台湾LED植物工厂发展的现状与挑战(一)

本文选自《半导体照明》杂志2013年第8期 (总第43期) 转载请标注：

近年，完全人工光控制型植物工厂在台湾正逐步形成半导体产业的新显学，结合了台湾在传统农业的技术优势、半导体产业的照明与自动化技术，加上网络信息的深厚产业基础，一时之间植物工厂似乎成为台湾半导体产业发展的重要应用与发展方向。

光合作用是植物生长的要素，因此植物照明与控制被认为是蔬菜与药用植物种植流程自动化的重要手段，因为在环控的种植环境下，需要植物灯来提供全年无休的作物生产的光源，这种新型的作物生产模式产量相较传统农业栽种模式要至少高十倍以上。从自动化技术的发展角度，植物工厂也被视为自动化流程的技术应用，植物工厂这种全年不间断、可以排程栽培、本地生产的特性对人类的农业文明来说确实是个巨大突破，使得人类得以自由地选择在厂房、家中或任何特定商业空间中高效地进行粮食生产，当然也为半导体厂家创造新的营收。

从农业发展的角度来看，现代农业发展由于化肥与农药的使用，得以迅速提升产量以供应激增的人口所产生的巨大粮食需求，对解决全球粮食与贫穷问题居功伟。但传统农业纯属靠天吃饭，不仅作物栽培受到气候与季节限制，无法完全按计划生产，即使作物丰收都受到量多价跌的影响;再加上农民为了确保收成，大量使用农药来防治病虫害，因而造成食品安全的疑虑，又为了提高产能，过度使用化肥，不仅增加成本、更污染农田、河川、湖泊与海洋，更可能造成硝酸盐含量过高，伤害消费者。

所以植物工厂这种高度自动化，可以像工厂一样全年无休排程种植，在地生产新鲜、卫生蔬果的科技农业，并且不会对环境造成污染的优点，自然引起政府与学研单位的高度重视，加上采用植物工厂的生产模式所节省的运输成本，植物工厂就有机会变成一个传统作物生产模式的真正替代选项，这也是风投与私募基金关注植物工厂的原因。

人口膨胀与水资源乏是全球性的大问题，全球人口目前为70亿，未来四十年有可能增加到92亿，以目前仍有将近10亿的饥饿人口来算，40年内需要提升将近58%的粮食产能;但现有耕地已经使用了80%，加上气候异常、可耕地面积减少，以及青壮人口离农趋势等不利因素，前景堪虑。此外，传统农业用去了全球大约87%的淡水资源，所以单位面积生产力的大幅提升与节水技术的建立都是刻不容缓的研究课题(如图1)。

本文除了介绍目前台湾LED植物工厂产业的发展，包括学研单位与工商企业界的推动现况，以及未来前景的展望外，也针对产业化面临的挑战，提供一些探索的心得供大家参考，但LED植物灯的照明与控制技术非本文探讨重点。文中所指的植物工厂是允许全年稳态量产短期野菜、香料作物与具特殊风味的高单价作物的环控设施，不包括组织培养苗、菇类、芽菜与花卉等作物的栽培设施。

图 1 农业单位面积生产力的大幅提升与节水技术的建立是刻不容缓的研究课题

图 2 垂直型农业摩天楼示意图

一、植物工厂的缘起

植物工厂不仅来自于生产效率的提升，同时也关乎人类发展与自然环境关系的省思，尤其是欧美国家“立体农业”(Vertical Farming)的概念，就是企图在满足全球人口膨胀引发的粮食供应缺口的同时，也希望创造可持续发展的生态城市，利用城市产生的热能与污水处理系统，以及人工植物照明与先进灌溉技术，将立体垂直摩天大楼变成能源自给自足的农场，创造高效的农业生产模式，避免农药与化肥的污染，进而可以将传统农业占用的土地复育成为森林。在某些气候恶劣的地区与国家，例如中东沙漠地区、南北极地地区，乃至人类太空探索的旅程，都可借助精密的植物工厂生产作物，以满足人类营养所需的作物与蔬菜(如图2)。

自然光型植物工厂的运作始于1960年代初期奥地利Rusuna公司的立体式植物工厂，“立体农业”的名词也始自于此。荷兰的设施园艺大型化、自动化、信息化则是自1970年代至今稳定发展，至1990年代之后，与“自然光型植物工厂”名称相符的植物工厂生产系统开始大规模地运作，至今荷兰已成为目前全球综合型植物工厂(即自然光为主，人工光源为辅，并于半封闭型温室进行植物生产的模式)技术最领先的国家。

人工光源型植物工厂始于1957年丹麦的Kristensen 农场，并开始十字花科植物水芹 (Cress，荷兰传入)的嫩芽生。在美国，1970年代初期的General Electric公司，1980年代的General Foods公司、General Mills公司皆展开人工光源型植物工厂的运作，但此三家皆因收支不平衡而在1990年代停止运作。1980年代美国NASA则开始使用 LED作为前往火星任务的植物照明。

