中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門(mén)戶網(wǎng)訊 習(xí)近平總書(shū)記在2022年中央農(nóng)村工作會(huì)議和第二十次全國(guó)代表大會(huì)等會(huì)議上多次強(qiáng)調(diào)，“保障糧食和重要農(nóng)產(chǎn)品穩(wěn)定安全供給始終是建設(shè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)的頭等大事”，“樹(shù)立大食物觀，發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，構(gòu)建多元化食物供給體系”，“要樹(shù)立大食物觀，構(gòu)建多元化食物供給體系，多途徑開(kāi)發(fā)食物來(lái)源”。然而，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系下，我國(guó)糧食供需處于“緊平衡”狀態(tài)——雖然生產(chǎn)總量有余，但結(jié)構(gòu)性失衡問(wèn)題突出，飼料糧生產(chǎn)嚴(yán)重不足。2024年，國(guó)務(wù)院辦公廳出臺(tái)《關(guān)于踐行大食物觀構(gòu)建多元化食物供給體系的意見(jiàn)》。其中，在加快發(fā)展現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)、拓展食物開(kāi)發(fā)新空間方面，明確提出“在大中城市周邊布局建設(shè)植物工廠”“在具備水資源條件的地區(qū)探索科學(xué)利用戈壁、荒漠等發(fā)展可持續(xù)的現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)”等。

植物工廠是運(yùn)用現(xiàn)代生物技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境調(diào)控與作物種植栽培，以工業(yè)化生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。它是設(shè)施農(nóng)業(yè)的高級(jí)發(fā)展階段，被認(rèn)為是未來(lái)世界各國(guó)解決人口增長(zhǎng)、資源緊缺和從事農(nóng)業(yè)的勞動(dòng)力不足等引起的糧食安全問(wèn)題的重要途徑，也是國(guó)防、空間站及星月探索等特殊場(chǎng)所新鮮食物補(bǔ)給的重要手段。本文從植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢(shì)、面臨問(wèn)題與困境、科技突破和革新、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和展望方面進(jìn)行分析評(píng)述，就植物工廠的可持續(xù)健康發(fā)展、產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的協(xié)同創(chuàng)新給出建議。

植物工廠服務(wù)國(guó)家大糧食安全

植物工廠優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在兩大方面：可控環(huán)境和立體種植?？煽丨h(huán)境技術(shù)可以使農(nóng)業(yè)擺脫土地等自然資源與氣候變化、環(huán)境污染等因素的限制，并實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)的光、溫、水、氣、肥等全要素的精細(xì)化控制?；贚ED冷光源和無(wú)土栽培技術(shù)的立體化種植，可實(shí)現(xiàn)有限占地面積的最大化產(chǎn)出。例如，每年可以在僅40 m2的土地面積上種植50多萬(wàn)株植株，土地使用面積減少95%，需水量和農(nóng)藥使用量減少95%。植物工廠這種全環(huán)境條件可控型高效糧食生產(chǎn)方式，是保障我國(guó)大糧食安全的重要途徑。結(jié)合我國(guó)的實(shí)際，植物工廠可打造如下多元化食物生產(chǎn)應(yīng)用場(chǎng)景。

進(jìn)口蛋白替代植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)。我國(guó)每年需要大量進(jìn)口蛋白飼料和乳肉產(chǎn)品。例如，大豆和苜蓿對(duì)外依存度長(zhǎng)期分別超過(guò)80%和30%，進(jìn)口量均居世界首位。植物工廠技術(shù)正在改變傳統(tǒng)的飼草育種及生產(chǎn)方式，從而為解決飼草供應(yīng)提供了新思路。苜蓿、黑麥草等飼草作物在植物工廠內(nèi)可連續(xù)多年生長(zhǎng)，一年采收茬數(shù)可達(dá)18—20次。植物工廠生產(chǎn)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(nèi)生產(chǎn)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(lái)源。

后備糧油植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)。我國(guó)土地資源有限，嚴(yán)守的18億畝耕地主要用于主糧生產(chǎn)，保障糧食供應(yīng)，后備耕地資源短缺，開(kāi)發(fā)糧食生產(chǎn)潛力受限。植物工廠的創(chuàng)新發(fā)展在后備糧油作物生產(chǎn)上有著巨大的潛力。研究表明，用室內(nèi)10層垂直設(shè)施來(lái)種植小麥，年產(chǎn)量可達(dá)700 t/hm2（測(cè)量）—1940 t/hm2（估算），是目前世界小麥年平均產(chǎn)量3.2 t/hm2的220—600倍。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)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(jīng)濟(jì)作物的快速繁育關(guān)鍵技術(shù)。

