中山大学王鹏等Nature Food：可再生能源驱动植物工厂的食品供应潜力与低碳转型路径
稳定的农业系统对避免人口饥饿、维持社会稳定具有重要意义。受到极端天气、气候变化等因素影响，传统的露天农业生产模式呈现突出的脆弱性，亟需构建稳定且可持续的生产方方法。近日，中山大学王鹏教授等合作提出可再生能源驱动的植物工厂方法（RFPFs），论证了该方法对于满足中国居民日常蔬菜需求的潜力，并提出了蔬菜种植的协同减污降碳路径。相关研究以"Renewable-fuelled plant factories ensure large-scale food supply but require low-carbon transition for environmental gains"为题发表于Nature Food。
植物工厂是一种新兴的农业种植方法，具有垂直种植、种植环境可控等优点，可确保农作物的高效稳定生产，尤其适合种植生长周期快、外界环境要求高的蔬菜。常规的植物工厂需要大量能源以运行蔬菜生长所需的人工光照及空气调节系统，限制了其大规模应用。这一问题可以通过可再生能源驱动的植物工厂（Renewable-fuelled plant factories, RFPFs）方法加以解决。该方法通过光伏、风机等可再生能源设施驱动植物工厂运行，使得植物工厂可在离网地区运行，显著增加其应用前景。然而，将RFPFs作为一种主流的蔬菜种植方法需明确其生产潜力和环境影响。RFPFs的制造和部署需要高额经济投资和占用土地资源，对其满足人口的蔬菜需求构成挑战。同时，RFPFs会造成蔬菜种植的碳-污权衡问题：RFPFs可以显著减少因农药、化肥施放产生的面源污染物排放，但会增加新能源组件和植物工厂设施制造过程的隐含碳排放。此外，由于各地区的地理环境、气候条件和资源禀赋的差异，RFPFs部署的表现呈现显著空间异质性，需探究RFPFs在大区域（如国家）层面的推广潜力和环境影响，以论证其作为主流蔬菜种植方法的可行性。
基于这一背景，本研究提出了系统性框架以制定了RFPFs在中国的空间部署方案，评估其蔬菜种植潜力和环境影响，并提出了低碳转型策略。研究整合了土地利用、可再生能源储量、气象条件和人口分布等数据开展了多维地理空间分析，提出了本地生产和跨区域生产情景下RFPFs在中国369个城市级区域的部署方案。结果表明，RFPFs可以保证大规模和稳定的蔬菜供应，具有显著的耕地节约效果（最多5.14万平方公里）且成本可接受（5.88-6.44元/公斤）。但是，RFPFs的部署显著提升了蔬菜种植的碳排放，相较露天种植方法提升了1.99-2.55倍，凸显其低碳转型的必要性。最后，研究提出了一项包含9个措施的低碳转型策略，预计可以降低RFPFs碳排放约70%，使之达到排放水平与露天种植相似。上述结果论证了RFPFs在提升中国及全球蔬菜生产系统的稳定性和可持续性方面具有巨大潜力，有力支撑可持续发展目标2.4：可持续的食品生产体系与有韧性的农业实践的实现。
研究首先基于可再生能源和植物工厂设施的部署条件识别了RFPFs的可行部署区域，包括适宜的土地利用类型（疏林地、灌木地、草地、沙漠、戈壁和其他荒地）、平缓的坡度（<5°）、中低海拔（<4000米），并排除自然保护区。结果表明，共有321万平方公里的土地适宜部署RFPFs，大约占中国面积的三分之一。大部分可部署区域位于中国西北和北部地区，这是因为这些地区有大量闲置的荒地或草地。相反地，东部和南部地区很多城市的可部署面积很小，主要由于这些地区以城镇或农业用地为主。
