摘要： 近年来，随着现代农业技术的不断探索，植物工厂产业也得到快速发展。本文介绍了植物工厂技术和产业发展的现状、存在的问题和发展对策，并对未来植物工厂的发展趋势和前景进行了展望。

一、国内外植物工厂技术发展现状

1.1 国外技术发展现状

21世纪以来，植物工厂的研究主要集中在提高光效、打造多层立体栽培系统设备、研发智能管控等方面。进入21世纪，农业LED光源创新取得进展，为LED节能光源在植物工厂的应用提供了重要的技术支撑。日本千叶大学在高效光源、节能环境控制、栽培技术等方面进行了多项创新。荷兰瓦赫宁根大学利用作物环境模拟和动态优化技术，开发了植物工厂智能装备系统，大大降低了运营成本，显着提高了劳动生产率。

近年来，植物工厂逐渐实现了从播种、育苗、移栽、收获等生产过程的半自动化。日本、荷兰、美国走在前列，机械化、自动化、智能化程度高，正在向垂直农业、无人化作业方向发展。

1.2 中国技术发展现状

1.2.1 植物工厂人造光专用LED光源及节能应用技术装备

相继开发出植物工厂生产各种植物品种的专用红蓝LED光源。功率范围30~300W，照射光强80~500μmol/(m2•s)，可提供具有合适阈值范围、光质量参数的光强，达到高效的效果节能，适应植物生长和光照的需要。在光源散热管理方面，引入了光源风扇主动散热设计，降低了光源的光衰率，保证了光源的寿命。此外，还提出了通过营养液或水循环来降低LED光源热量的方法。在光源空间管理方面，根据苗期及后期植株大小的演化规律，通过LED光源的垂直空间运动管理，近距离照明植物冠层，达到节能目标。实现了。目前，人造光植物工厂光源的能耗可占植物工厂总运行能耗的50%～60%。虽然LED与荧光灯相比可节电50%，但节能降耗研究仍有潜力和必要性。

1.2.2 多层立体培养技术与设备

由于LED取代了荧光灯，多层立体栽培的层隙减少，提高了植物栽培的立体空间利用效率。关于栽培床底部设计的研究较多。凸起的条纹旨在产生湍流，可以帮助植物根系均匀吸收营养液中的养分，增加溶解氧的浓度。使用定植板，有两种定植方式，即不同尺寸的塑料定植杯或海绵周边定植方式。出现了可滑动的栽培床系统，人工将种植板和上面的植物从一端推到另一端，实现栽培床一端种植，另一端收获的生产模式。目前已开发出多种基于营养液膜技术、深层液流技术的立体多层无土栽培技术与设备，草莓基质栽培、叶菜类、花卉气雾栽培技术与设备如雨后春笋般涌现。提到的技术发展迅速。

1.2.3 营养液循环技术与设备

营养液使用一段时间后，需要补充水分和矿物质元素。一般新配制的营养液用量和酸碱液用量是通过测定EC和pH值来确定的。营养液中的大颗粒沉淀物或根系脱落物需要用过滤器去除。光催化方法可以去除营养液中的根系分泌物，避免水培连作障碍，但养分有效性存在一定风险。

1.2.4 环境控制技术与装备

生产空间的空气洁净度是衡量植物工厂空气质量的重要指标之一。动态条件下植物工厂生产空间的空气洁净度（悬浮颗粒物和沉降菌指标）应控制在10万级以上。物料消毒输入、进场人员风淋处理、新风循环空气净化系统（空气过滤系统）等都是基本保障。生产空间空气的温湿度、CO2浓度和气流速度是空气质量控制的另一重要内容。据介绍，设置混风箱、风道、进风口、出风口等设备，可均匀控制生产空间内的温湿度、CO2浓度和气流速度，达到空间均匀度高，满足厂房需求在不同的空间位置。温度、湿度和CO2浓度控制系统和新风系统有机地集成到循环风系统中。三个系统需要共用风道、进风口和出风口，通过风机提供动力，实现气流循环、过滤消毒、空气质量更新和均匀。确保植物工厂内的植物生产无病虫害，无需使用农药。同时保证冠层内生长环境要素的温度、湿度、气流和CO2浓度的均匀性，满足植物生长的需要。