水產(chǎn)品植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)。植物工廠可用于培養(yǎng)浮萍、微藻等水生植物和微生物，通過(guò)精準(zhǔn)控制光照和營(yíng)養(yǎng)，顯著提高浮萍和藻類的生長(zhǎng)速度和產(chǎn)量。如已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)的螺旋藻和小球藻；這些藻類富含蛋白質(zhì)和油脂，可用于食品、飼料和生物燃料。將魚(yú)類養(yǎng)殖與蔬菜種植結(jié)合發(fā)展出的“魚(yú)菜共生系統(tǒng)”中，魚(yú)糞為蔬菜提供養(yǎng)分，蔬菜凈化水質(zhì)，二者協(xié)同作用形成了互利共生的循環(huán)。這種模式提高了水產(chǎn)品和蔬菜的產(chǎn)量，減少了環(huán)境污染。

都市生活便捷優(yōu)質(zhì)保障植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)。在大中型城市周邊建設(shè)植物工廠，利用有限土地安全、穩(wěn)定、高效地生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蔬果和功能保健性食材，具有本地生產(chǎn)、新鮮直達(dá)、便捷供應(yīng)的優(yōu)勢(shì)；并且，由于靠近消費(fèi)市場(chǎng)，運(yùn)輸距離短，還可降低碳排放和物流成本。美國(guó)垂直農(nóng)業(yè)公司Plenty在美國(guó)舊金山等城市建設(shè)植物工廠，生產(chǎn)無(wú)農(nóng)藥綠葉蔬菜，直供餐廳和生鮮平臺(tái)。中國(guó)科學(xué)院植物研究所聯(lián)手福建三安集團(tuán)，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(guó)際上首棟建筑面積10000 m2的蔬菜植物工廠和首個(gè)商業(yè)化藥用植物工廠。該植物工廠日產(chǎn)高質(zhì)量蔬菜1.8 t，主要供應(yīng)廈門(mén)、福州和泉州等地的餐飲和商超；獲得有機(jī)認(rèn)證的地方保健藥材——金線蓮也已進(jìn)入線上、線下超市門(mén)店進(jìn)行銷售。

應(yīng)急與災(zāi)后食物保障植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)。植物工廠具備“平急兩用”綜合保障功能，可應(yīng)對(duì)戰(zhàn)時(shí)、重大災(zāi)害情形下食物快速生產(chǎn)的需求?？梢苿?dòng)式集裝箱植物工廠能夠在地震、洪水等災(zāi)害后快速部署，無(wú)需依賴外部供應(yīng)鏈，保障戰(zhàn)區(qū)/災(zāi)區(qū)應(yīng)急食物供應(yīng)；也能滿足潛艇軍艦、海島、高寒等特殊邊防地區(qū)國(guó)防保供需求。日本福島核災(zāi)后使用防輻射設(shè)計(jì)的植物工廠生產(chǎn)安全蔬菜，緩解公眾對(duì)污染作物的擔(dān)憂。我國(guó)“5·12”汶川地震后也臨時(shí)搭建了移動(dòng)式氣霧培農(nóng)場(chǎng)，為安置點(diǎn)提供新鮮葉菜。陸軍后勤部在西藏軍區(qū)“高原高寒、條件艱苦、缺氧缺水、交通不便”的哨所進(jìn)行植物工廠試點(diǎn)建設(shè)，以解決邊防部隊(duì)新鮮蔬菜供應(yīng)難題。

太空生命延續(xù)植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)。植物工廠獨(dú)立封閉化生產(chǎn)系統(tǒng)使其甚至可能在月球、火星等外太空?qǐng)鏊ㄔO(shè)，將是滿足航空航天、星際旅行和其他星球移民等未來(lái)場(chǎng)景需求的重要組成部分?？蒲腥藛T在空間基地模擬實(shí)驗(yàn)艙“月宮一號(hào)”里已經(jīng)多次開(kāi)展了生物再生生命保障系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。美國(guó)航空航天局（NASA）在國(guó)際空間站搭建太空農(nóng)場(chǎng)，測(cè)試LED光照下的蔬菜種植，為其火星移民計(jì)劃提供技術(shù)支持。我國(guó)航天員也已經(jīng)在神舟十七號(hào)載人飛船上成功完成了“太空菜園”的試驗(yàn)種植。

