StrawberryGRO-E：植物工厂草莓生产的技术经济分析建模框架

《Computers and Electronics in Agriculture》：StrawberryGRO-E: A techno-economic analytic modeling framework for strawberry production in plant factories

　　

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  花序异步重叠导致植物工厂产量异质性。
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  高繁殖负荷加剧源-库竞争并延迟发育。
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  StrawberryGRO-E将作物发育动态与技术经济绩效联系起来。
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  高繁殖负荷提高生产吞吐量但增加能源成本脆弱性。
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  中等繁殖负荷在高端市场提供更强的经济稳健性。

引言

近年来，植物工厂（PFALs）作为应对气候变化所引发的食品生产挑战的稳健解决方案，受到了广泛关注（Kaiser等，2024；Kozai等，2019）。通过整合高精度环境控制，PFALs有效消除了季节限制，并大幅提高了土地生产率，为可持续草莓栽培提供了巨大潜力（Xu等，2021）。然而，PFALs的商业可行性受到高运营支出（OPEX）的严格限制，主要源于电力消耗和劳动密集型需求（Cai等，2025；Hu和You，2024；Zhuang等，2024）。高昂的生产成本使得生产效率和产品价值成为盈利关键。对于草莓而言，高端市场可以为优质水果提供更高回报，并可能帮助抵消受控生产的高成本。这类市场更注重水果质量的价值，使质量成为产品价值的重要决定因素（?zeltürkay等，2026）。

大多数现有研究主要关注环境影响对作物生产的作用（Choi，2021；Negi等，2021；Rivero等，2022），这些研究主要涵盖具有显著季节波动的露地或温室系统。相比之下，PFALs专门设计为通过精确控制光照、温度、湿度和CO₂浓度等关键因素来最小化此类环境波动（Islam等，2021；Zou等，2024），与传统生产系统相比提供了相对均匀的宏观环境。尽管如此，尽管PFALs的环境控制均匀，由于微气候变化或内源性遗传节律，产量异质性仍然存在（Gu和Goto，2024；Zhang和Kacira，2022）。在经典的$G\times E\times M$（基因型$\times$环境$\times$管理）框架下，管理干预提供了缓冲此类植物间变异的最可行路径（Heuvelink等，2004）。

在草莓中，一种持续开花的作物，生殖发育为管理生产变异提供了一个潜在的重要靶点，因为花序相继出现并带有簇状重叠和发育间隔（Labadie等，2019；Wu等，2015）。相继发育模块的时机也影响草莓开花和果实生产的连续性和持续时间（Labadie等，2023）。此类繁殖负荷变化扰乱了源-库动态，其中高负荷稀释同化物分配以减少果实大小，而低负荷导致碳水化合物盈余（Chang和Zhu，2017；Rosado-Souza等，2023）。草莓花序内果实间光合产物转运和库活动的差异凸显了源-库互作在果实发育中的重要性（Hidaka等，2019）。因此，繁殖负荷提供了花序动态与果实水平结果之间的生理联系，但其时间变化及对作物管理的意义仍缺乏充分量化。

关键的是，这些生理约束表现为严重的运营瓶颈。单果重量降低降低了可市场产量价值，而延长发育期增加了累积能源消耗，降低了能源使用效率。同时，较高的繁殖负荷可能增加总产量和资源利用率，尽管在个体果实水平上有所损失。这创造了果实水平绩效与系统水平资源效率之间的权衡，这对PFAL生产的经济可行性尤其相关（Keyvan和Roshandel，2024）。如表1所示，尽管以前的研究已经表征了各种生理响应，但现有研究缺乏能够将生理变异系统性地转化为经济结果的模型。没有花序重叠的连续运营指标，生产者无法有效找到产量、质量和能源消耗之间的最佳平衡。

为了填补这些空白，本研究旨在开发一个技术经济框架（StrawberryGRO-E），将花序重叠动态与经济结果联系起来，以生理分析作为机制基础。本研究的主要目标如下：1）确定在恒定环境条件下花序动态对产量变化的贡献；2）分析花序重叠的源-库关系生理机制；以及3）建立技术经济框架以评估花序管理策略，平衡总可市场产量的经济收益与作物生产中相关的果实质量和能源使用效率损失。

章节摘要

材料与方法

研究框架由三个相互关联的模块组成：产量变异分析、花序重叠机制和花序管理技术经济模拟框架（图1）。该系统性框架旨在通过顺序工作流程弥合生物观察与市场导向决策之间的差距。最初，在受控环境条件下分析了产量变异，以评估环境稳定性与……

环境稳定性与产量异质性

在十个月种植周期（0至295天）内，植物产量表现出显著变异，超出了环境因素可解释的范围（图5）。平均单株产量为395.8克/株，最低为160.0克/株，最高为642.3克/株，变异系数（CV）为28.3%（图5a）。尽管植物工厂内时空环境波动极小（图S5），产量数据仍形成明显聚类，无论……

花序重叠作为植物负荷的运营指标

实验结果表明，在均匀环境条件下，草莓植株产量仍高度异质，变异系数达到28.3%（图5）。结果证实，固有发育异步性（图6）导致显著生产力波动，尽管宏观环境变量稳定（Kozai等，2019）。尽管表型由基因型与环境互作（G$\times$E）决定（Zavafer等，2023），但……

结论

本研究展示了如何通过协调生物节律与资源分配来优化植物工厂的经济可持续性。通过开发StrawberryGRO-E框架和同时活跃花序（SAI）指数，本研究提供了一个定量工具，使草莓生产从产量导向管理转向价值优化商业运营。结果表明，过度的繁殖重叠诱导了源-库失衡……

生成式AI及AI辅助技术在稿件准备过程中的声明

在准备本工作期间，作者使用了Google Gemini（gemini-3.1-flash-image）生成图3的初始示意图。使用该工具后，作者对该图进行了修改、验证并最终定稿，并对出版物的科学准确性和内容承担全部责任。

CRediT作者贡献声明

付荣美：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，形式分析，数据管理，概念化。刘伟：撰写 – 审阅与编辑，验证，数据管理。夏福林：撰写 – 审阅与编辑，验证，数据管理。钟仁海：撰写 – 审阅与编辑，验证。K.C. Ting：撰写 – 审阅与编辑，验证。华桂超：撰写 – 审阅与编辑，项目管理，资金获取。林涛：撰写 –

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本研究部分得到了中国国家重点研发计划（资助编号：2022YFD2002303）的支持。作者衷心感谢王山野、潘建东、马旭日和吴燕旭在数据收集方面的协助。我们感谢4D Bios公司提供技术支持。

付荣美|刘伟|夏福林|钟仁海|K.C. Ting|华桂超|林涛