二、植物工厂产业发展现状

2.1 国外植物工厂行业现状

在日本，人造光植物工厂的研发和产业化速度比较快，处于领先水平。2010年，日本政府推出500亿日元支持技术研发和产业示范。千叶大学、日本植物工厂研究会等8家机构参与。日本未来公司承接并运营了第一个日产3000株植物工厂的产业化示范项目。2012年，植物工厂的生产成本为700日元/公斤。2014年，位于宫城县多贺城的现代化工厂植物工厂竣工，成为全球首家日产10000株LED植物工厂。2016年以来，日本LED植物工厂进入产业化快车道，盈亏平衡或盈利的企业纷纷涌现。2018年，日产能5万到10万株的大型植物工厂相继出现，全球植物工厂正朝着规模化、专业化、智能化发展。与此同时，东京电力、冲绳电力等领域开始投资植物工厂。2020年，日本植物工厂生产的生菜市场份额将占整个生菜市场的10%左右。目前运营的250多家人造光型植物工厂中，20%处于亏损阶段，50%处于盈亏平衡阶段，30%处于盈利阶段，涉及栽培植物品种，如生菜、香草和幼苗。

荷兰在植物工厂太阳能光与人造光联合应用技术领域真正处于世界领先地位，机械化、自动化、智能化、无人化程度高，现已出口全套技术和设备，实力雄厚。产品销往中东、非洲、中国等国家。美国AeroFarms农场位于美国新泽西州纽瓦克市，面积6500平方米。主要种植蔬菜和香料，产量约900吨/年。

AeroFarms 中的垂直农业

美国Plenty公司的垂直农业植物工厂采用LED照明和6米高的垂直种植架。植物从花盆的侧面生长。这种种植方法依靠重力浇水，不需要额外的水泵，比传统农业更节水。Plenty 声称他的农场产量是传统农场的 350 倍，而用水量仅为传统农场的 1%。

垂直农业植物工厂，Plenty Company

2.2 中国植物工厂产业现状

2009年，国内首家以智能控制为核心的生产型植物工厂在长春农博园区建成投产。建筑面积200平方米，可实时自动监测植物工厂的温度、湿度、光照、CO2、营养液浓度等环境因素，实现智能化管理。

2010年，在北京建成通州植物工厂。主体结构采用单层轻钢结构，总建筑面积1289平方米。它形似航空母舰，象征着中国农业率先扬帆起航，向现代农业最先进的技术发展。开发了叶类蔬菜生产部分作业的自动化设备，提高了植物工厂的生产自动化水平和生产效率。植物工厂采用地源热泵系统和太阳能发电系统，较好的解决了植物工厂运营成本高的问题。

通州植物工厂内外景

2013年，陕西省杨凌农业高新技术示范区成立了多家农业科技公司。在建和运营的植物工厂项目大多位于农业高新技术示范园区，主要用于科普示范和休闲观光。由于功能限制，这些科普植物工厂难以实现产业化所需的高产、高效，也难以成为未来产业化的主流形式。

2015年，国内LED芯片大厂与中科院植物研究所合作，共同发起成立植物工厂公司。从光电产业跨入“光生物”产业，开创了中国LED厂商投资建设植物工厂产业化的先河。旗下植物工厂致力于新兴光生物产业投资，集科研、生产、示范、孵化等功能于一体，注册资金1亿元。2016年6月，这座占地面积3000平方米、种植面积10000多平方米的3层楼植物工厂竣工投产。到2017年5月，日产叶类蔬菜1500公斤，相当于生菜1.5万株/天。

对这家公司的看法

三、植物工厂发展面临的问题及对策

3.1 问题

3.1.1 建设成本高

植物工厂需要在封闭的环境中生产农作物。因此，需要建设外部维护结构、空调系统、人工光源、多层培养系统、营养液循环、计算机控制系统等配套工程和设备。建设成本相对较高。