植物工廠的發(fā)展與態(tài)勢(shì)

植物工廠經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段，商業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大

植物工廠的發(fā)展大致經(jīng)歷4個(gè)階段（圖1）：20世紀(jì)50—80年代末的試驗(yàn)探索階段。營(yíng)養(yǎng)液栽培技術(shù)和人工可控環(huán)境技術(shù)為植物工廠的興起奠定了基礎(chǔ)。這一時(shí)期植物工廠的光源以能耗高、發(fā)熱量大的高壓鈉燈為主，種植設(shè)備僅為單層或兩層結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)效率較低，產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。20世紀(jì)90年代初—21世紀(jì)初的示范應(yīng)用階段。這一時(shí)期緊湊型熒光燈逐漸替代了高壓鈉燈，隨著傳感器和自動(dòng)控制技術(shù)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(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大。但仍存在能耗大、成本高等突出瓶頸，大規(guī)模應(yīng)用受到一定限制。21世紀(jì)10年代至今的產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段。隨著高光電轉(zhuǎn)換效率的藍(lán)光LED技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，植物工廠生產(chǎn)能效、空間利用率及自動(dòng)化程度均大幅提升，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展規(guī)模及盈利能力也隨之不斷擴(kuò)大。 未來(lái)，人工智能（AI）極有可能在短時(shí)間內(nèi)催生自動(dòng)化智慧植物工廠的發(fā)展。基于AI的自動(dòng)化植物工廠應(yīng)具備3個(gè)特征：自動(dòng)化——節(jié)省人工，如播種、育苗、分栽、采收、清洗、轉(zhuǎn)運(yùn)等自動(dòng)化均可大幅降低人工成本。標(biāo)準(zhǔn)化——提高效率，如種植作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、工藝流程標(biāo)準(zhǔn)化、栽培工具標(biāo)準(zhǔn)化。智能化——簡(jiǎn)單運(yùn)營(yíng)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)、生產(chǎn)管理和異常處理的智能化，減少運(yùn)營(yíng)成本?？梢?jiàn)，AI的創(chuàng)新應(yīng)用是植物工廠突破生產(chǎn)瓶頸、節(jié)本增效、升級(jí)換代生產(chǎn)系統(tǒng)的核心。

植物工廠光環(huán)境調(diào)控更加精準(zhǔn)，光效能效不斷提升

植物工廠人工光源經(jīng)歷了高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、熒光燈、LED燈等不同發(fā)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(tǒng)，以盡可能最節(jié)能的方式為植物提供光合作用所需的準(zhǔn)確光譜、強(qiáng)度和頻率。例如，美國(guó)Plenty公司的最新垂直農(nóng)場(chǎng)設(shè)施Tigris農(nóng)場(chǎng)，全年采用LED照明；與其他設(shè)施相比，LED照明能源效率能夠提高5倍。Plenty公司計(jì)劃在其未來(lái)的農(nóng)場(chǎng)中采用太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電，以進(jìn)一步降低能源成本。目前，全球LED燈的光電轉(zhuǎn)化效率為30%—40%。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2030年，LED照明效率預(yù)計(jì)將再提高70%，價(jià)格也將持續(xù)下降，其在植物工廠領(lǐng)域的應(yīng)用必將更加廣泛。

全球植物工廠產(chǎn)業(yè)近年來(lái)發(fā)展迅速，企業(yè)成為市場(chǎng)參與主體

目前，在植物工廠高技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域，日本、美國(guó)、英國(guó)、新加坡等走在世界前列；同時(shí)，這些國(guó)家也在積極推進(jìn)植物工廠的商業(yè)化應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化推廣。中國(guó)植物工廠產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。北京、上海、廈門(mén)、深圳等大城市相繼建立了多個(gè)示范性植物工廠，在葉菜、藥用植物等作物的工廠化生產(chǎn)方面取得突破。中國(guó)植物工廠數(shù)量目前已超250座，成為設(shè)施數(shù)量?jī)H次于日本的植物工廠大國(guó)；同時(shí)，一批本土植物工廠設(shè)備制造企業(yè)迅速崛起，推動(dòng)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的完善。

