中國網/中國發展門戶網訊 習近平總書記在2022年中心農村任務會議和第二十次全國代表年夜會等會議上屢次強調，“保證糧食和主要農產品穩定平安供給始終是建設農業強國的頭等年夜事”，“樹立年夜食品觀，發展設施農業，構建多元化食品供給體系”，“要樹立年夜食品觀，構建多元化食品供給體系，多途徑開發食品來源”。但是，現有的農業生產體系下，我國糧食供需處于“緊均衡”狀態——雖然生產總量有余，但結構性掉衡問題凸起，飼料糧生產嚴重缺乏。2024年，國務院辦公廳出臺《關于踐行年夜食品觀構建多元化食品供給體系的意見》。此中，在加速發展現代設施農業、拓展食品開發新空間方面，明確提出“在年夜中城市周邊布局建設植物工廠”“在具備水資源條件的地區摸索科學應用沙漠、荒涼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，以工業化生產方法，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生齒增長、資源緊缺和從事農業的勞動力缺乏等惹起的糧食平安問題的主要途徑，也是國防、空間站及星月摸索等特別場所新鮮食品補給的主要手腕。本文從植物工廠生產系統包養發展態勢、面臨問題與窘境、科技衝破和改革、產業應用和瞻望方面進行剖析評述，就植物工廠的可持續安康發展、產業與技術的協同創新給出建議。
植物工廠服務國家年夜糧食平安
植物工廠優勢集中體現在兩慷慨面：可控環境和立體種植。可控環境技術可以使農業擺脫地盤等天然資源與氣候變化、環境淨化等原因的限制，并實現對植物生長的光、溫、水、氣、肥等全要素的精細化把持。基于LED寒光源和無土栽培技術的立體化種植，可實現無限占空中積的最年夜化產出。例如，每年可以在僅40 m2的地盤面積上種植50多萬株植株，地盤應用面積減少95%，需水量和農藥應用量減少95%。植物工廠這種全環境條件可控型高效糧食生產方法，是保證我國年夜糧食平安的主要途徑。結合我國的實際，植物工廠可打造如下多元化食品生產應用場景。
進口卵白替換植物工廠生產系統。我國每年需求大批進口卵白飼料和乳肉產品。例如，年夜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法，從而為解決飼草供應供給了新思緒。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——應用高粱、燕麥、小黑麥、年夜麥、小麥等谷物籽粒在7—10 d內生產出高卵白苗芽，可將卵白應用率由60%晉陞至90%以上，可部門甚至所有的取代精/粗飼料，是幻想的年夜豆卵白替換來源。
后備糧油植物工廠生產系統。我國地盤資源無限，嚴守的18億畝耕田主要用于主糧生產，保證糧食供應，后備耕地資源缺乏，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宏大的潛力。研討表白，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（預算），是今朝世界小麥年均勻產量3.2 t/hm2的220—600倍。中國農業科學院在溫室立體栽培的疾速繁育水稻已試種勝利，正在摸索年夜豆、玉米、小麥等主糧作物，以及油菜和棉花等經濟作物的疾速繁育關鍵技術。
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，通過精準把持光照和營養，顯著進步浮萍和藻類的生長速率和產量。如已經商業化生產的螺旋藻和小球藻；這些藻類富含卵白質和油脂，可用于食物、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，魚糞為蔬菜供給養分，蔬菜凈化水質，二者協同感化構成了互利共生的循環。這種形式進步了水產品和蔬菜的產量，減少了環境淨化。
都會生涯便捷優質保證植物工廠生產系統。在年夜中型城市周邊建設植物工廠，應用無限地盤平安、穩定、高效地生產優質蔬果和效能保健性食材，具有當地生產、新鮮直達、便捷供應的優勢；并且，由于接近消費市場，運輸距離短，還可下降碳排放和物流本錢。american垂直農業公司Plenty在american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。中國科學院植物研討所聯手福建三安集團，成立了福建省中科生物股份無限公司。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，重要供應廈門、福州和泉州等地的餐飲和商超；獲得有機認證的處所保健藥材——金線蓮也已進進線上、線下超市門店進行銷售。