3.1.2 运营成本高

植物工厂所需的光源大部分来自LED灯，在为不同作物的生长提供相应光谱的同时消耗大量电力。植物工厂生产过程中的空调、通风、水泵等设备也消耗电力，因此电费是一笔巨大的开支。据统计，在植物工厂的生产成本中，电费占29%，人工成本占26%，固定资产折旧占23%，包装运输占12%，生产材料占10%。

植物工厂生产成本明细

3.1.3 自动化程度低

目前应用的植物工厂自动化程度低，育苗、移栽、定植、收割等环节仍需人工操作，人工成本高。

3.1.4 可种植作物品种有限

目前，适合植物工厂的作物种类非常有限，主要是生长迅速、易接受人工光源、冠层较低的绿叶蔬菜。种植要求复杂（如需要授粉的作物等），不能大面积种植。

3.2 发展战略

针对植物工厂行业面临的问题，需要从技术、运营等多方面进行研究。针对目前存在的问题，提出如下对策。

（一）加强植物工厂智能化技术研究，提高集约化、精细化管理水平。开发智能管控系统，实现植物工厂集约化、精细化管理，大大降低人工成本，节省人工。

(2)发展集约高效的植物工厂技术装备，实现全年优质高产。发展高效栽培设施设备、节能照明技术装备等，提高植物工厂的智能化水平，有利于实现全年高效生产。

（三）开展药用植物、保健植物、珍稀蔬菜等高附加值植物产业化栽培技术研究，增加植物工厂栽培作物种类，拓宽盈利渠道，提高盈利起点.

（4）开展家用和商用植物工厂研究，丰富植物工厂种类，以多种功能实现持续盈利。

四、植物工厂的发展趋势与展望

4.1 技术发展趋势

4.1.1 全流程智能化

基于作物-机器人系统的机艺融合和防损机制、高速灵活无损的种植和收获末端执行器、分布式多维空间精确定位和多模态多机协同控制方法，高层植物工厂无人化、高效无损播种——打造种植-收割-包装等智能机器人及配套设备，实现全程无人化作业。

4.1.2 让生产管控更智能

基于作物生长发育对光辐射、温度、湿度、CO2浓度、营养液养分浓度、EC等的响应机制，构建作物-环境反馈的定量模型。应建立战略核心模型，动态分析叶类蔬菜生命信息和生产环境参数。还应建立环境的在线动态识别诊断和过程控制系统。应创建适用于大批量垂直农业工厂整个生产过程的多机协同人工智能决策系统。

4.1.3 低碳生产与节能

建立能源管理体系，利用太阳能、风能等可再生能源完成电力输送和能源消耗控制，实现能源管理的最佳目标。捕获和再利用二氧化碳排放以帮助作物生产。

4.1.3 优质品种价值高

采取可行策略培育不同的高附加值品种进行种植试验，建立栽培技术专家库，开展栽培技术、密度选择、留茬安排、品种和设备适应性研究，形成标准栽培技术规范。

4.2 行业发展前景

植物工厂可以摆脱资源环境的束缚，实现农业产业化生产，吸引新一代劳动力从事农业生产。中国植物工厂的关键技术创新和产业化正走在世界前列。随着LED光源、数字化、自动化、智能化技术在植物工厂领域的加速应用，植物工厂将吸引更多的资金投入、人才集聚，以及更多新能源、新材料、新设备的使用。以此实现信息技术与设施设备的深度融合，提高设施设备的智能化、无人化水平，通过不断创新不断降低系统能耗和运行成本，逐步培育专业化市场，智能植物工厂将迎来黄金发展期。

据市场调研报告显示，2020年全球垂直农业市场规模仅为29亿美元，预计到2025年，全球垂直农业市场规模将达到300亿美元。综上所述，植物工厂具有广阔的应用前景和发展空间。

作者：周增婵、卫东等

引用信息：植物工厂产业发展现状与展望[J]．农业工程技术, 2022, 42(1): 18-23.Zengchan Zhou, Wei Dong, Xiugang Li, et al.