摘要:近些年,隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的不斷探索,智能化植物工廠產(chǎn)業(yè)取得快速發(fā)展,在材料、裝置和技術(shù)方面都取得了快速進(jìn)步。中國(guó)是植物工廠研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化最活躍的國(guó)家,通過引進(jìn)消化、自主研發(fā)創(chuàng)新、應(yīng)用推廣三個(gè)階段,各類型植物工廠正在快速、均衡發(fā)展。2021年我國(guó)新增48座植物工廠,新增面積21.54萬平方米。目前,我國(guó)人工光植物工廠總數(shù)已超過250座,成為數(shù)量?jī)H次于日本的植物工廠發(fā)展大國(guó)。
一、定義及分類
植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng),是利用智能計(jì)算機(jī)和電子傳感系統(tǒng)對(duì)植物生長(zhǎng)的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制,使設(shè)施內(nèi)植物的生長(zhǎng)發(fā)育不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式。按照不同的劃分方式,植物工廠可分為以下幾類:
二、行業(yè)政策
1、主管部門和監(jiān)管體制
植物工廠行業(yè)主管部門主要是指農(nóng)業(yè)農(nóng)村部,其主要負(fù)責(zé)擬訂種植業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)、農(nóng)機(jī)機(jī)械化、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)、農(nóng)墾等農(nóng)業(yè)各產(chǎn)業(yè)(以下簡(jiǎn)稱農(nóng)業(yè))和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策、發(fā)展戰(zhàn)略、中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃并指導(dǎo)實(shí)施,參與涉農(nóng)的財(cái)稅、價(jià)格、金融保險(xiǎn)、進(jìn)出口等政策制定,組織起草農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的法律法規(guī)草案,推進(jìn)農(nóng)業(yè)依法行政。負(fù)責(zé)農(nóng)村改革試驗(yàn)區(qū)相關(guān)工作等。
中國(guó)植物學(xué)會(huì)智能植物工廠分會(huì)是行業(yè)自律性組織,通過不斷吸納科研工作者,充分發(fā)揮多學(xué)科多技術(shù)整合優(yōu)勢(shì),推動(dòng)植物工廠從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究到應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新發(fā)展,為保障國(guó)家大糧食安全提供科技支撐。
2、行業(yè)相關(guān)政策
近年來,植物工廠作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)方向,為推動(dòng)植物工廠發(fā)展國(guó)家制定了系列政策。如2023年6月,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等部門發(fā)布《全國(guó)現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)規(guī)劃(2023—2030年)》,其中提出以全國(guó)超大、特大和大中城市郊區(qū)及其周邊區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn),突出發(fā)展現(xiàn)代都市型智慧設(shè)施農(nóng)業(yè),建設(shè)一批全年生產(chǎn)、立體種植、智能調(diào)控的連棟溫室和植物工廠等高端生產(chǎn)設(shè)施,形成一批布局合理、高產(chǎn)高效的現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化園區(qū)。此外,各地方政府也積極發(fā)布相關(guān)政策,2023年12月,云南省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳、云南省發(fā)展和改革委員會(huì)等四部門發(fā)布《云南省設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化三年行動(dòng)方案(2023—2025年)》,其中提出選準(zhǔn)特色產(chǎn)業(yè)。以蔬菜、花卉、小漿果等為重點(diǎn),新建和提升改造一批全年生產(chǎn)、立體種植、智能調(diào)控的連棟溫室和植物工廠等高端生產(chǎn)設(shè)施,形成一批布局合理、高產(chǎn)高效的現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化園區(qū)。
三、發(fā)展歷程
