植物工厂基础与概要
什么是植物工厂——从现场视角解读其原理、类型与特点
植物工厂并不是把农业工业化的技术。更准确地说，它是一种由人来设计作物生长环境、缩小天气和季节波动的生产系统。
能够控制温度、湿度、光照、CO2和营养液，这是它很大的优势。另一方面，植物工厂还要承担设备投资、电费、人工费等成本，因此如果只把它简单理解为”未来的农业”，就会看错它的实际面貌。
本文将一并梳理植物工厂的定义、它与露地栽培和设施栽培的区别、主要的栽培方式，以及商业层面的优点与课题。
关于植物工厂的风险与安全性，请参阅以下文章。
植物工厂的基础：通过环境控制种植蔬菜的设施
植物工厂，顾名思义，是用类似工厂的设备来种植植物的设施。与普通工厂不同的是，它生产的不是工业产品，而是蔬菜。
什么是植物工厂——通过环境控制种植蔬菜的”工厂”
具体来说，要根据作物的种类和生长阶段，对温度、湿度、光照、CO2浓度、营养液（溶有肥料的水）等进行控制。
其目的是营造能够稳定品质和产量的生育条件。在保持品质均一的同时把产量做到最大、并排除天气带来的不确定性，正是植物工厂最根本的价值。再结合机械自动化，日常管理的负担也能大幅降低。
那么，田间或塑料大棚里的栽培与植物工厂相比，差别在哪里呢？最大的差别是”环境控制的程度”。
露地栽培受雨、风、日照等自然环境影响很大。塑料大棚虽然能在一定程度上控制环境，但远不如植物工厂。植物工厂不受天气左右、能够稳定且按计划生产蔬菜，这正是它的最大特征与强项。
植物工厂的历史
植物工厂的原型可以追溯到1950年代的美国。当时，以在宇宙空间生产食物为目标的研究中，开始了在封闭环境中种植植物的尝试。
1970年代，日本国内的研究也正式展开。背景是粮食危机的担忧逐渐上升，社会对稳定的粮食供应系统提出了需求。不过，早期的植物工厂成本过高，未能投入实际使用。
植物工厂真正开始大幅发展，是在2010年代以后。LED的普及大幅削减了耗电量，能够实现收支平衡的案例逐渐增多。如今，面向省力化和提升生产效率的技术开发仍在持续，经过半个多世纪的研究开发，植物工厂终于迎来了普及期。
植物工厂在未来将成为必需的背景
之所以需要在室内种植蔬菜，背后有两大社会课题：一是”粮食的稳定供应”，二是”气候变化”。
先说粮食的稳定供应。世界人口仍在持续增长，到2050年将接近100亿。随着人口增加，粮食需求也在扩大；而耕地面积有限，且因沙漠化和城市化仍在不断减少。在日本，农户的老龄化和接班人短缺相当严峻，如何确保支撑农业的人才已成为现实问题。
气候变化方面的形势也越来越严峻。近年极端天气频发，给农业生产带来沉重打击。在创纪录的酷暑、长期干旱、集中暴雨、强台风反复出现的情况下，仅靠露地栽培来稳定供应已显出明显的局限。
植物工厂被寄予厚望，被视为应对粮食供应不稳定与气候变化所带来的生产风险的有效手段。
农业的三种形态：比较露地栽培、设施栽培与植物工厂
植物工厂只是农业的一种形态。把它和其他形态并排比较，植物工厂的特点会更加清晰。
农业的三种形态与栽培方法的组合
农业大致可以分为露地栽培、设施栽培、植物工厂三种。下表整理了各自适合的栽培方法。
| 露地栽培 | 设施栽培 | 植物工厂 | |
|---|---|---|---|
| 土耕 | ◎ | 〇 | △ |
| 水培 | × | △ | ◎ |
| 固体培养基 | △ | 〇 | 〇 |
| 喷雾栽培 | × | × | ◎ |
- ◎: 最适合
- 〇: 适合
- △: 有条件可行（受限）
- ×: 不适合
设施区分
- 露地栽培
- 在没有屋顶和墙壁的室外田地里栽培。利用阳光和雨水等自然环境，需要大面积土地。
- 设施栽培
- 利用塑料大棚、温室等带屋顶和墙壁的设施进行栽培。能够减轻外界气候的影响，并在一定程度上控制温度和湿度。与露地栽培相比，生产更稳定。需要投入设施建设和维护的费用。
- 植物工厂
- 在封闭空间内人为控制生育环境。可以对光照、温度、湿度、CO2、营养液等进行优化，实现不受天气影响的周年栽培和计划生产。需要先进的设备和技术，以及较高的运行成本。
栽培方法
- 土耕
- 在土壤中栽培植物。需要施肥、浇水等基本的栽培管理。在露地栽培和设施栽培中被广泛采用。
- 水培
- 不使用土壤，仅靠营养液栽培植物。环境清洁，病虫害少，作物生长速度快。需要较高水平的营养液管理，主要在植物工厂中使用。
- 固体培养基
- 使用椰壳、岩棉等固体培养基。兼具营养液和固体培养基双方的特性。比水培更便于管理，在设施栽培和植物工厂中被采用。
