中國網/中國發展門戶網訊 習近平總書記在2022年中央農村工作會議和第二十次全國代表大會等會議上多次強調，“保障糧食和重要農產品穩定安全供給始終是建設農業強國的頭等大事”，“樹立大食物觀，發展設施農業，構建多元化食物供給體系”，“要樹立大食物觀，構建多元化食物供給體系，多途徑開發食物來源”。然而，現有的農業生產體系下，我國糧食供需處于“緊平衡”狀態——雖然生產總量有余，但結構性失衡問題突出，飼料糧生產嚴重不足。2024年，國務院辦公廳出臺《關于踐行大食物觀構建多元化食物供給體系的意見》。其中，在加快發展現代設施農業、拓展食物開發新空間方面，明確提出“在大中城市周邊布局建設植物工廠”“在具備水資源條件的地區探索科學利用戈壁、荒漠等發展可持續的現代設施農業”等。
植物工廠是運用現代生物技術、信息技術、自動化技術實現環境調控與作物種植栽培，以工業化生產方式，實現作物周年連續生產的高效農業系統。它是設施農業的高級發展階段，被認為是未來世界各國解決人口增長、資源緊缺和從事農業的勞動力不足等引起的糧食安全問題的重要途徑，也是國防、空間站及星月探索等特殊場所新鮮食物補給的重要手段。本文從植物工廠生產系統發展態勢、面臨問題與困境、科技突破和革新、產業應用和展望方面進行分析評述，就植物工廠的可持續健康發展、產業與技術的協同創新給出建議。
植物工廠服務國家大糧食安全
植物工廠優勢集中體現在兩大方面：可控環境和立體種植。可控環境技術可以使農業擺脫土地等自然資源與氣候變化、環境污染等因素的限制，并實現對植物生長的光、溫、水、氣、肥等全要素的精細化控制。基于LED冷光源和無土栽培技術的立體化種植，可實現有限占地面積的最大化產出。例如，每年可以在僅40 m2的土地面積上種植50多萬株植株，土地使用面積減少95%，需水量和農藥使用量減少95%家教場地。植物工廠這種全環境條件可控型高效糧食生產方式，是保障我國大糧食安全的重要途徑。結合我國的實際，植物工廠可打造如下多元化食物生產應用場景。
進口蛋白替代植物工廠生產系統。我國每年需要大量進口蛋白飼料和乳肉產品。例如，大豆和苜蓿對外依存度長期分別超過80%和30%，進口量均居世界首位。植物工廠技術正在改變傳統的飼草育種及生產方式，從而為解決飼草供應提供了新思路。苜蓿、黑麥草等飼草作物在植物工廠內可連續多年生長，一年采收茬數可達18—20次。植物工廠生產水培芽草——利用高粱、燕麥、小黑麥、大麥、小麥等谷物籽粒在7—10 d內生產出高蛋白苗芽，可將蛋白利用率由60%提升至90%以上，可部分甚至全部代替精/粗飼料，是理想的大豆蛋白替代來源。
后備糧油植物工廠生產系統。我國土地資源有限，嚴守的18億畝耕地主要用于主糧生產，保障糧食供應，后備耕地資源短缺，開發糧食生產潛力受限。植物工廠的創新發展在后備糧油作物生產上有著巨大的潛力。研究表明，用室內10層垂直設施來種植小麥，年產量可達700 t/hm2（測量）—1940 t/hm2（估算），是目前世界小麥年平均產量3.2 t/hm2的220—600倍。中國農業科學院在溫室立體栽培的快速繁育水稻已試種成功，正在探索大豆、玉米、小麥等主糧作物，以及油菜和棉花等經濟作物的快速繁育關鍵技術。
水產品植物工廠生產系統。植物工廠可用于培養浮萍、微藻等水生植物和微生物，通過精準控制光照和營養，顯著提高浮萍和藻類的生長速度和產量。如已經商業化生產的螺旋藻和小球藻；這些藻類富含蛋白質和油脂，可用于食品、飼料和生物燃料。將魚類養殖與蔬菜種植結合發展出的“魚菜共生系統”中，魚糞為蔬菜提供養分，蔬菜凈化水質，二者協同作用形成了互利共生的循環。這種模式提高了水產品和蔬菜的產量，減少了環境污染。
