摘要：近年来，随着现代农业技术的不断探索，植物工厂产业也发展迅速。本文介绍了植物工厂技术和产业发展的现状、存在的问题及应对措施，并展望了植物工厂未来的发展趋势和前景。

1. 国内外植物工厂技术发展的现状

1.1 国外技术发展的现状

进入21世纪以来，植物工厂的研究主要集中在提高光效、构建多层三维栽培系统设备以及智能管理控制的研发等方面。21世纪，农业LED光源的创新取得了长足进步，为LED节能光源在植物工厂的应用提供了重要的技术支持。日本千叶大学在高效光源、节能环境控制和栽培技术方面取得了一系列创新成果。荷兰瓦赫宁根大学利用作物-环境模拟和动态优化技术，开发了一套用于植物工厂的智能装备系统，该系统大幅降低了运营成本，并显著提高了劳动生产率。

近年来，植物工厂已逐步实现了从播种、育苗、移栽到收获等生产过程的半自动化。日本、荷兰和美国处于领先地位，机械化、自动化和智能化程度高，并正朝着垂直农业和无人化作业的方向发展。

1.2 中国的技术发展现状

1.2.1 工厂人工照明专用LED光源及节能应用技术设备

针对植物工厂中不同植物品种的生产，已陆续研发出专用的红蓝LED光源。其功率范围为30至300W，辐照光强为80至500 μmol/(m²•s)，可提供具有合适阈值范围和光质参数的光强，从而实现高效节能并适应植物生长和光照需求。在光源散热管理方面，引入了光源风扇的主动散热设计，降低了光源的光衰率，保证了光源的使用寿命。此外，还提出了一种通过营养液或水循环降低LED光源温度的方法。在光源空间管理方面，根据植物幼苗期及后期的生长规律，通过对LED光源进行垂直空间移动管理，可以近距离照射植物冠层，从而达到节能的目的。目前，人工照明植物工厂光源的能耗可占植物工厂总运行能耗的50%至60%。虽然LED灯相比荧光灯可节能50%，但节能降耗方面的研究仍有潜力和必要性。

1.2.2 多层三维培养技术及设备

由于LED灯取代了荧光灯，多层三维栽培的层间间隙减小，提高了植物栽培的三维空间利用效率。目前针对栽培床底部设计的研究较多，凸起的条纹设计旨在产生湍流，有助于植物根系均匀吸收营养液中的养分，并提高溶解氧浓度。在接种板上，接种方式主要有两种：不同尺寸的塑料接种杯接种方式和海绵周边接种方式。此外，还出现了一种可滑动栽培床系统，种植板及其上的植物可以手动从一端推到另一端，实现了在栽培床一端种植、另一端收获的生产模式。目前，基于营养液膜技术和深层液流技术的多种三维多层无土栽培技术及设备已经研制成功，草莓基质栽培、叶菜类和花卉气雾栽培等技术和设备也相继涌现。上述技术发展迅速。

1.2.3 营养液循环技术及设备

营养液使用一段时间后，需要添加水和矿物质元素。通常，新配制营养液和酸碱溶液的用量是通过测量电导率（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。营养液中的根系分泌物可以通过光催化方法去除，以避免水培中连续种植的障碍，但这样做会影响养分的有效性，存在一定的风险。

1.2.4 环境控制技术及设备

生产空间的空气洁净度是工厂空气质量的重要指标之一。在动态工况下，工厂生产空间的空气洁净度（悬浮颗粒物和沉降细菌指标）应控制在10万以上。物料消毒进场、人员进场风淋处理以及新风循环净化系统（空气过滤系统）都是基本的保障措施。生产空间的空气温度、湿度、二氧化碳浓度和风速是空气质量控制的另一重要内容。据报道，通过设置空气混合箱、风管、进风口和出风口等设备，可以均匀控制生产空间的温度、湿度、二氧化碳浓度和风速，从而实现较高的空间均匀性，满足工厂不同空间位置的需求。温度、湿度和二氧化碳浓度控制系统与新风系统有机地整合到循环空气系统中。这三个系统需要共用风管、进风口和出风口，并通过风机提供动力，实现空气循环、过滤消毒以及空气质量的更新和均匀化。这确保了植物工厂内植物生产免受病虫害侵袭，无需施用农药。同时，也保证了冠层内生长环境要素（温度、湿度、气流和二氧化碳浓度）的均匀性，满足植物生长需求。