植物工廠自動(dòng)化程度越來(lái)越高，正向智能化、無(wú)人化發(fā)展

作為技術(shù)高度密集的產(chǎn)業(yè)形態(tài)，植物工廠涉及工程材料、環(huán)控裝備、智慧決策及輔助機(jī)器人等核心技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，正在向無(wú)人化等方向發(fā)展。在荷蘭瓦赫寧根大學(xué)主辦的第二屆國(guó)際智慧溫室種植挑戰(zhàn)賽中，冠軍團(tuán)隊(duì)采用AI和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等前沿技術(shù)優(yōu)化種植決策，遠(yuǎn)程自動(dòng)控制溫室種植，實(shí)現(xiàn)番茄種植每畝資源消耗減少16%，凈利潤(rùn)增加121%。在第4屆該賽事上，獲勝團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)及機(jī)器學(xué)習(xí)技能與算法將矮生番茄生產(chǎn)利潤(rùn)提升2—3倍。蘇格蘭Intelligent Growth Solutions公司開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化系統(tǒng)，利用模塊化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)，可減少80%的勞動(dòng)力。2023年5月和12月，中國(guó)率先自主研發(fā)的無(wú)人化垂直植物工廠先后在福建安溪（中國(guó)科學(xué)院主導(dǎo)）和四川成都（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院主導(dǎo)）投入運(yùn)營(yíng)。

植物工廠服務(wù)大糧食安全的瓶頸問(wèn)題

植物工廠發(fā)展乏力最大的問(wèn)題在于成本過(guò)高。以目前植物工廠商業(yè)應(yīng)用最多的葉菜類蔬菜生產(chǎn)為例，初期建設(shè)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(huán)境控制設(shè)備（如空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等）、無(wú)土栽培設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備、傳感器網(wǎng)絡(luò)和中央控制系統(tǒng)等；能源成本約占20%，包括人工光源和環(huán)境控制能耗；運(yùn)營(yíng)成本約占50%，其中人力成本占運(yùn)營(yíng)成本的近60%。下文就植物工廠高成本相關(guān)成因進(jìn)行細(xì)致分析。

適生作物缺乏深度發(fā)掘與品種匱乏。國(guó)外AeroFarms和Plenty等公司都以綠葉蔬菜生產(chǎn)為主；而國(guó)內(nèi)投入運(yùn)營(yíng)的植物工廠有200余座，規(guī)模、品種、運(yùn)營(yíng)思路各不相同，但大多數(shù)還是以蔬菜生產(chǎn)為主。雖然也有對(duì)蛋白飼草、水稻、小麥等進(jìn)行植物工廠立體化種植的研究嘗試，但僅限于小規(guī)模試驗(yàn)階段，現(xiàn)在全球還沒(méi)有一個(gè)真正的智慧植物工廠糧食生產(chǎn)體系。

生產(chǎn)過(guò)程高能耗與勞力成本。植物工廠的管理設(shè)備主要還是以半自動(dòng)化和自動(dòng)化機(jī)械為主，智能化機(jī)械占比不足10%，尤其是相關(guān)高端感知技術(shù)、植物生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)控模型算法、自主作業(yè)機(jī)器人等研發(fā)不足；同時(shí)，智能化裝備管理集成度低，環(huán)境控制系統(tǒng)多采用經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定，不能夠依據(jù)作物生長(zhǎng)狀況實(shí)時(shí)調(diào)整，生產(chǎn)技術(shù)型人力消耗大。此外，植物工廠仍存在光效低、能耗高的問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本高，因而植物工廠盈利困難。例如，目前LED燈的光電轉(zhuǎn)化效率低于40%，轉(zhuǎn)化率還有待提升；即使采用節(jié)能LED燈具進(jìn)行補(bǔ)光，因需每日運(yùn)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(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)不完善，尚未形成健康有序的產(chǎn)業(yè)模式。植物工廠產(chǎn)業(yè)鏈上游環(huán)節(jié)的設(shè)備制造中，核心LED照明、環(huán)控設(shè)備、營(yíng)養(yǎng)液系統(tǒng)等還存在技術(shù)瓶頸，LED照明效率、環(huán)境控制精度、營(yíng)養(yǎng)液配方優(yōu)化等方面仍有提升空間；中游環(huán)節(jié)的植物工廠建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，涉及植物工廠設(shè)計(jì)建造和日常運(yùn)營(yíng)管理，需要整合多學(xué)科知識(shí)和技術(shù)，通過(guò)規(guī)?；a(chǎn)、技術(shù)創(chuàng)新和管理優(yōu)化來(lái)降低生產(chǎn)成本；下游環(huán)節(jié)的農(nóng)產(chǎn)品銷售和深加工，包括農(nóng)產(chǎn)品的品牌建設(shè)、營(yíng)銷網(wǎng)絡(luò)搭建、深加工產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等，還需要打破市場(chǎng)認(rèn)知瓶頸，提高消費(fèi)者對(duì)植物工廠產(chǎn)品的認(rèn)知度和接受度。