都市生活便捷優質保障植物工廠生產系統。在大中型城市周邊建設植物工廠，利用有限土地安全、穩定、高效地生產優質蔬果和功能保健性食材，具有本地生產、新鮮直達、便捷供應的優勢；并且，由于靠近消費市場，運輸距離短，還可降低碳排放和物流成本。美國垂直農業公司Plenty在美國舊金山等城市建設植物工廠，生產無農藥綠葉蔬菜，直供餐廳和生鮮平臺。中國科學院植物研究所聯手福建三安集團，成立了福建省中科生物股份有限公司。該公司在福建安溪建成國際上首棟建筑面積10000 m2的蔬菜植物工廠和首個商業化藥用植物工廠。該植物工廠日產高質量蔬菜1.8 t，主要供應廈門、福州和泉州等地的餐飲和商超；獲得有機認證的地方保健藥材——金線蓮也已進入線上、線下超市門店進行銷售。
應急與災后食物保障植物工廠生產系統。植物工廠具備“平急兩用”綜合保障功能，可應對戰時、重大災害情形下食物快速生產的需求。可移動式集裝箱植物工廠能夠在地震、洪水等災害后快速部署，無需依賴外部供應鏈，保障戰區/災區應急食物供應；也能滿足潛艇軍艦、海島、高寒等特殊邊防地區國防保供需求。日本福島核災后使用防輻射設計的植物工廠生產安全蔬菜，緩解公眾對污染作物的擔憂。我國“5·12”汶川地震后也臨時搭建了移動式氣霧培農場，為安置點提供新鮮葉菜。陸軍后勤部在西藏軍區“高原高寒、條件艱苦、缺氧缺水、交通不便”的哨所進行植物工廠試點建設，以解決邊防部隊新鮮蔬菜供應難題。
太空生命延續植物工廠生產系統。植物工廠獨立封閉化生產系統使其甚至可能在月球、火星等外太空場所建設，將是滿足航空航天、星際旅行和其他星球移民等未來場景需求的重要組成部分。科研人員在空間基地模擬實驗艙“月宮一號”里已經多次開展了生物再生生命保障系統的實驗。美國航空航天局（NASA）在國際空間站搭建太空農場，測試LED光照下的蔬菜種植，為其火星移民計劃提供技術支持。我國航天員也已經在神舟十七號載人飛船上成功完成了“太空菜園”的試驗種植。
植物工廠的發展與態勢
植物工廠經歷了3個發展階段，商業規模不斷擴大
植物工廠的發展大致經歷4個階段（圖1）：20世紀50—80年代末的試驗探索階段。營養液栽培技術和人工可控環境技術為植物工廠的興起奠定了基礎。這一時期植物工廠的光源以能耗高、發熱量大的高壓鈉燈為主，種植設備僅為單層或兩層結構，生產效率較低，產業發展緩慢。20世紀90年代初—21世紀初的示范應用階段。這一時期緊湊型熒光燈逐漸替代了高壓鈉燈，隨著傳感器和自動控制技術逐步引入，植物工廠空間利用率與能源效率顯著提升，示范應用規模不斷擴大。但仍存在能耗大、成本高等突出瓶頸，大規模應用受到一定限制。21世紀10年代至今的產業發展階段。隨著高光電轉換效率的藍光LED技術的出現和應用，植物工廠生產能效、空間利用率及自動化程度均大幅提升，產業化發展規模及盈利能力也隨之不斷擴大。 未來，人工智能（AI）極有可能在短時間內催生自動化智慧植物工廠的發展。基于AI的自動化植物工廠應具備3個特征：自動化——節省人工，如播種、育苗、分栽、采收、清洗、轉運等自動化均可大幅降低人工成本。標準化——提高效率，如種植作業標準化、工藝流程標準化、栽培工具標準化。智能化——簡單運營，通過實現調度系統、生產管理和異常處理的智能化，減少運營成本。可見，AI的創新應用是植物工廠突破生產瓶頸、節本增效、升級換代生產系統的核心。