2. 植物工厂产业的发展现状

2.1 国外工厂行业的现状

在日本，人工光源植物工厂的研发和产业化进程相对较快，处于世界领先水平。2010年，日本政府拨款500亿日元用于支持技术研发和产业化示范，包括千叶大学和日本植物工厂研究协会在内的八家机构参与其中。日本未来公司承担并运营了首个日产3000株植物的植物工厂产业化示范项目。2012年，该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植物工厂建成投产，成为全球首家日产1万株植物的LED植物工厂。自2016年以来，日本的LED植物工厂产业化进程进入快速发展阶段，盈亏平衡或盈利的企业层出不穷。 2018年，日产量5万至10万株的大型植物工厂如雨后春笋般涌现，全球植物工厂正朝着规模化、专业化和智能化的方向发展。与此同时，东京电力公司、冲绳电力公司等企业也开始投资植物工厂。到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约10%。目前运营的250多家人工光照型植物工厂中，20%处于亏损状态，50%处于盈亏平衡状态，30%处于盈利状态，这些工厂生产的植物种类包括生菜、香草和种苗等。

荷兰是植物工厂中太阳能与人工光源联合应用技术领域的全球领先者，其机械化、自动化、智能化和无人化程度高，并已将整套技术和设备作为优势产品出口到中东、非洲、中国等国家。美国AeroFarms农场位于美国新泽西州纽瓦克市，占地6500平方米，主要种植蔬菜和香料，年产量约900吨。

AeroFarms的垂直农业

美国Plenty公司的垂直农场植物工厂采用LED照明和6米高的垂直种植架。植物从种植箱侧面生长。这种种植方式依靠重力浇水，无需额外水泵，比传统农业更节水。Plenty公司声称，其农场的产量是传统农场的350倍，而用水量仅为传统农场的1%。

垂直农业植物工厂，Plenty 公司

2.2 中国工厂行业现状

2009年，中国首个以智能控制为核心的生产型植物工厂在长春农业博览园建成并投入运营。该工厂建筑面积200平方米，可实时自动监测工厂内的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度和营养液浓度等环境因素，实现智能化管理。

2010年，位于北京的通州植物工厂建成投产。该工厂主体采用单层轻钢结构，总建筑面积1289平方米，外形酷似航空母舰，象征着中国农业引领现代农业技术迈向前沿。工厂研发了部分叶菜类蔬菜生产工序的自动化设备，提高了生产自动化水平和生产效率。此外，工厂还采用了地源热泵系统和太阳能发电系统，有效解决了工厂运营成本高的问题。

通州工厂内外景

2013年，陕西省杨凌农业高新技术示范区涌现出众多农业科技企业。目前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内，这些园区主要用于科普示范和休闲观光。由于功能上的局限性，这些科普植物工厂难以达到产业化所需的高产量和高效率，未来也难以成为产业化的主流形式。

2015年，中国一家大型LED芯片制造商与中国科学院植物研究所合作，共同发起成立了一家植物工厂公司。此举标志着该公司从光电产业跨界至“光生物学”产业，成为中国LED制造商投资植物工厂产业化的先例。该植物工厂致力于新兴光生物学领域的产业化投资，集科研、生产、示范、孵化等功能于一体，注册资本1亿元人民币。2016年6月，这座占地3000平方米、拥有三层建筑和1万余平方米种植面积的植物工厂竣工投产。到2017年5月，日产叶菜1500公斤，相当于日产1.5万株生菜。