應急與災后食品保證植物工廠生產系統。植物工廠具備“平急兩用”綜合保證效能，可應對戰時、嚴重災害情況下食品疾速生產的需求。可移動式集裝箱植物工廠能夠在地動、洪水等災害后疾速安排，無需依賴內部供應鏈，保證戰區/災區應急食品供應；也能滿足潛艇軍艦、海島、高冷等特別邊防線區國防保供需求。japan(日本)福島核災后應用防輻射設計的植物工廠生產平安蔬菜，緩解公眾對淨化作物的擔憂。我國“5·12”汶川地動后也臨時搭建了移動式氣霧培農場，為安頓點供給新鮮葉菜。陸軍后勤部在西躲軍區“高原高冷、條件艱苦、缺氧缺水、路況未便”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。
太空性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能夠在月球、火星等外太空場所建設，將是滿足航空航天、星際觀光和其他星球移平易近等未來場景需求的主要組成部門。科研人員在空間基地模擬實驗艙“月宮一號”里已經屢次開展了生物再生性命保證系統的實驗。american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，為其火星移平易近計劃供給技術支撐。我國航天員也已經在神船十七號載人飛船上勝利完成了“太空菜園”的試驗種植包養網。
植物工廠的發展與態勢
植物工廠經歷了3個發展階段，商業規模不斷擴年夜
植物工廠的發展年夜致經歷4個階段（圖1）：20世紀50—80年月末的試驗摸索階段。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基了基礎。這一時期植物工廠的光源以能耗高、發熱量年夜的高壓鈉燈為主，種植設備僅為單層或兩層結構，生產效力較低，產業發展緩慢。20世紀90年月初—21世紀初的示范應用階段。這一時期緊湊型熒光燈逐漸替換了高壓鈉燈，隨著傳感器和自動把持技術慢慢引進，植物工廠空間應用率與動力效力顯著晉陞，示范應用規模不斷擴年夜。但仍存在能耗年夜、本錢高級凸起瓶頸，年夜規模應用遭到必定限制。21世紀10年月至今的產業發展階段。隨著高光電轉換效力的藍光LED技術的出現和應用，植物工廠生產能效、空間應用率及自動化水平均年夜幅晉陞，產業化發展規模及盈利才能也隨之不斷擴年夜。 未來，人工智能（AI）極有能夠在短時間內催生自動化聰明植物工廠的發展。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、轉運等自動化均可年夜幅下降人工本錢。標準化——進步效力，如種植作業標準化、工藝流程標準化、栽培東西標準化。智能化——簡單運營，通過實現調度系統、生產治理和異常處理的智能化，減少運營本錢。可見，AI的創新應用是植物工廠衝破生產瓶頸、節本增效、升級換代生產系統的焦點。
植物工廠光環境調控加倍精準，光效能效不斷晉陞
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燈等分歧發展階段，光效能效不斷晉陞。今朝，植物工廠年夜多采用LED光照系統，以盡能夠最節能的方法為植物供給光一起配合用所需的準確光譜、強度和頻率。例如，americanPlenty公司的最新垂直農場設施Tigris農場，全年采用LED照明；與其他設施比擬，LED照明動力效力能夠進步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，以進一個步驟下降動力本錢。今朝，全球LED燈的光電轉化效力為30%—40%。據國際動力署預測，到2030年，LED照明效力預計將再進步70%，價格也將持續降落，其在植物工廠領域的應用必將加倍廣泛。
全球植物工廠產業近年來發展敏捷，企業成為市場參與主體
今朝，在植物工廠高技術研發領域，japan(日本)、american、英國、新加坡等走活著界前列；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、深圳等年夜城市相繼樹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獲得衝破。中國植物工廠數量今朝已超250座，成為設施數量僅次于japan(日本)的植物工廠年夜國；同時，一批外鄉植物工廠設備制造企業敏捷突起，推動了整個產業鏈的完美。
