜(如圖2)。

 自然光型植物工廠的運(yùn)作始于1960年代初期奧地利Rusuna公司的立體式植物工廠，“立體農(nóng)業(yè)”的名詞也始自于此。荷蘭的設(shè)施園藝大型化、自動化、信息化則是自1970年代至今穩(wěn)定發(fā)展，至1990年代之后，與“自然光型植物工廠”名稱相符的植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)開始大規(guī)模地運(yùn)作，至今荷蘭已成為目前全球綜合型植物工廠(即自然光為主，人工光源為輔，并于半封閉型溫室進(jìn)行植物生產(chǎn)的模式)技術(shù)最領(lǐng)先的國家。

 人工光源型植物工廠始于1957年丹麥的Kristensen 農(nóng)場，并開始十字花科植物水芹 (Cress，荷蘭傳入)的嫩芽生。在美國，1970年代初期的General Electric公司，1980年代的General Foods公司、General Mills公司皆展開人工光源型植物工廠的運(yùn)作，但此三家皆因收支不平衡而在1990年代停止運(yùn)作。1980年代美國NASA則開始使用 LED作為前往火星任務(wù)的植物照明。

 日本植物工廠的研究始于1974年，由當(dāng)時就讀東京大學(xué)農(nóng)學(xué)院的高倉直及當(dāng)時隸屬日立制作所中央研究所的高正基展開。“植物工廠”(Plant Factory)一詞始于1985年筑波科學(xué)技術(shù)萬國博覽會上植物工廠的實(shí)證展示中，1986年日本植物工廠學(xué)會成立，2006年此學(xué)會與日本生物環(huán)境調(diào)節(jié)學(xué)會合并成立日本生物環(huán)境工學(xué)會。2009年1月，日本農(nóng)林水產(chǎn)省總合糧食局長與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)審議官成立的“農(nóng)工商聯(lián)合研究會”下設(shè)立了“植物工廠工作小組” (以下稱作“WG”)，于同年3月前召開了4次委員會議，2009年4月，WG 報告書整理完成，并制定了日本的產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。

 早期人工光源型植物工廠的發(fā)展主要針對隔熱材、自動化設(shè)備、光源種類與效率、空調(diào)設(shè)備效能等。近年來亦針對栽培環(huán)境的控制技術(shù) (包括光環(huán)境與溫、濕度控制，特別是二氧化碳補(bǔ)充技術(shù))、養(yǎng)液調(diào)整技術(shù)、排水技術(shù)、培地調(diào)整技術(shù)、培地容器技術(shù)、移動技術(shù)、整列技術(shù)、播種與收獲省力化技術(shù)等做更精進(jìn)的研究。所有研究的重點(diǎn)分別針對產(chǎn)品質(zhì)量提升、生長促進(jìn)、栽培環(huán)境最適化、收獲率提升、病害預(yù)防等方面。

 目前，植物工廠尚存在成本高與作物選擇性少 (需符合單位空間與單位時間內(nèi)的獲利達(dá)到某一程度以上) 的限制。這些限制因素在十多年后的今天仍然存在，但考慮社會環(huán)境乃至全球環(huán)境的變遷，各國投入發(fā)展可量產(chǎn)短期蔬菜的植物工廠早已是趨勢，尤以荷蘭、日本為最積極，同樣位于東亞的臺灣、韓國與中國大陸緊追在后。

        二、植物工廠的定義、分類與產(chǎn)值

 植物工廠是指透過人工模擬植物生長環(huán)境，配合高度環(huán)境控制及生長預(yù)測，使蔬菜等植物獨(dú)立于外界環(huán)境，在室內(nèi)完成光合作用的一種設(shè)施栽培模式。在監(jiān)控作物的生長及環(huán)境狀態(tài)(如光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度、養(yǎng)分及水)的同時，精密調(diào)控其環(huán)境條件，并預(yù)測生長趨勢，使周年生產(chǎn)得以落實(shí)。之所以稱之為“工廠”是因?yàn)榇宿r(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式不受天氣和節(jié)氣影響，具備定期、定質(zhì)、定量，甚至自動化或半自動化生產(chǎn)管理的特點(diǎn)，頗類似于工業(yè)界的量產(chǎn)工廠。植物工廠一般分為三大類，分別為全控型、混合型和日光型(如表1)。

 “全控型”植物工廠是不使用太陽光，只使用人工光源進(jìn)行全年生產(chǎn)的模式。這種植物工廠于完全密閉的空間中生產(chǎn)，可在室內(nèi)以層架堆棧，大幅增加栽培空間，但由于光照密度高，且須精密調(diào)控環(huán)境條件，故所需成本很高。這種類型的植物工廠以日本的技術(shù)最為領(lǐng)先，植物工廠的概念在日本由來已久，直到近年才真正落實(shí)，這是由于人工光照技術(shù)的進(jìn)步，加上政策鼓勵農(nóng)民、企業(yè)設(shè)廠，并投資學(xué)校、企業(yè)進(jìn)行教育訓(xùn)練及研發(fā)，許多建筑、食品、紡織業(yè)者皆展開創(chuàng)新農(nóng)業(yè)相關(guān)事業(yè)，全控型植物工廠才再度開始蓬勃發(fā)展(如圖3)。

圖 3 全控型植物工廠

 “混合型”植物工廠的光源是以太陽光為基礎(chǔ)，但在陰雨天，或?qū)ο聦釉耘嗟闹参锉仨毷褂萌斯す庠囱a(bǔ)光，且在夏季高溫或冬季低溫時須進(jìn)行能源和溫度調(diào)控，為半開放式的空間。這類植物工廠主要以荷蘭為代表，以較低的初期建置與營運(yùn)成本及獨(dú)到的技術(shù)整合領(lǐng)先全球。荷蘭于2000年開始，尋求將植物工廠從耗能的溫室轉(zhuǎn)變成為自身能源的提供者，全密閉植物工廠變革正逐步展開，預(yù)期將來會與日本在全控型植物工廠產(chǎn)生競爭(如圖4)。

圖 4 混合型植物工廠

 “日光型”植物工廠是精密的半封閉型溫室，完全以日光為植物生長光源，但充分布建了溫濕度控制、澆灌系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)，這是目前主流的設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)，荷蘭在這個領(lǐng)域占有極大的全球市場份額，荷蘭溫室建筑面積為11億平方米，占全世界玻璃溫室面積的1/4，荷蘭在混合型植物工廠的競爭優(yōu)勢也由此奠基而來(如圖5)。

圖 5 日光型植物工廠

 植物工廠的市場機(jī)會可分為兩大類，一是植物工廠設(shè)備銷售與建置，另一個是植物工廠生產(chǎn)的蔬果作物銷售產(chǎn)值。根據(jù)Research and Markets與 Yano Research Institute所做的市場調(diào)查，預(yù)估全球植物工廠的新建與維修市場于2012年可達(dá)到720億美元產(chǎn)值，而植物燈產(chǎn)值則從2009年的1億2700萬美元，增長至2016年的38億美元。其中，日本植物工廠設(shè)備銷售規(guī)模將于2020年達(dá)到640億日元，這對擅長降低制造成本的臺灣與大陸廠商來說都是潛在的商機(jī)(如圖6)。

圖 6 日本植物工廠的市場規(guī)模預(yù)估