植物工廠光環境調控更加精準，光效能效不斷提升
植物工廠人工光源經歷了高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、熒光燈、LED燈等不同發展階段，光效能效不斷提升。目前，植物工廠大多采用LED光照系統，以盡可能最節能的方式為植物提供光合作用所需的準確光譜、強度和頻率。例如，美國Plenty公司的最新垂直農場設施Tigris農場，全年采用LED照明；與其他設施相比，LED照明能源效率能夠提高5倍。Plenty公司計劃在其未來的農場中采用太陽能和風能發電，以進一步降低能源成本。目前，全球LED燈的光電轉化效率為30%—40%。據國際能源署預測，到2030年，LED照明效率預計將再提高70%，價格也將持續下降，其在植物工廠領域的應用必將更加廣泛。
全球植物工廠產業近年來發展迅速，企業成為市場參與主體
目前，在植物工廠高技術研發領域，日本、美國、英國、新加坡等走在世界前列；同時，這些國家也在積極推進植物工廠的商業化應用和產業化推廣。中國植物工廠產業起步較晚，但發展勢頭強勁。北京、上海、廈門、深圳等大城市相繼建立了多個示范性植物工廠，在葉菜、藥用植物等作物的工廠化生產方面取得突破。中國植物工廠數量目前已超250座，成為設施數量僅次于日本的植物工廠大國；同時，一批本土植物工廠設備制造企業迅速崛起，推動了整個產業鏈的完善。
植物工廠自動化程度越來越高，正向智能化、無人化發展
作為技術高度密集的產業形態，植物工廠涉及工程材料、環控裝備、智慧決策及輔助機器人等核心技術，逐步實現了生產過程的自動化，正在向無人化等方向發展。在荷蘭瓦赫寧根大學主辦的第二屆國際智慧溫室種植挑戰賽中，冠軍團隊采用AI和物聯網（IoT）等前沿技術優化種植決策，遠程自動控制溫室種植，實現番茄種植每畝資源消耗減少16%，凈利潤增加121%。在第4屆該賽事上，獲勝團隊利用計算機視覺技術及機器學習技能與算法將矮生番茄生產利潤提升2—3倍。蘇格蘭Intelligent Growth Solutions公司開發的自動化系統，利用模塊化結構實現高效生產，可減少80%的勞動力。2023年5月和12月，中國率先自主研發的無人化垂直植物工廠先后在福建安溪（中國科學院主導）和四川成都（中國農業科學院主導）投入運營。
植物工廠服務大糧食安全的瓶頸問題
植物工廠發展乏力最大的問題在于成本過高。以目前植物工廠商業應用最多的葉菜類蔬菜生產為例，初期建設投資成本約占總成本的30%，涉及建筑與空間改造、安裝多層立體栽培架、LED燈具（占初期投資的20%—30%）、環境控制設備（如空調系統、通風系統等）、無土栽培設備和自動化設備、傳感器網絡和中央控制系統等；能源成本約占20%，包括人工光源和環境控制能耗；運營成本約占50%，其中人力成本占運營成本的近60%。下文就植物工廠高成本相關成因進行細致分析。
適生作物缺乏深度發掘與品種匱乏。國外AeroFarms和Plenty等公司都以綠葉蔬菜生產為主；而國內投入運營的植物工廠有200余座，規模、品種、運營思路各不相同，但大多數還是以蔬菜生產為主。雖然也有對蛋白飼草、水稻、小麥等進行植物工廠立體化種植的研究嘗試，但僅限于小規模試驗階段，現在全球還沒有一個真正的智慧植物工廠糧食生產體系。