植物工廠自動化水平越來越高，正向智能化、無人化發展
作為技術高度密集的產業形態，植物工廠觸及工程資料、環控裝備、聰明決策及輔助機器人等焦點技術，慢慢實現了生產過程的自動化，正在向無人化等標的目的發展。在荷蘭瓦赫寧根年夜學主辦的第二屆國際聰明溫室種植挑戰賽中，冠軍團隊采用AI和物聯網（IoT）等前沿技術優化種植決策，遠程自動把持溫室種植，實現番茄種植每畝資源耗費減少16%，凈利潤增添121%。在第4屆該賽事上，獲勝團隊應用計算機視覺技術及機器學習技巧與算法將矮蠻人茄生產利潤晉陞2—3倍。蘇格蘭Intelligent Growth Solutions公司開發的自動化系統，應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，中國率先自立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）投進運營。
植物工廠服務年夜糧食平安的瓶頸問題
植物工廠發展乏力最年夜的問題在于本錢過高。以今朝植物工廠商業應用最多的葉菜類蔬菜生產為例，初期建設投資本錢約占總本錢的30%，觸及建筑與空間改革、安裝多層立體栽培架、LED燈具（占初期投資的20%—30%）、環境把持設備（如空調系統、通風系統等）、無土栽培設備和自動化設備、傳感器網絡和中心把持系統等；動力本錢約占包養網20%，包含人工光源和環境把持能耗；運營本錢約占50%，此中人力本錢占運營本錢的近60%。下文就植物工廠高本錢相關成因進行細致剖析。
適生作物缺少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；而國內投進運營的植物工廠有200余座，規模、品種、運營思緒各不雷同，但年夜多數還是以蔬菜生產為主。雖然也有對卵白飼草、水稻、小麥等進行植物工廠立體化種植的研討嘗試，但僅限于小規模試驗階段，現在全球還沒有一個真正的聰明植物工廠糧食生產體系。
生產過程高能耗與勞力本錢。植物工廠的治理設備重要還是以半自動化和自動化機械為主，智能化機械占比缺乏10%，尤其是相關高端感知技術、植物生長環境調控模子算法、自立作業機器人等研發缺乏；同時，智能化裝備治理集成度低，環境把持系統多采用經驗值設定，不克不及夠依據作物生長狀況實時調整，生產技術型人力耗費年夜。此外，植物工廠仍存在光效低、能耗高的問題，導致系統運營本錢高，因此植物工廠盈利困難。例如，今朝LED燈的光電轉化效力低于40%，轉化率還有待晉陞；即便采用節能LED燈具進行補光，因需逐日運行12—18 h（如生菜天天需光照16 h），耗費的電力依然較高，占動力本錢的80%以上。
產業鏈建設不完美，尚未構成安康有序的產業形式。植物工廠產業鏈下游環節的設備制造中，焦點LED照明、環控設備、營養液系統等還存在技術瓶頸，LED照明效力、環境把持精度、營養液配方優化等方面仍有晉陞空間；中游環節的植物工廠建設和運營，觸及植物工廠設計建造和日常運營治理，需求整合多學科知識和技術，通過規模化生產、技術創新和治理優化來下降生產本錢；下流環節的農產品銷售和深加工，包含農產品的brand建設、營銷網絡搭建、深加工產品開發等，還需求打破市場認知瓶頸，進步消費者對植物工廠產品的認知度和接收度。
多元化食品生產效能未獲得發揮，產業應用場景缺少系統布局。今朝，植物工廠商業化應用多局限于都會農業場景的果蔬生產，缺少年夜食品觀農業生產場景的研發。近來，植物工廠高產小麥、水稻試驗的勝利，“7天年夜麥芽草”工廠化生產的應用，以及年夜豆、油菜的育種加快生產，為植物工廠用于糧食、飼草等大批產品生產供給了理論基礎和技術支撐。進而，需求統籌規劃、系統布局，根據分歧區域的需求，婚配應用場景，建設適宜的植物工廠生產系統，以充足發揮植物工廠多元化食品生產效能。
人工智能助力植物工廠科技創新與降本增效
本文應用年夜數據剖析樹立了植物工廠生產本錢精算模子（式1、表1），從而推算出自動化植物工廠的發展急切需求解決適生專用型品種匱乏、能耗高、勞動力本錢高和無配套生產裝備等關鍵問題。
總體而言，需求鼎力應用AI發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，精準設計與疾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把持模塊。可以重要從4個方面來進步植物工廠生產效力，下降生產本錢。