这家公司的观点

3. 植物工厂发展面临的问题及对策

3.1 问题

3.1.1 高昂的建设成本

植物工厂需要在封闭环境下生产作物。因此，需要建设配套工程和设备，包括外部维护结构、空调系统、人工光源、多层栽培系统、营养液循环系统和计算机控制系统。建设成本相对较高。

3.1.2 高运营成本

植物工厂所需的大部分光源来自LED灯，这些灯耗电量巨大，但能提供不同作物生长所需的光谱。植物工厂生产过程中使用的空调、通风、水泵等设备也需要耗电，因此电费是一笔不小的开支。据统计，在植物工厂的生产成本中，电力成本占29%，人工成本占26%，固定资产折旧占23%，包装运输成本占12%，生产材料成本占10%。

工厂生产成本细分

3.1.3 低自动化水平

目前应用的植物工厂自动化程度较低，育苗、移栽、田间种植和收获等过程仍然需要人工操作，导致劳动力成本高昂。

3.1.4 可种植的作物种类有限

目前，适合植物工厂种植的作物种类非常有限，主要是生长迅速、易于接受人工光源、冠层较低的绿叶蔬菜。对于种植要求复杂的作物（例如需要授粉的作物等），无法进行大规模种植。

3.2 发展战略

鉴于植物工厂行业面临的问题，有必要从技术和运营等多个方面开展研究。针对当前存在的问题，提出的对策如下。

（1）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。发展智能管理控制系统有助于实现植物工厂的集约化、精细化管理，从而大幅降低劳动力成本，节约劳动力。

（2）发展集约化、高效的植物工厂技术装备，实现年产高品质、高产量。发展高效栽培设施和设备、节能照明技术及设备等，提高植物工厂的智能化水平，有利于实现年产高效率生产。

（3）开展药用植物、保健植物、稀有蔬菜等高附加值植物的工业化栽培技术研究，增加植物工厂种植的作物种类，拓宽盈利渠道，提高盈利起点。

（4）开展家用和商用植物工厂的研究，丰富植物工厂的种类，并通过各种功能实现持续盈利。

4. 植物工厂的发展趋势和前景

4.1 技术发展趋势

4.1.1 全过程智能化

基于作物机器人系统的机艺融合和防损机制，高速灵活无损的播种和收割末端执行器、分布式多维空间精确定位和多模态多机协同控制方法，以及高层植物工厂中无人、高效、无损的播种——应创建智能机器人和播种-收割-包装等配套设备，从而实现整个过程的无人操作。

4.1.2 使生产控制更智能

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

4.1.3 低碳生产和节能

建立利用太阳能、风能等可再生能源完成电力传输和控制能源消耗的能源管理系统，以实现最佳能源管理目标。捕获并再利用二氧化碳排放物以促进作物生产。

4.1.3 优质品种的高价值

应采取切实可行的策略，培育不同的高附加值品种用于种植试验，建立栽培技术专家数据库，开展栽培技术、密度选择、茬茬排列、品种和设备适应性等方面的研究，并制定标准栽培技术规范。

4.2 行业发展前景

植物工厂能够摆脱资源和环境的限制，实现农业生产的产业化，并吸引新一代劳动力投身农业生产。中国植物工厂的关键技术创新和产业化正使其跻身世界领先行列。随着LED光源、数字化、自动化和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资本投入、人才聚集，并应用更多新能源、新材料和新设备。由此，可以实现信息技术与设施设备的深度融合，提升设施设备的智能化和无人化水平，通过持续创新不断降低系统能耗和运营成本，并逐步培育专业化市场，智能植物工厂将迎来发展的黄金时期。

根据市场调研报告，2020年全球垂直农业市场规模仅为29亿美元，预计到2025年将达到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：植物工厂产业发展的现状与展望[J].农业工程技术,2022,42(1):18-23.周增婵、董伟、李修刚等。