生產過程高能耗與勞力成本。植物工廠的管理設備主要還是以半自動化和自動化機械為主，智能化機械占比不足10%，尤時租其是相關高端感知技術、植物生長環境調控模型算法、自主作業機器人等研發不足；同時，智能化裝備管理集成度低，環境控制系統多采用經驗值設定，不能夠依據作物生長狀況實時調整，生產技術型人力消耗大。此外，植物工廠仍存在光效低、能耗高的問題，導致系統運營成本高，因而植物工廠盈利困難。例如，目前LED燈的光電轉化效率低于40%，轉化率還有待提升；即使采用節能LED燈具進行補光，因需每日運行12—18 h（如生菜每天需光照16 h），消耗的電力仍然較高，占能源成本的80%以上。
產業鏈建設不完善，尚未形成健康有序的產業模式。植物工廠產業鏈上游環節的設備制造中，核心LED照明、環控設共享會議室備、營養液系統等還存在技術瓶頸，LED照明效率、環境控制精度、營養液配方優化等方面仍有提升空間；中游環節的植物工廠建設和運營，涉及植物工廠設計建造和日常運營管理，需要整合多學科知識和技術，通過規模化生產、技術創新和管理優化來降低生產成本；下游環節的農產品銷售和深加工，包括農產品的品牌建設、營銷網絡搭建、深加工產品開發等，還需要打破市場認知瓶頸，提高消費者對植物工廠產品的認知度和接受度。
多元化食物生產功能未得到發揮，產業應用場景缺乏系統布局。目前，植物工廠商業化應用多局限于都市農業場景的果蔬生產，缺乏大食物觀農業生產場景的研發。近來，植物工廠高產小麥、水稻試驗的成功，“7天大麥芽草”工廠化生產的應用，以及大豆、油菜的育種加速生產，為植物工廠用于糧食、飼草等大宗產品生產提供了理論基礎和技術支撐。進而，需要統籌規劃、系統布局，根據不同區域的需求，匹配應用場景，建設適宜的植物工廠生產系統，以充分發揮植物工廠多元化食物生產功能。
人工智能助力植物工廠科技創新與降本增效
本文利用大數據分析建立了植物工廠生產成本精算模型（式1、表1），從而推算出自動化植物工廠的發展迫切需要解決適生專用型品種匱乏、能耗高、勞動力成本高和無配套生產裝備等關鍵問題。
總體而言，需要大力應用AI挖掘鑒定適生種質資源，解析植物工廠條件下植物分子發育學基礎和農藝性狀建成的分子規律，精準設計與快速創制植物工廠高產優質作物品種，研發自動化、標準化、規模化全流程生產裝備與控制模塊。可以主要從4個方面來提高植物工廠生產效率，降低生產成本。
創制適生理想型品種，培育矮化、高產新品種，實現增加單位面積產量超50%。中國水稻研究所已成功選育出生長周期短、株型緊湊、高僅17.1 cm的水稻品種“小薇”；利用矮稈水稻品種在植物工廠內實現60 d快速收獲，年畝產可達39 t；對小麥、番茄、辣椒、黃瓜等眾多作物都已先后開展了矮稈品種的選育和創制，以及基因的挖掘和功能解析。國外多家機構聯合開展的快速育種技術研究中，1年內可成功繁育5—6代的小麥、大麥、豌豆、大豆和鷹嘴豆，以及4代的油菜（傳統溫室條件下1年內僅能繁育2—3代）。中國研究人員采用植物工廠育種加速器用不到4年時間培育出“中生1號”生菜，其水培適應性好，較現有主栽品種增產55.9%。通過調整光質和光周期，水稻可實現1年5代的繁育。利用幼胚培養技術，結合適宜的光照和溫濕度條件，可進行棉花（1年3—4代）、高粱（1年4—5代）、燕麥和小黑麥（1年6—7代）的加速繁育（表2）。目前，植物工廠適生的優質高產作物種類仍十分匱乏，急需加強植物育種基礎研究，培育植物工廠專用新品種，積極創制矮稈、密植、低光需、高光效、優質、高產、快生型植物工廠適用作物品種，以滿足植物工廠高效、集約化生產需求。同時，充分利用植物工廠獨特的育種加速器功能，結合AI大數據分析與預測能力，對種質資源進行篩選，對品種的環境適應性進行評估，加快作物育種進程，以滿足植物工廠急需的優質種源。