創制適心理想型品種，培養矮化、高產新品種，實現增添單位面積產量超50%。中國包養水稻研討所已勝利選育誕生長周期短、株型緊湊、高僅17.1 cm的水稻品種“小薇”；應用矮稈水稻品種在植物工廠內實現60 d疾速收獲，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，以及基因的發掘和效能解析。國外多家機構聯合開展的疾速育種技術研討中，1年內可勝利繁育5—6代的小麥、年夜麥、豌豆、年夜豆和鷹嘴豆，以及4代的油菜（傳統溫室條件下1年內僅能繁育2—3代）。中國研討人員采用植物工廠育種加快器用不到4年時間培養出“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。應用幼胚培養技術，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）的加快繁育（表2）。今朝，植物工廠適生的優質高產作物種類仍非常匱乏，急需加強植物育種基礎研討，培養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，充足應用植物工廠獨特的育種加快器效能，結合AI年夜數據剖析與預測才能，對種質資源進行篩選，對品種的環境適應性進行評估，加速作物育種進程，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，實現下降照明能耗50%。人工光源是植物工廠中植物生長發育的重要能量來源，也是導致植物工廠高能耗、高運行本錢最重要的緣由。應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下降電能耗費的創新戰略。該技術應用先進的采光系統，選擇性地將室外太陽光的有用光合輻射部門引進室內，替換人工光照。相較于“太陽能—電能”最高25%的轉換效力而言，光應用效力最高可達70%。智能太陽光采集裝置可以根據太陽的地位和光照強度，自動調整反射鏡和透鏡的角度，確保最年夜水平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派，防止光照不均勻導致的植物生長差異。將聰明太陽光波波導技術與LED光源相結合，應用機器學習計算實時的光照需乞降環境條件，智能把持太陽光和LED光源的比例和切換，實現分歧天氣條件下光照的最優化應用，可極年夜水平地下降植物工廠的照明能耗。此外，樹立植物光反應特征數據庫，應用深度學習算法剖析分歧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討，從而進一個步驟下降植物工廠照明能耗。
綜合應用清潔動力，實現下降用電本錢50%以上。應用清潔動力，建設虛擬電廠、微動力網等多能互補綜合動力治理系統，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路，通過整合多種技術調節電力的天生、存儲、分派和耗費，從而下降植物工廠的電力應用本錢。同時，結合AI技術，通過對工廠生產動力耗費的實時監測，以及對未來一段時間動力需求的精準預測，幫助企業制訂更公道的動力應用和采購計劃。今朝，在獲得農業用電補貼情況下，我國植物工廠生產運營所用電價凡是在0.4—0.6元/千瓦時不等；而在清潔動力豐富的地區（如內蒙古、寧夏等地），電價可下降至0.2—0.3元/千瓦時，能直接將植物工廠的用電本錢下降一半以上。
構建數字孿生與AI年夜模子，晉陞自動化程度和精準環控技術才能，實現下降90%運維人力本錢。AI技術在植物工廠中的應用重要體現在環境智能把持、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）。通過安排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性命周期進行數字孿生建模，應用深度學習算法從多維度數據中發掘出影響作物生長的關鍵原因，結合AI年夜模子技術構建能夠支撐作物生長模擬與過程可視化的孿生模子，預測作物生長趨勢和產量，并優化種植戰略。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，從而減少人力本錢，年夜幅進步生產效力。