- 喷雾栽培
- 将营养液雾化后喷向根部进行栽培。由于根部暴露在空气中，氧气供给效率高。需要较高的环境控制水平，只能在植物工厂等有限的环境中使用。
也许有读者会想：“植物工厂里种出来的蔬菜安全吗？""工厂”这个词容易让人产生这样的疑问，这很自然；不过一旦了解其原理，对安全性的担忧基本上就会消除。详情请参阅以下文章。
按设施区分比较各自的差异
露地栽培、设施栽培、植物工厂的差别，会体现在环境控制程度、生产效率、成本等方面。
| 露地栽培 | 设施栽培 | 植物工厂 | |
|---|---|---|---|
| 环境控制 | 低 | 中 | 高 |
| 生产效率 | 低 | 中 | 高 |
| 品质 | 参差不齐 | 较为稳定 | 均一 |
| 成本 | 低 | 中 | 高 |
| 环境负荷 | 高 | 中 | 低 |
| 稳定供应 | 不稳定 | 较为稳定 | 稳定 |
| 应对气候变化的能力 | 低 | 中等 | 高 |
| 栽培品种 | 季节性品种 | 比露地栽培更广 | 叶菜、部分果菜类等 |
各项要点
- 环境控制：
- 植物工厂能够对温度、湿度、光照、CO2等进行高水平控制，营造最适合作物生长的环境。设施栽培能在一定程度上控制环境；露地栽培则完全依赖自然环境。
- 生产效率：
- 植物工厂单位面积的产量最高。设施栽培比露地栽培效率高，但仍不及植物工厂。
- 品质：
- 植物工厂的品质均一，并且可以对营养价值和功能性成分进行控制。露地栽培受自然环境影响，品质容易出现波动。
- 成本：
- 露地栽培的初期投资较低，而植物工厂在设施建设、设备、运行等方面都需要大量费用。设施栽培的成本介于两者之间。
- 环境负荷：
- 植物工厂能大幅降低单位面积的用水量和农药使用量。但能耗较大。露地栽培需要大面积土地，并因农药和肥料造成较大的环境负荷。
- 稳定供应：
- 植物工厂不受天气影响，能够实现周年栽培，因此供应稳定。设施栽培也较为稳定；露地栽培则会被天气和季节左右。
- 应对气候变化的能力：
- 植物工厂受极端天气影响小，对气候变化的耐受性强。设施栽培比露地栽培更具耐受性，但仍不及植物工厂。
- 栽培品种：
- 露地栽培以季节性蔬菜为主。设施栽培能够栽培的品种范围更广。植物工厂以叶菜为主，但比较容易做出功能性蔬菜。
植物工厂的运作原理
植物工厂最具代表性的形象，是上下排列的多层货架上密密麻麻种满蔬菜的多段式设备。在这样的设备里，水培被广泛采用。不过，除了水培，还有其他几种栽培方法。
按栽培方法比较其差异（植物工厂）
由于植物工厂与外界空气相对隔绝，与水培非常契合，因此被广泛采用。除此之外，还有固体培养基栽培、喷雾栽培等能够发挥植物工厂特性的栽培方法。
| 项目 | 水培 | 固体培养基栽培 | 喷雾栽培 |
|---|---|---|---|
| 栽培方法 | 仅用营养液栽培，不需土壤 | 使用固体培养基（椰壳、岩棉等），点滴灌溉 | 让根部暴露在空气中，把营养液雾化喷向根部 |
| 特点 | 清洁，病虫害少，生长快，易于自动化 | 比水培更便于管理，口感接近土耕，排水处理方便 | 氧气供给充足，促进根系生长，节省空间 |
| 优点 | 清洁，病虫害少，生长快，易于自动化 | 比水培更便于管理，口感接近土耕，排水处理方便 | 氧气供给充足，促进根系生长，节省空间 |
| 缺点 | 营养液管理至关重要，设备成本高 | 培养基的废弃处理较麻烦，初期成本略高 | 需要高水平的环境控制，设备成本高，技术难度高 |
| 栽培示例 | 叶菜（生菜、奶油生菜）、香草、小葱 | 果菜类（番茄、草莓）、花卉 | 叶菜、育苗、研究用 |
按设施区分比较其差异（植物工厂）
除了栽培方法外，还可以按使用太阳光还是人工光来分类。这一差别直接关系到电费、设备费和人工费，对商业的盈利性有重要影响。
将露地栽培也包含在内，从太阳光型、混合型、人工光型、露地栽培这四种类型进行比较。
可横向滚动
| 太阳光型 | 混合型 | 人工光型 | 露地栽培 | |
|---|---|---|---|---|
| 栽培形态占比 | 50% | 14% | 37% | – |
| 主要光源 | 太阳光 | 太阳光，LED 80%，高压钠灯及荧光灯等27% | LED 95%（以白色LED为主），与荧光灯并用的占11% | 太阳光 |
| 水源 | 井水72%，自来水26% | 井水60%，自来水30% | 以自来水为主（出于卫生管理，使用自来水的设施较多） | 雨水、井水、自来水等 |