創制太陽光無電光波導照明技術，優化光源，實現降低照明能耗50%。人工光源是植物工廠中植物生長發育的主要能量來源，也是導致植物工廠高能耗、高運行成本最主要的原因。利用光波導傳輸陽光的照明系統作為一種非電光源成為植物工廠降低電能消耗的創新策略。該技術利用先進的采光系統，選擇性地將室外太陽光的有效光合輻射部分引入室內，替代人工光照。相較于“太陽能—電能”最高25%的轉換效率而言，光利用效率最高可達70%。智能太陽光采集裝置可以根據太陽的位置和光照強度，自動調整反射鏡和透鏡的角度，確保最大程度地采集和傳輸太陽光。結合傳感器網絡，智能調整波導系統的光分配，避免光照不均勻導致的植物生長差異。將智慧太陽光波波導技術與LED光源相結合，利用機器學習計算實時的光照需求和環境條件，智能控制太陽光和LED光源的比例和切換，實現不同天氣條件下光照的最優化利用，可極大程度地降低植物工廠的照明能時租場地耗。此外，建立植物光反應特征數據庫，利用深度學習算法分析不同基因型植物對特定光譜的響應，有助于加強植物特征生長光譜調制、LED光質配比組合光源創制、新型節能LED燈具設計、光環境精準調控等方面研究，從而進一步降低植物工廠照明能耗。
綜合利用清潔能源，實現降低用電成本50%以上。利用清潔能源，建設虛擬電廠、微能源網等多能互補綜合能源管理系統，將太陽能電池板、風力渦輪機、電網電池和植物工廠等資源鏈接在一起，通過整合多種技術調節電力的生成、存儲、分配和消耗，從而降低植物工廠的電力使用成本。同時，結合AI技術，通過對工廠生產能源消耗的實時監測，以及對未來一段時間能源需求的精準預測，幫助企業私密空間制定更合理的能源使用和采購計劃。目前，在獲得農業用電補貼情況下，我國植訪談物工廠生產運營所用電價通常在0.4—0.6元/千瓦時不等；而在清潔能源豐富的地區（如內蒙古、寧夏等地），電價可降低至0.2—0.3元/千瓦時，能直接將植物工廠的用電成本降低一半以上。
構建數字孿生與AI大模型，提升自動化水平和精準環控技術能力，實現降低90%運維人力成本。AI技術在植物工廠中的應用主要體現在環境智能控制、作物生長預測與優化、病蟲害智能識別與防治，以及自動化種植與收獲等方面（圖2）。通過部署各種傳感器和物聯網設備，AI系統能夠實時監測和調節各項環境參數，為作物生長創造最佳條件。通過對植物工廠的生產全過程和作物生長全生命周期進行數字孿生建模，利用深度學習算法從多維度數據中挖掘出影響作物生長的關鍵因素，結合AI大模型技術構建能夠支持作物生長模擬與過程可視化的孿生模型，預測作物生長趨勢和產量，并優化種植策略。此外，機器人技術和計算機視覺的結合，能實現播種、移栽、修剪、收獲等作業的自動化，從而減少人力成本，大幅提高生產效率。
植物工廠應用場景與產業布局
擴大生產規模可以有效攤薄植物工廠的高昂成本，但現階段植物工廠商業化生產應用場景僅限于果蔬類（尤其是葉菜類）的生產，市場規模有限。將植物工廠生產系統對接大宗初級農產品的保供不僅可以有效解決規模問題，并能打造不同的應用場景，對接多元化食物供給國家戰略，將極大改變目前植物工廠發展困境。至少，在我國有如下4類應用場景值得嘗試（圖3）。
內陸荒漠鹽堿區糧油飼草植物工廠生產系統。新疆天山以南、甘肅、寧夏、青海和內蒙古西部是國家新能源重點布局區域，有著豐富的光熱，有些區域如新疆阿克蘇的部分縣市每年無霜期有近250 d，還有廣袤的鹽堿、荒漠資源和豐富的淺層苦咸水資源。在這些地區發展清潔能源驅動的植物工廠，可全年不間斷地生產糧、油、飼草等作物。