從發(fā)展歷程來看,我國(guó)從2002年才開始植物工廠的研發(fā)工作;2005年研制出LED植物工廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);2009年推出LED植物工廠商業(yè)化應(yīng)用;2010年上海世博會(huì)首次展出“低碳、智能”家庭LED植物工廠;2013年中國(guó)正式將“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究”項(xiàng)目列入863計(jì)劃,由15家科教單位與企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行技術(shù)研發(fā);2021年至今,中國(guó)已成為世界上植物工廠發(fā)展最快的國(guó)家。目前,我國(guó)人工光植物工廠總數(shù)已超過250座,成為數(shù)量?jī)H次于日本的植物工廠發(fā)展大國(guó)。
四、行業(yè)壁壘
1、技術(shù)壁壘
植物工廠的生產(chǎn)涉及眾多復(fù)雜的技術(shù)領(lǐng)域,包括植物生理學(xué)、環(huán)境控制、LED光譜技術(shù)、營(yíng)養(yǎng)液配置等。這些技術(shù)領(lǐng)域的深入研究和應(yīng)用,是確保植物工廠高效、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。行業(yè)內(nèi)企業(yè)需要不斷地進(jìn)行研發(fā)投入和技術(shù)升級(jí),儲(chǔ)備更多的發(fā)明專利。然而,這些技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用需要大量的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)積累,行業(yè)新進(jìn)入者通常很難在較短時(shí)間內(nèi)形成有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)實(shí)力。
2、資金壁壘
植物工廠的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)需要投入大量的資金。從場(chǎng)地租賃或購買、設(shè)備購置和維護(hù),到種植技術(shù)研發(fā)和能源供應(yīng)等,每個(gè)環(huán)節(jié)都需要大量的資金投入。特別是設(shè)備和技術(shù)支持,如LED燈、氣候控制系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)等,這些設(shè)備和技術(shù)的投入成本較高。這就導(dǎo)致規(guī)模較小的企業(yè)難以滿足市場(chǎng)需求,在一定程度上限制植物工廠的盈利能力和發(fā)展空間。因此,對(duì)于新進(jìn)入者來說,行業(yè)具有較高的資金壁壘。
3、渠道壁壘
渠道壁壘是植物工廠行業(yè)壁壘之一,植物工廠產(chǎn)品的銷售渠道相對(duì)有限,主要包括直銷、代理商、電商平臺(tái)等。而這些渠道往往被行業(yè)內(nèi)的大型企業(yè)或已有品牌占據(jù),新進(jìn)入者很難獲取優(yōu)質(zhì)渠道資源。此外,行業(yè)內(nèi)企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)加劇,也導(dǎo)致了渠道資源的緊張。新進(jìn)入者需要付出更多的努力來與渠道商建立合作關(guān)系,這也增加了其市場(chǎng)進(jìn)入的難度。
五、產(chǎn)業(yè)鏈
1、行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈分析
從植物工廠行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈來看,上游主要包括種子、農(nóng)藥等農(nóng)資供應(yīng)商以及LED植物照明設(shè)備、環(huán)境控制設(shè)備等生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)商;中游是指植物工廠運(yùn)營(yíng)商,主要負(fù)責(zé)植物工廠的建設(shè)、管理和運(yùn)營(yíng);下游是指農(nóng)產(chǎn)品加工商和銷售商,其中農(nóng)產(chǎn)品加工商可將植物工廠生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行深加工,制作出更加多樣化的產(chǎn)品;銷售商則負(fù)責(zé)將產(chǎn)品銷售給終端消費(fèi)者。
2、行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)分析
(1)京東方科技集團(tuán)股份有限公司
京東方科技集團(tuán)股份有限公司創(chuàng)立于1993年4月,是一家為信息交互和人類健康提供智慧端口產(chǎn)品和專業(yè)服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)公司。核心事業(yè)包括端口器件、智慧物聯(lián)和智慧醫(yī)工三大領(lǐng)域,端口器件事業(yè)包括顯示與傳感器件、傳感器及解決方案。作為全球半導(dǎo)體顯示產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè),京東方近年來還利用LED照明和無土栽培,建設(shè)“植物工廠”,幫助偏遠(yuǎn)地區(qū)解決蔬菜需求。目前,公司植物工廠種植多達(dá)30余種葉菜類蔬菜,主栽生菜及菜心兩種葉菜,以直供的方式將蔬菜輸送到各大餐飲門店中,相關(guān)餐飲企業(yè)有將太無二、海底撈、院落私房菜等知名餐飲企業(yè)。從企業(yè)經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)來看,2023年公司營(yíng)業(yè)收入和歸母凈利潤(rùn)雙降,營(yíng)業(yè)收入為1745.43億元,同比下降2.17%;實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn)25.47億元,同比下降66.22%。