| 是否进行CO2施用 | 82%施用 | 94%施用 | 88%施用 | 不施用（依靠大气中CO2） |
| 主要栽培品种 | 番茄类61%，生菜类10%，草莓8%，草莓以外的果菜类8% | 番茄类40%，草莓20%，生菜类15%，花卉10% | 生菜类90% | 范围广泛 |
| 雇员人数（全年：正式） | 平均8.6人。整体中1～4人占36%，5～9人占33% | 平均10.6人 | 平均9.4人 | 视经营规模而定 |
| 雇员人数（全年：非正式・兼职） | 20～49人占34%最多。平均31.7人 | 50人以上占45%最多。平均51.2人 | 20～49人占28%最多。平均19.0人 | 视经营规模而定 |
| 雇员人数（短期雇用） | 60%没有雇用（太阳光利用合计）。雇用时平均3.4人 | 平均4.5人 | – | 视经营规模而定 |
| 主要品种的作业比例 | 番茄中栽培管理40%，采收24%，出货21% | 作为太阳光利用合计统计 | 生菜类中出货28%，移植・定植16%，清洗11% | 视品种和栽培规模而定 |
| 最近的经营业绩 | 盈利或收支平衡的占七成以上 | 盈利或收支平衡的占七成以上 | 盈利或收支平衡的约占五成 | – |
| 年销售额 | 平均4.0亿日元 | 平均4.9亿日元 | 平均1.6亿日元 | 视经营规模而定 |
| 各栽培形态的成本比例 | 人工费32〜36%最大，水电气费17%，种苗及农资费17% | 同左 | 人工费32〜36%最大，电费24%（照明58%，空调31%，其他11%） | 视品种和栽培规模而定 |
※本植物工厂数据基于Japan Greenhouse Horticulture Association所实施的2025年度（令和7年度）“大规模设施园艺・植物工厂 实态调查・案例调查”的结果。
※露地栽培因天气、所处地点、经营规模、作物等条件差异极大，无法仅凭数字进行简单比较。
从植物工厂商业的角度思考
植物工厂凭借稳定供应、高品质、降低环境负荷等优点，作为商业机会也备受关注。但课题同样不少，进入这一领域并不一定就能成功。如果在考虑进入植物工厂行业，对其缺点也必须有准确的认识。
植物工厂面临的课题
植物工厂仍存在许多课题。大企业在进入后又迅速撤出的情况屡见不鲜，背后正是以下这些问题。
特别是人工光型，最近的经营业绩中盈利或收支平衡的比例只有约五成，与太阳光型、混合型（均在七成以上）相比，经营难度明显更高。电力成本的结构性负担，是造成这一差距的主因。
- 高额的初期费用与运行成本：
- 建设植物工厂在设施和设备上需要大量的初期投入。此外，电费和空调费用等运行成本相比传统农业也容易偏高。特别是人工光型植物工厂，LED植物照明和空调系统都要消耗大量电力，因此降低成本是一项重要课题。
- 栽培技术高度化与人才不足：
- 植物工厂需要运用植物生理学和环境工程学等专业知识高效地生产蔬菜。但具备这些知识与经验的人才十分有限，培养人才已是当务之急。
- 品种与品类受限：
- 现阶段的植物工厂能够栽培的作物种类有限。以生菜等叶菜为主，水稻、小麦等谷物，以及果树、根菜类等许多作物仍然难以栽培。
针对高成本、人才不足、栽培品种受限等课题，世界各地都在推进研发。利用太阳光的植物工厂的开发，以及AI驱动的环境控制系统的引入，都是面向节能化与高效化的技术革新。
但是，AI和自动化等新技术在现场尚不能说已经充分发挥作用。许多环节仍依赖人工，植物工厂依然是一个发展中的行业。
让植物工厂商业获得成功的思路
要在植物工厂行业中取得成功，重要的不只是对技术和设备的投入，还有面对市场的方式。
首先要做的，是明确自己要把什么样的蔬菜送到谁的手中。是向附近的餐厅供应高附加值的香草和嫩叶菜，还是向超市出货品质稳定的叶菜，又或是把功能性蔬菜送到健康意识强的消费者手中？目标对象一变，需要种植的品种和栽培设计就完全不同。从其他行业进入这一领域的企业，往往容易陷入”把做出来的东西卖出去”的思维；如果没有”做出能卖出去的东西”这一视角，要在市场中生存下去会很困难。
与竞争对手的差异化也不可或缺。植物工厂行业的新进入者在不断增加，一旦被卷入同质化的竞争，就容易承受价格压力。在品质、品种、服务、品牌故事等方面，要尽早确定自己在哪里拉开差距。
此外，植物工厂在结构上需要达到一定规模才容易实现盈利。这又是一个技术革新很快的领域，因此必须在持续吸收最新技术与市场信息的同时，同时追求生产效率提升与成本下降。