農牧交錯帶進口蛋白替代植物工廠生產系統。我國傳統的畜牧養殖多分布在“胡煥庸線”界定的農牧交錯帶。因該區域不多于400 mm的年降雨量，極易造成過牧和草場退化，是我國典型的生態脆弱區。但是，此區域有著豐富的光能和風能資源。例如，吉林白城、內蒙古赤峰和通遼等是典型的“風能城”。在該區域發展進口蛋白替代植物工廠生產系統，可直接為當地畜牧養殖提供優質飼草和蛋白，節約養殖成本并保護生態。
濱海區清潔能源耦合灘涂與近海養殖的植物工廠生產系統。我國北起遼寧盤錦、南至江蘇鹽城的廣大環渤海區有著豐富的沿海灘涂和近海水域，是我國“海洋牧場”的重點發展區域。利用海上風能發展灘涂和海上畜牧養殖和水產養殖將極大節約能耗和土地資源。荷蘭利用廢棄船艦開展海上奶牛養殖、中國最新發展海上清潔能源浮島生產系統都是非常有創意的大膽創新。
一、二線都市優質果蔬與功能食物植物工廠生產系統。現代都市生活中，人們追求高品質，愿意為大健康產品消費。利用都市成熟完善的儲能科技和豐富余熱尾氣作為能源，在植物工廠內培育特色風味、花青素和類黃酮高、增強免疫功能等果蔬與功能食物品類，可為快節奏、高強度工作壓力下的都市居民提供抗衰老疲勞、強化機體功能的“藥食同源”選項。
智慧植物工廠發展建議
布局智慧植物工廠前沿科技戰略，解決基礎生物學和工程問題。智共享空間慧植物工廠是國際高技術競爭的重要領域，但光源光效低、系統能耗大、作物品質調控與多因子協同管控難等關鍵技術難題仍未突破。在技術創新與成本控制方面，需加大研發投入，推動AI技術在植物工廠領域的創新應用；同時，鼓勵產學研合作，促進技術成果轉化，提高技術應用的性價比。在智能化裝備與管理決策系統、新型光源與光能有效利用、可再生能源轉化利用、新型作物品種改良與創制等方面進行科技創新，開創植物工廠新生產體系，推動植物工廠技術再升級，建立植物工廠新業態。
圍繞清潔能源豐沛區域，規劃智慧植物工廠產業集群，實現資源高效利用。在我國西部風光資源豐富的荒漠鹽堿地區及農牧交錯帶區域，通過低電價甚至負電價吸引裝備制造企業投資建設智慧植物工廠，可以開拓新的土地資源利用，消納光伏、風電等清潔能源。同時，結合這些地區的畜牧產業，開發大豆替代的高蛋白飼草產品，培育智能裝備制造、智慧植物工廠、高蛋白飼草加工等行業的龍頭企業，帶動產業鏈上下游協同發展。在東部濱海灘涂區，耦合清潔能源，發展近海養殖的植物工廠生產系統，拓展植物工廠向海洋領域的新發展。
開展進口蛋白替代智慧植物工廠等產業試點示范。通過政府引導，以企業為主體，加強科技支撐，集成適生理想型品種、新型LED光源與太陽光光波導技術、數字孿生、AI大模型及精準環控技術，建設一批高標準、高水平的智慧植物工廠示范項目。本文預估，一個占地3000 m2、15層高樓的蛋白芽草植物工廠每年可生產10000 t大豆替代蛋白。利用333 hm2土地面積，建設這樣的蛋白芽草工廠，將可以解決我國大豆蛋白進口依賴的問題。
（作者：龔化勤、景海春、匡廷云、林雙，中國科學院植物研究所飼草種質高效設計與利用全國重點實驗室；譚鑫、楊名宇，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所；王憲輝，中國科學院動物研究所；張玉成，中國科學院計算技術研究所；林榮呈，中國科學院植物研究所飼草種質高效設計與利用全國重點實驗室 湘湖實驗室；謝華玲、楊艷萍，中國科學院文獻情報中心；葉世堂、李鵬，福建省中科生物股份有限公司。《中國科學院院刊》供稿）