(2)三安光電股份有限公司
三安光電股份有限公司主要從事全色系超高亮度LED外延片、芯片、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料、微波通訊集成電路與功率器件、光通訊元器件等的研發(fā)。2015年中科院植物所與福建三安集團(tuán)共同發(fā)起合資企業(yè)福建省中科生物股份有限公司(中科三安),利用中科院植物所在植物科學(xué)領(lǐng)域的研發(fā)成果,結(jié)合三安集團(tuán)旗下核心企業(yè)三安光電領(lǐng)先的LED光源技術(shù),進(jìn)行光生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化,應(yīng)用于現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)及生物制藥領(lǐng)域。中科三安憑借自主研發(fā)的LED照明設(shè)備、植物營(yíng)養(yǎng)液及環(huán)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)人工光立體農(nóng)業(yè)。目前,其自主研發(fā)的植物光譜技術(shù)已經(jīng)在萬米植物工廠內(nèi)廣泛應(yīng)用,推出30個(gè)可量產(chǎn)植物品種,實(shí)現(xiàn)了人工光環(huán)境下2種珍稀藥材資源的室內(nèi)種植。從企業(yè)經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)來看,三安光電實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入101.56億元,同比增長(zhǎng)1.43%;歸母凈利潤(rùn)1.73億元,同比下降82.51%。
六、行業(yè)現(xiàn)狀
近些年,隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的不斷探索,智能化植物工廠產(chǎn)業(yè)取得快速發(fā)展,在材料、裝置和技術(shù)方面都取得了快速進(jìn)步。中國(guó)是植物工廠研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化最活躍的國(guó)家,通過引進(jìn)消化、自主研發(fā)創(chuàng)新、應(yīng)用推廣三個(gè)階段,各類型植物工廠正在快速、均衡發(fā)展。2021年,我國(guó)新增48座植物工廠,新增面積21.54萬平方米。目前,我國(guó)人工光植物工廠總數(shù)已超過250座,成為數(shù)量?jī)H次于日本的植物工廠發(fā)展大國(guó)。
七、發(fā)展因素
1、機(jī)遇
(1)國(guó)家政策的大力支持
近年來,隨著世界環(huán)境、資源等問題日漸突出,植物工廠的發(fā)展優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。為推動(dòng)植物工廠發(fā)展,中央及地方制定并出臺(tái)了一系列法律法規(guī)和政策支持。如2023年12月,云南省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳、云南省發(fā)展和改革委員會(huì)等四部門發(fā)布的《云南省設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化三年行動(dòng)方案(2023—2025年)》中,提出以蔬菜、花卉、小漿果等為重點(diǎn),新建和提升改造一批全年生產(chǎn)、立體種植、智能調(diào)控的連棟溫室和植物工廠等高端生產(chǎn)設(shè)施,形成一批布局合理、高產(chǎn)高效的現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化園區(qū)。
(2)對(duì)高品質(zhì)蔬菜需求增加
近年來,隨著人們生活水平的提高和健康意識(shí)的增強(qiáng),消費(fèi)者對(duì)高品質(zhì)蔬菜的需求也在不斷增加。植物工廠作為一種在密閉環(huán)境下進(jìn)行蔬菜生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)方式,能夠有效阻止病蟲害的侵入,并采取清潔安全的方式進(jìn)行生產(chǎn),從而保證了蔬菜的品質(zhì),正好迎合了這一市場(chǎng)需求。未來,隨著消費(fèi)者對(duì)植物工廠蔬菜的認(rèn)知度和接受度的提高,植物工廠的市場(chǎng)規(guī)模有望進(jìn)一步擴(kuò)大。
(3)技術(shù)進(jìn)步支撐行業(yè)發(fā)展
近年來,光照、溫度、濕度等控制技術(shù)的不斷進(jìn)步,以及人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的應(yīng)用,使得植物工廠的生產(chǎn)環(huán)境得到了更加精準(zhǔn)和高效的模擬和控制,提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。這些技術(shù)的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用,使得植物工廠的生產(chǎn)環(huán)境更加可控、可預(yù)測(cè)和可優(yōu)化,為植物工廠的發(fā)展提供了更多的可能性。未來,隨著這些技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和融合,植物工廠有望在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用,為人類提供更加安全、健康、高品質(zhì)的蔬菜產(chǎn)品。
2、挑戰(zhàn)
(1)行業(yè)成本較高