多元化食物生產(chǎn)功能未得到發(fā)揮，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景缺乏系統(tǒng)布局。目前，植物工廠商業(yè)化應(yīng)用多局限于都市農(nóng)業(yè)場(chǎng)景的果蔬生產(chǎn)，缺乏大食物觀農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景的研發(fā)。近來(lái)，植物工廠高產(chǎn)小麥、水稻試驗(yàn)的成功，“7天大麥芽草”工廠化生產(chǎn)的應(yīng)用，以及大豆、油菜的育種加速生產(chǎn)，為植物工廠用于糧食、飼草等大宗產(chǎn)品生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。進(jìn)而，需要統(tǒng)籌規(guī)劃、系統(tǒng)布局，根據(jù)不同區(qū)域的需求，匹配應(yīng)用場(chǎng)景，建設(shè)適宜的植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)，以充分發(fā)揮植物工廠多元化食物生產(chǎn)功能。

人工智能助力植物工廠科技創(chuàng)新與降本增效

本文利用大數(shù)據(jù)分析建立了植物工廠生產(chǎn)成本精算模型（式1、表1），從而推算出自動(dòng)化植物工廠的發(fā)展迫切需要解決適生專用型品種匱乏、能耗高、勞動(dòng)力成本高和無(wú)配套生產(chǎn)裝備等關(guān)鍵問(wèn)題。

總體而言，需要大力應(yīng)用AI挖掘鑒定適生種質(zhì)資源，解析植物工廠條件下植物分子發(fā)育學(xué)基礎(chǔ)和農(nóng)藝性狀建成的分子規(guī)律，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與快速創(chuàng)制植物工廠高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)作物品種，研發(fā)自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；鞒躺a(chǎn)裝備與控制模塊?？梢灾饕獜?個(gè)方面來(lái)提高植物工廠生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

創(chuàng)制適生理想型品種，培育矮化、高產(chǎn)新品種，實(shí)現(xiàn)增加單位面積產(chǎn)量超50%。中國(guó)水稻研究所已成功選育出生長(zhǎng)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(nèi)實(shí)現(xiàn)60 d快速收獲，年畝產(chǎn)可達(dá)39 t；對(duì)小麥、番茄、辣椒、黃瓜等眾多作物都已先后開(kāi)展了矮稈品種的選育和創(chuàng)制，以及基因的挖掘和功能解析。國(guó)外多家機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)展的快速育種技術(shù)研究中，1年內(nèi)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(tǒng)溫室條件下1年內(nèi)僅能繁育2—3代）。中國(guó)研究人員采用植物工廠育種加速器用不到4年時(shí)間培育出“中生1號(hào)”生菜，其水培適應(yīng)性好，較現(xiàn)有主栽品種增產(chǎn)55.9%。通過(guò)調(diào)整光質(zhì)和光周期，水稻可實(shí)現(xiàn)1年5代的繁育。利用幼胚培養(yǎng)技術(shù)，結(jié)合適宜的光照和溫濕度條件，可進(jìn)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(yōu)質(zhì)高產(chǎn)作物種類仍十分匱乏，急需加強(qiáng)植物育種基礎(chǔ)研究，培育植物工廠專用新品種，積極創(chuàng)制矮稈、密植、低光需、高光效、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、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(chǎn)需求。同時(shí)，充分利用植物工廠獨(dú)特的育種加速器功能，結(jié)合AI大數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)能力，對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行篩選，對(duì)品種的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估，加快作物育種進(jìn)程，以滿足植物工廠急需的優(yōu)質(zhì)種源。