日本植物工厂的研究始于1974年，由当时就读东京大学农学院的高仓直及当时隶属日立制作所中央研究所的高正基展开。“植物工厂”(Plant Factory)一词始于1985年筑波科学技术万国博览会上植物工厂的实证展示中，1986年日本植物工厂学会成立，2006年此学会与日本生物环境调节学会合并成立日本生物环境工学会。2009年1月，日本农林水产省总合粮食局长与经济产业省经济产业审议官成立的“农工商联合研究会”下设立了“植物工厂工作小组” (以下称作“WG”)，于同年3月前召开了4次委员会议，2009年4月，WG 报告书整理完成，并制定了日本的产业发展战略。

早期人工光源型植物工厂的发展主要针对隔热材、自动化设备、光源种类与效率、空调设备效能等。近年来亦针对栽培环境的控制技术 (包括光环境与温、湿度控制，特别是二氧化碳补充技术)、养液调整技术、排水技术、培地调整技术、培地容器技术、移动技术、整列技术、播种与收获省力化技术等做更精进的研究。所有研究的重点分别针对产品质量提升、生长促进、栽培环境最适化、收获率提升、病害预防等方面。

目前，植物工厂尚存在成本高与作物选择性少 (需符合单位空间与单位时间内的获利达到某一程度以上) 的限制。这些限制因素在十多年后的今天仍然存在，但考虑社会环境乃至全球环境的变迁，各国投入发展可量产短期蔬菜的植物工厂早已是趋势，尤以荷兰、日本为最积极，同样位于东亚的台湾、韩国与中国大陆紧追在后。[!--empirenews.page--]

二、植物工厂的定义、分类与产值

植物工厂是指透过人工模拟植物生长环境，配合高度环境控制及生长预测，使蔬菜等植物独立于外界环境，在室内完成光合作用的一种设施栽培模式。在监控作物的生长及环境状态(如光照、温度、湿度、二氧化碳浓度、养分及水)的同时，精密调控其环境条件，并预测生长趋势，使周年生产得以落实。之所以称之为“工厂”是因为此农业生产模式不受天气和节气影响，具备定期、定质、定量，甚至自动化或半自动化生产管理的特点，颇类似于工业界的量产工厂。植物工厂一般分为三大类，分别为全控型、混合型和日光型(如表1)。

“全控型”植物工厂是不使用太阳光，只使用人工光源进行全年生产的模式。这种植物工厂于完全密闭的空间中生产，可在室内以层架堆栈，大幅增加栽培空间，但由于光照密度高，且须精密调控环境条件，故所需成本很高。这种类型的植物工厂以日本的技术最为领先，植物工厂的概念在日本由来已久，直到近年才真正落实，这是由于人工光照技术的进步，加上政策鼓励农民、企业设厂，并投资学校、企业进行教育训练及研发，许多建筑、食品、纺织业者皆展开创新农业相关事业，全控型植物工厂才再度开始蓬勃发展(如图3)。

图 3 全控型植物工厂

“混合型”植物工厂的光源是以太阳光为基础，但在阴雨天，或对下层栽培的植物必须使用人工光源补光，且在夏季高温或冬季低温时须进行能源和温度调控，为半开放式的空间。这类植物工厂主要以荷兰为代表，以较低的初期建置与营运成本及独到的技术整合领先全球。荷兰于2000年开始，寻求将植物工厂从耗能的温室转变成为自身能源的提供者，全密闭植物工厂变革正逐步展开，预期将来会与日本在全控型植物工厂产生竞争(如图4)。

图 4 混合型植物工厂

“日光型”植物工厂是精密的半封闭型温室，完全以日光为植物生长光源，但充分布建了温湿度控制、浇灌系统与能源管理系统，这是目前主流的设施农业技术，荷兰在这个领域占有极大的全球市场份额，荷兰温室建筑面积为11亿平方米，占全世界玻璃温室面积的1/4，荷兰在混合型植物工厂的竞争优势也由此奠基而来(如图5)。

图 5 日光型植物工厂

植物工厂的市场机会可分为两大类，一是植物工厂设备销售与建置，另一个是植物工厂生产的蔬果作物销售产值。根据Research and Markets与 Yano Research Institute所做的市场调查，预估全球植物工厂的新建与维修市场于2012年可达到720亿美元产值，而植物灯产值则从2009年的1亿2700万美元，增长至2016年的38亿美元。其中，日本植物工厂设备销售规模将于2020年达到640亿日元，这对擅长降低制造成本的台湾与大陆厂商来说都是潜在的商机(如图6)。

图 6 日本植物工厂的市场规模预估