研究选择8种中国大规模种植的蔬菜（黄瓜、番茄、茄子、卷心菜、菠菜、萝卜、辣椒和生菜）作为RFPFs种植的蔬菜品种，并评估各个城市蔬菜的生产潜力和需求。蔬菜生产潜力由各城市可再生发电潜力除以蔬菜种植的能源强度求得。研究考虑太阳能和风能两种现阶段可大范围应用的可再生能源种类，整合光照强度、风速、地面温度等小时级高分辨率空间数据，评估得到两种能源的发电潜力为86.89PWh/年。此外，研究整合8种蔬菜的光照利用效率、LED利用效率和光子能量系数等参数计算人工光照能耗；并采用EnergyPlus软件耦合各城市典型气象年参数模拟空气调节所需能耗，从而得到蔬菜种植所需能耗为12.18-12.57kWh/kg。由上述参数计算蔬菜生产潜力为61.80亿吨/年。此外，参考过去研究提出了区域差异性的人口膳食蔬菜摄入水平，评估得到蔬菜总需求为2.99亿吨/年。
蔬菜生产潜力远大于总需求水平，因此需要科学制定RFPFs部署方案，以期以最小成本满足中国人口膳食蔬菜需求。研究提出了本地生产和跨城市生产情景，其区别在于是否允许蔬菜产品跨城市运输。对于跨城市生产情景，研究搭建了蔬菜供应-需求的线性规划模型，并采用高德地图API模拟了跨城市运输的距离。结果表明跨城市生产情景的各项表现均更为优秀。该情景可以完全满足全国人口的膳食蔬菜需求，可节约5.14万平方公里的耕地，且成本可接受（5.88元/kg）。在该情景下，蔬菜种植将集中在中国的西北和西南地区，如在阿拉善盟部署的RFPFs年蔬菜产量达到6071万吨，占全国约20%左右。上述结果论证了将RFPFs作为重要蔬菜种植方法的可行性。
研究进一步评估了RFPFs部署方案的碳和三种与蔬菜种植密切相关的氮污染物（氮氧化物、氨氮、氮径流）排放水平。结果表明，当前技术水平下，RFPFs显著增加蔬菜种植的碳排放水平，折合单位产品411.77kg/t（本地生产）与347.24kg/t（跨城市生产），与露天种植方法相比提升了1.99到2.55倍。RFPFs设施，尤其是光伏组件的制造，是造成蔬菜种植碳排放提高的重要原因。与之相反，由于大幅度减少了化肥、农药等化学品的利用且安装了室内空气净化装置，RFPFs可以减少超过95%的氮污染物排放，包括15.1-18.8万吨氮氧化物、66.5-87.4万吨氨以及14.2-18.6万吨氮径流。污染物减排量最大的城市主要分布在东部和中部地区，为当前中国蔬菜的主要产地。
为促进可持续蔬菜种植，研究提出了包含9项关键措施的RFPFs低碳转型路径，并计算措施应用下的碳减排潜力。结果表明，上述措施的应用可实现RFPFs系统6604万吨/年（本地生产）和7399万吨/年（跨城市生产）的碳减排效果，使得蔬菜种植的碳排放强度下降至111.12-128.13kg/吨，与传统露天种植方法的排放水平相当。其中发电组件的低碳制造与发电效率提升的碳减排效果最为显著，应在下一阶段重点推广。
小结
本研究综合应用了可再生能源潜力评估、蔬菜种植模型、建筑能耗模拟、碳和污染物排放核算等多领域方法，探究了RFPFs这一创新的种植方法的蔬菜供应的潜力及其环境影响。除中国外，该方法亦可应用于其他地区，特别是人口稠密、土地资源匮乏、气象条件较差的地区，RFPFs可以作为当地蔬菜生产的重要组成部分。此外，虽然当前RFPFs的推广会造成碳排放的升高，但对全球碳减排目标的负担有限（占种植业总排放<3%），且低碳转型路径预计可在10年内完成。我们相信，该方法的推广最终可以推动韧性及可持续农业实践，促进可持续发展目标2.4的实现。
通讯作者：陈晨、王鹏
通讯单位：香港大学，中山大学