植物工廠應用場景與產業布局
擴年夜生產規模可以有用攤薄植物工廠的昂揚本錢，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，市場規模無限。將植物工廠生產系統對接大批初級農產品的保供不僅可以有用解決規模問題，并能打造分歧的應用場景，對接多元化食品供給國家戰略，將極年夜改變今朝植物工廠發展窘境。至多，在我國有如下4類應用場景值得嘗試（圖3）。
內陸荒涼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動力重點布局區域，有著豐富的光熱，有些區域如新疆阿克蘇的部門縣市每年無霜期有近250 d，還有廣袤的鹽堿、荒涼資源和豐富的淺層苦咸水資源。在這些地區發展清潔動力驅動的植物工廠，可全年不間斷地生產糧、油、飼草等作物。
農牧交錯帶進口卵白替換植物工廠生產系統。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。因該區域未幾于400 mm的年降雨量，極易包養網價錢形成過牧和草場退步，是我國典範的生態懦弱區。可是，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範的“風能城”。在該區域發展進口卵白替換植物工廠生產系統，可直接為當地畜牧養殖供給優質飼草和卵白，節約養殖本錢并保護生態。
濱海區清潔動力耦合灘涂與遠洋養殖的植物工廠生產系統。我國北起遼寧盤錦、南至江蘇鹽城的廣年夜環渤海區有著豐富的沿海灘涂和遠洋水域，是我國“陸地牧場”的重點發展區域。應用海上風能發展灘涂和海上畜牧養殖和水產養殖將極年夜節約能耗和地盤資源。荷蘭應用廢棄船艦開展海上奶牛養殖、中國最新發展海上清潔動力浮島生產系統都長短常有創意的年夜膽創新。
一、二線都會優質果蔬與效能食品植物工廠生產系統。現代都會生涯中，人們尋求高品質，愿意為年夜安康產品消費。應用都會成熟完美的儲能科技和豐富余熱尾氣作為動力，在植物工廠內培養特點風味、花青素和類黃酮高、增強免疫效能等果蔬與效能食品品類，可為快節奏、高強度任務壓力下的都會居平易近供給抗朽邁疲勞、強化機體效能的“藥食同源”選項。
聰明植物工廠發展建議
布局聰明植物工廠前沿科技戰略，解決基礎生物學和工程問題。聰明植物工廠是國際高技術競爭的主要領域，但光源光效低、系統能耗年夜、作物品質調控與多因子協同管控難等關鍵技術難題仍未衝破。在技術創新與本錢把持方面，需加年夜研發投進，推動AI技術在植物工廠領域的創新應用；同時，鼓勵產學研一起配合，促進技術結果轉化，進步技術應用的性價比。在智能化裝備與治理決策系統、新型光源與光能有用應用、可再生動力轉化應用、新型作物品種改進與創制等方面進行科技創新，開創植物工廠重生產體系，推動植物工廠技術再升級，樹立植物工廠新業態。
圍繞清潔動力豐沛區域，規劃聰明植物工廠產業集群，實現資源高效應用。在我國西部風光資源豐富的荒涼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聰明植物工廠，可以開拓新的地盤資源應用，消納光伏、風電等清潔動力。同時，結合這些地區的畜牧產業，開發年夜豆替換的高卵白飼草產品，培養智能裝備制造、聰明植物工廠、高卵白飼草加工等行業的龍頭企業，帶動產業鏈高低游協同發展。在東部濱海灘涂區，耦合清潔動力，發展遠洋養殖的植物工廠生產系統，拓展植物工廠向陸地領域的新發展。
開展進口卵白替換聰明植物工廠等產業試點示范。通過當局引導，以企業為主體，加強科技支撐，集成適心理想型品種、新型LED光源與太陽光光波導技術、數字孿生、AI年夜模子及精準環控技術，建設一批高標準、高程度的聰明植物工廠示范項目。本文預估，一個占地3000 m2、15層高樓的卵白芽草植物工廠每年可生產10000 t年夜豆替換卵白。應用333 hm2地盤面積，建設這樣的卵白芽草工廠，將可以解決我國年夜豆卵白進口依賴的問題。
（作者：龔化勤、景海春、匡廷云、林雙，中國科學院植物研討所飼草種質高效設計與應用全國重點實驗室；譚鑫、楊名宇，中國科學院長春景學緊密機械與物理研討所；王憲輝，中國科學院動物研討所；張成全，中國科學院計算技術研討所；林榮呈，中國科學院植物研討所飼草種質高效設計與應用全國重點實驗室 湘湖實驗室；謝華玲、楊艷萍，中國科學院文獻情報中間；葉世堂、李鵬，福建省中科生物股份無限公司。《中國科學院院刊》供稿）