當(dāng)前,植物工廠造價(jià)高,最低造價(jià)每平方米也在千元以上,最高可達(dá)幾萬元,高昂的成本嚴(yán)重地限制了技術(shù)的推廣。成本較高的原因主要包括兩個(gè)方面:一是前期投入成本較高。植物工廠是設(shè)施農(nóng)業(yè),需要通過人工光源或補(bǔ)光系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液設(shè)備和智能監(jiān)控系統(tǒng)等外在硬件設(shè)備,以及對(duì)溫、光、水、氣、肥等環(huán)境的智能調(diào)控管理,而這些設(shè)施成本較高。二是植物工廠耗電量巨大,有的耗電成本投入甚至大于產(chǎn)出價(jià)值,這在家庭植物工廠中表現(xiàn)尤其明顯。而且后期對(duì)植物工廠的維護(hù)與管理還要有一筆開支。因此,如何降低成本是解決制約植物工廠進(jìn)一步發(fā)展與推廣的最主要“瓶頸”問題。
(2)生產(chǎn)作物研究的種類較少
目前對(duì)作物在植物工廠中生長(zhǎng)規(guī)模的研究不夠深入,所涉及的作物種類較少。眾所周知,不同作物的生長(zhǎng)所需要的光照、溫度、濕度和營(yíng)養(yǎng)液等都不相同,同種作物在不同時(shí)期不同環(huán)境下的生長(zhǎng)需求也不相同。但是到目前為止,僅有部分作物具有相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)指標(biāo),還存在很多未開發(fā)作物在實(shí)際生產(chǎn)中缺乏生產(chǎn)指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持。這一問題會(huì)使未開發(fā)作物在植物工廠中的生長(zhǎng)效果不佳,生產(chǎn)效率低下。
(3)智能化程度較低
近年來,植物工廠的智能化研究不斷發(fā)展,但家庭植物工廠高成本、低產(chǎn)出使其產(chǎn)業(yè)化程度低,導(dǎo)致家庭植物工廠的智能化研究很少,基本還停留在環(huán)境控制方面。由于人類的生活節(jié)奏不斷加快,生活品質(zhì)不斷提高,促進(jìn)植物工廠的家庭化與智能化成為當(dāng)前的研究課題?;ヂ?lián)網(wǎng)以及手機(jī)網(wǎng)絡(luò)成為人們生活中不可缺少的物品,如何將互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)和智能控制結(jié)合起來,成為植物工廠下一步研究的課題。
八、競(jìng)爭(zhēng)格局
植物工廠行業(yè)是一個(gè)相對(duì)新興的行業(yè),目前還沒有明確的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者。進(jìn)入植物工廠行業(yè)的主要競(jìng)爭(zhēng)者包括大型農(nóng)業(yè)公司、科技公司、物流公司以及創(chuàng)新企業(yè),如京東、京東方、三安光電、四維生態(tài)等。這些競(jìng)爭(zhēng)者各有不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。大型農(nóng)業(yè)公司和物流公司具有豐富的農(nóng)業(yè)和物流經(jīng)驗(yàn),能夠提供全方位的服務(wù),包括種子選購、種植指導(dǎo)、植物育種、農(nóng)產(chǎn)品銷售和物流運(yùn)輸?shù)取5?,這些公司在植物工廠方面的技術(shù)和設(shè)備可能不夠先進(jìn),無法滿足現(xiàn)代植物工廠的高效運(yùn)作需求??萍脊竞蛣?chuàng)新企業(yè)在植物工廠技術(shù)方面具有很強(qiáng)的實(shí)力和優(yōu)勢(shì),能夠提供先進(jìn)的植物育種技術(shù)、智能化設(shè)備和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方案等。同時(shí)這些企業(yè)也具有較強(qiáng)的研發(fā)能力,能夠持續(xù)改進(jìn)和創(chuàng)新產(chǎn)品,提高植物工廠的效率和產(chǎn)量。但是,這些公司在農(nóng)業(yè)和物流方面的經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少,可能無法提供全方位的服務(wù)。
九、發(fā)展趨勢(shì)
隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)提高,植物工廠是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的首選發(fā)展模式。目前,植物工廠管理多由人工完成,管理難度大、成本高、效率低,同時(shí)也容易帶來病菌污染。實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與設(shè)施裝備的深度融合,提升設(shè)施裝備的自動(dòng)化、智能化水平,有助于解決設(shè)施農(nóng)業(yè)走向產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?;a(chǎn)存在的問題。植物工廠發(fā)展至今,結(jié)合光電技術(shù)與生物學(xué)技術(shù)興起智能植物工廠,代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向,集高技術(shù)、高投入、高產(chǎn)出于一體,更加集成化、產(chǎn)業(yè)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化,是解決當(dāng)下食品安全、環(huán)境污染、土地資源緊張、勞動(dòng)力成本上升的有效途徑。
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