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為是蔬菜與藥用植物種植流程自動化的重要手段，因為在環(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，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)省的運輸成本，植物工廠就有機會變成一個傳統(tǒng)作物生產(chǎn)模式的真正替代選項，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。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作，但此三家皆因收支不平衡而在1990年代停止運作。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?！爸参锕S”(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)濟產(chǎn)業(yè)省經(jīng)濟產(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)等做更精進的研究。所有研究的重點分別針對產(chǎn)品質(zhì)量提升、生長促進、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。之所以稱之為“工廠”是因為此農(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，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，這是由于人工光照技術(shù)的進步，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光，且在夏季高溫或冬季低溫時須進行能源和溫度調(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成本及獨到的技術(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(如圖6)。

圖 6 日本植物工廠的市場規(guī)模預(yù)估