什么是植物工厂？

根据日本学者古在丰树教授的《人工光型植物工厂》和中国农业科学院都市农业研究所研究员杨其长的《植物工厂概论》给出的植物工厂定义，植物工厂是一种通过设施内高精度环境控制，实现作物周年连续生产的高效农业系统，是由计算机对作物生育过程的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、营养液等环境要素进行自动控制，不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式。植物工厂充分运用了现代装备工程、生物技术、设施园艺技术、植物生理、植物栽培工程与环控信息技术等手段，属于技术高度密集型产业，多年来一直被国际公认为设施园艺的最高级发展阶段，是衡量一个国家农业高技术发展水平的重要标志之一。

植物工厂的发展始于20世纪50年代欧美等一些发达国家。经过半个多世纪的发展，目前已经成为现代农业高技术产业的重要组成部分。植物工厂的基础主要来自于营养液栽培技术和环境感知与控制技术的突破。植物工厂正是以这2项技术为基础，实现了植物的周年连续生产。

各国研发力度与产业化步伐不断加快，日本于2009年提出大力发展植物工厂、振兴现代农业计划，由农林水产省和经济产业省拿出500亿日元用于支援植物工厂的建设与研发，受此影响，一批大型企业如三菱、丰田、日立等纷纷介入，并计划输出植物工厂产品到中国、中东、欧美等国家或地区。2015年日本人工光植物工厂数量已达185座，其中位于宫城县多贺市的占地面积2300㎡、15层立体栽培架、日产叶菜10000棵的LED植物工厂，以及大阪府立大学的占地面积550㎡、18层栽培架、日产叶菜5300棵的LED植物工厂，代表了日本近年来植物工厂的发展趋向。

我国植物工厂相比于欧、美、日等发达国家，起步较晚，但我国植物工厂建设发展速度是前所未有的，在这个过程中我国采取了走出去、引进来，加强技术交流，对植物工厂相关技术经过了吸收，消化、创新再创新的过程。在实验示范阶段期间，我国先后有浙江丽水农科院与国防科技大学合作，于2004年成功地建起了我国第一座植物工厂，标志着我国具有自主知识产权植物工厂的正式诞生，中国智能农业从这里开始。成为世界上少数几个掌握植物工厂核心技术的国家之一，这将对提升我国植物工厂竞争力和对我国现代农业的发展产生深远影响。

近年来，随着世界环境、资源等问题日渐突出，植物工厂的发展优势逐渐显现：作物生产周期性强，可达到周年生产；不施农药，产品安全无污染；多层立体栽培，资源（土地、水肥、空间等）利用率高；作物生长周期短，单位面积产量高；机械化、自动化程度高，劳动强度低；不受或很少受地理、自然环境的影响，甚至可在极端气候区、外层空间等地区进行农业生产等。

由于不受环境影响、可就近供应蔬果的植物工厂正不断升温。中国已成为世界上植物工厂发展最快的国家，2021年，我国新增48座植物工厂，新增面积21.54万㎡。目前，我国人工光植物工厂总数已超过250座，成为数量仅次于日本的植物工厂发展大国。

植物工厂的核心技术装备包括四个方面，即立体多层无土栽培技术装备、人工光照明技术装备、智能环境控制技术装备、植物生产空间自动化管控技术装备。近几年，这些核心技术装备得到了很大的发展，正在被逐渐地标准化和大规模应用。植物工厂的外围护结构设计、功能分区、各区域密闭性保证都很重要，直接关系到植物工厂初装成本和运行成本及能耗，也关系着生产效率。

立体多层无土栽培技术装备是指采用无土栽培方法，借助栽培床和层架管路装备，实现植物在多层立体栽培架上进行生产的技术装备。立体多层无土栽培技术装备是人工光植物工厂必要的本质装备，也是太阳光植物工厂需要迫切发展的技术装备。当前，以NFT和DFT技术为基础的多种立体多层无土栽培技术装备已经开发出来，适合叶菜、根茎类植物生产。立体多层无土栽培技术装备主要包括营养液储存供给系统（营养液池、泵动系统、供液回液管路、定植床、控制系统等）。

人工光照明技术装备是人工光植物工厂核心技术装备，为植物生产提供光合能量和光照信号。荧光灯是传统光源，LED是新型光源。两种光源的植物生理响应机制已经被广泛揭示，两种光源应用的生物学基础已非常明确。但是，LED作为新型固态半导体光源具有荧光灯无法比拟的光电优势，包括可按植物生长发育需求调制光谱，按需用光，生物光效高；冷光源，可贴近植物照射，提高空间利用率；可控性好，可精准调控光强、光质和光周期等；节能、环保、长寿命、体积小、质量轻；）LED光源装置多样（灯板、灯带、灯管和灯泡），适用于设施园艺各领域。

智能环境控制技术装备由执行机构、检测机构、控制机构组成，控制因子包括温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、气流、营养液供给等多种生产要素，在很大程度上环境控制智能化水平的高低决定着植物工厂的运行效率。智能环境控制以植物环境控制为基础，特别需要以环境因子耦合控制下的植物生理响应效应作为依据，尚需深入地系统研究。在环境控制要素中，最重要的是养分和光照，其控制策略具有时间和空间要求，也需要和其他环境要素耦合统筹控制。

植物生产空间自动化管控技术装备包括植物移栽定植技术装备、植物空间水平垂直移动传输技术装备、光源灯具水平垂直移动传输装备，以及机械化自动升降机、自动收获等生产管理技术装备等。植物生产空间自动化管控技术装备是植物工厂流水线作业的主体装备，有利于提高生产效率和管控水平。

植物工厂行业虽然具有高效、可持续和环境控制精准等优点，但也存在一些亟待解决的问题。初期投资成本高是植物工厂行业的一大挑战，包括设施建设、设备购置、能源供应系统以及高级技术支持等都需要大量资金投入。其次，能源消耗大也是问题之一，植物工厂需要全天候人工光源和恒温恒湿环境，这导致能源需求量大，影响其经济性和环保性。再者，技术瓶颈有待突破，如光合作用效率提升、物种适应性改良、病虫害防控等问题需要进一步科研攻关。此外，植物工厂的运营管理和人才短缺也是困扰行业发展的问题，包括专业种植技术、设施维护、市场开拓等方面的专业人才相对匮乏。消费者对植物工厂产品的认知度和接受度还有待提高，市场需求和价格定位也需要进一步探索和研究。总的来说，植物工厂行业需要在降低成本、节能减排、技术创新、人才培养和市场开发等方面做出努力，以实现长期可持续发展。

面对当前问题，植物工厂的发展对策概括如下。

通过持续研发、改进节能高效的植物工厂生产技术装备，显著提升植物工厂的光效与能效，不断降低光源与空调的能耗，大幅减少系统运行费用。

通过营养调控和光调控等手段，显著提高植物工厂产品的VC含量、可溶性糖含量以及其他功能品质，同时通过选用一些功能性蔬菜、药用植物甚至特种作物等高附加值的产品进行种植，提升植物工厂产品的经济效益，增强植物工厂的盈利能力。

建立品牌战略，加快植物工厂农产品和技术装备的社会认知度和认可度。着力发展植物工厂植物产品品牌，夯实品质保证机制，加大品牌宣传推广力度，使植物工厂产品深入民心，进而提高销售量和产值。

构建多种植物工厂类型、产品，拓展盈利模式。着力开发家庭型、商用型、社区型等植物工厂类型，丰富植物工厂商业化产品，扩大购买人群；增加植物工厂生产的植物种类，充分利用植物工厂的多种功能实现可持续盈利。