創(chuàng)制太陽(yáng)光無(wú)電光波導(dǎo)照明技術(shù)，優(yōu)化光源，實(shí)現(xiàn)降低照明能耗50%。人工光源是植物工廠中植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要能量來(lái)源，也是導(dǎo)致植物工廠高能耗、高運(yùn)行成本最主要的原因。利用光波導(dǎo)傳輸陽(yáng)光的照明系統(tǒng)作為一種非電光源成為植物工廠降低電能消耗的創(chuàng)新策略。該技術(shù)利用先進(jìn)的采光系統(tǒng)，選擇性地將室外太陽(yáng)光的有效光合輻射部分引入室內(nèi)，替代人工光照。相較于“太陽(yáng)能—電能”最高25%的轉(zhuǎn)換效率而言，光利用效率最高可達(dá)70%。智能太陽(yáng)光采集裝置可以根據(jù)太陽(yáng)的位置和光照強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)整反射鏡和透鏡的角度，確保最大程度地采集和傳輸太陽(yáng)光。結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)，智能調(diào)整波導(dǎo)系統(tǒng)的光分配，避免光照不均勻?qū)е碌闹参锷L(zhǎng)差異。將智慧太陽(yáng)光波波導(dǎo)技術(shù)與LED光源相結(jié)合，利用機(jī)器學(xué)習(xí)計(jì)算實(shí)時(shí)的光照需求和環(huán)境條件，智能控制太陽(yáng)光和LED光源的比例和切換，實(shí)現(xiàn)不同天氣條件下光照的最優(yōu)化利用，可極大程度地降低植物工廠的照明能耗。此外，建立植物光反應(yīng)特征數(shù)據(jù)庫(kù)，利用深度學(xué)習(xí)算法分析不同基因型植物對(duì)特定光譜的響應(yīng)，有助于加強(qiáng)植物特征生長(zhǎng)光譜調(diào)制、LED光質(zhì)配比組合光源創(chuàng)制、新型節(jié)能LED燈具設(shè)計(jì)、光環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控等方面研究，從而進(jìn)一步降低植物工廠照明能耗。

綜合利用清潔能源，實(shí)現(xiàn)降低用電成本50%以上。利用清潔能源，建設(shè)虛擬電廠、微能源網(wǎng)等多能互補(bǔ)綜合能源管理系統(tǒng)，將太陽(yáng)能電池板、風(fēng)力渦輪機(jī)、電網(wǎng)電池和植物工廠等資源鏈接在一起，通過(guò)整合多種技術(shù)調(diào)節(jié)電力的生成、存儲(chǔ)、分配和消耗，從而降低植物工廠的電力使用成本。同時(shí)，結(jié)合AI技術(shù)，通過(guò)對(duì)工廠生產(chǎn)能源消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及對(duì)未來(lái)一段時(shí)間能源需求的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，幫助企業(yè)制定更合理的能源使用和采購(gòu)計(jì)劃。目前，在獲得農(nóng)業(yè)用電補(bǔ)貼情況下，我國(guó)植物工廠生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)所用電價(jià)通常在0.4—0.6元/千瓦時(shí)不等；而在清潔能源豐富的地區(qū)（如內(nèi)蒙古、寧夏等地），電價(jià)可降低至0.2—0.3元/千瓦時(shí)，能直接將植物工廠的用電成本降低一半以上。

構(gòu)建數(shù)字孿生與AI大模型，提升自動(dòng)化水平和精準(zhǔn)環(huán)控技術(shù)能力，實(shí)現(xiàn)降低90%運(yùn)維人力成本。AI技術(shù)在植物工廠中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在環(huán)境智能控制、作物生長(zhǎng)預(yù)測(cè)與優(yōu)化、病蟲(chóng)害智能識(shí)別與防治，以及自動(dòng)化種植與收獲等方面（圖2）。通過(guò)部署各種傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，AI系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造最佳條件。通過(guò)對(duì)植物工廠的生產(chǎn)全過(guò)程和作物生長(zhǎng)全生命周期進(jìn)行數(shù)字孿生建模，利用深度學(xué)習(xí)算法從多維度數(shù)據(jù)中挖掘出影響作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，結(jié)合AI大模型技術(shù)構(gòu)建能夠支持作物生長(zhǎng)模擬與過(guò)程可視化的孿生模型，預(yù)測(cè)作物生長(zhǎng)趨勢(shì)和產(chǎn)量，并優(yōu)化種植策略。此外，機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)播種、移栽、修剪、收獲等作業(yè)的自動(dòng)化，從而減少人力成本，大幅提高生產(chǎn)效率。

植物工廠應(yīng)用場(chǎng)景與產(chǎn)業(yè)布局

擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)?？梢杂行偙≈参锕S的高昂成本，但現(xiàn)階段植物工廠商業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用場(chǎng)景僅限于果蔬類（尤其是葉菜類）的生產(chǎn)，市場(chǎng)規(guī)模有限。將植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)接大宗初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品的保供不僅可以有效解決規(guī)模問(wèn)題，并能打造不同的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)接多元化食物供給國(guó)家戰(zhàn)略，將極大改變目前植物工廠發(fā)展困境。至少，在我國(guó)有如下4類應(yīng)用場(chǎng)景值得嘗試（圖3）。

內(nèi)陸荒漠鹽堿區(qū)糧油飼草植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)。新疆天山以南、甘肅、寧夏、青海和內(nèi)蒙古西部是國(guó)家新能源重點(diǎn)布局區(qū)域，有著豐富的光熱，有些區(qū)域如新疆阿克蘇的部分縣市每年無(wú)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(qū)發(fā)展清潔能源驅(qū)動(dòng)的植物工廠，可全年不間斷地生產(chǎn)糧、油、飼草等作物。

農(nóng)牧交錯(cuò)帶進(jìn)口蛋白替代植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)。我國(guó)傳統(tǒng)的畜牧養(yǎng)殖多分布在“胡煥庸線”界定的農(nóng)牧交錯(cuò)帶。因該區(qū)域不多于400 mm的年降雨量，極易造成過(guò)牧和草場(chǎng)退化，是我國(guó)典型的生態(tài)脆弱區(qū)。但是，此區(qū)域有著豐富的光能和風(fēng)能資源。例如，吉林白城、內(nèi)蒙古赤峰和通遼等是典型的“風(fēng)能城”。在該區(qū)域發(fā)展進(jìn)口蛋白替代植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)，可直接為當(dāng)?shù)匦竽琉B(yǎng)殖提供優(yōu)質(zhì)飼草和蛋白，節(jié)約養(yǎng)殖成本并保護(hù)生態(tài)。

濱海區(qū)清潔能源耦合灘涂與近海養(yǎng)殖的植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)。我國(guó)北起遼寧盤(pán)錦、南至江蘇鹽城的廣大環(huán)渤海區(qū)有著豐富的沿海灘涂和近海水域，是我國(guó)“海洋牧場(chǎng)”的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域。利用海上風(fēng)能發(fā)展灘涂和海上畜牧養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖將極大節(jié)約能耗和土地資源。荷蘭利用廢棄船艦開(kāi)展海上奶牛養(yǎng)殖、中國(guó)最新發(fā)展海上清潔能源浮島生產(chǎn)系統(tǒng)都是非常有創(chuàng)意的大膽創(chuàng)新。

一、二線都市優(yōu)質(zhì)果蔬與功能食物植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)?，F(xiàn)代都市生活中，人們追求高品質(zhì)，愿意為大健康產(chǎn)品消費(fèi)。利用都市成熟完善的儲(chǔ)能科技和豐富余熱尾氣作為能源，在植物工廠內(nèi)培育特色風(fēng)味、花青素和類黃酮高、增強(qiáng)免疫功能等果蔬與功能食物品類，可為快節(jié)奏、高強(qiáng)度工作壓力下的都市居民提供抗衰老疲勞、強(qiáng)化機(jī)體功能的“藥食同源”選項(xiàng)。

智慧植物工廠發(fā)展建議

布局智慧植物工廠前沿科技戰(zhàn)略，解決基礎(chǔ)生物學(xué)和工程問(wèn)題。智慧植物工廠是國(guó)際高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的重要領(lǐng)域，但光源光效低、系統(tǒng)能耗大、作物品質(zhì)調(diào)控與多因子協(xié)同管控難等關(guān)鍵技術(shù)難題仍未突破。在技術(shù)創(chuàng)新與成本控制方面，需加大研發(fā)投入，推動(dòng)AI技術(shù)在植物工廠領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用；同時(shí)，鼓勵(lì)產(chǎn)學(xué)研合作，促進(jìn)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，提高技術(shù)應(yīng)用的性價(jià)比。在智能化裝備與管理決策系統(tǒng)、新型光源與光能有效利用、可再生能源轉(zhuǎn)化利用、新型作物品種改良與創(chuàng)制等方面進(jìn)行科技創(chuàng)新，開(kāi)創(chuàng)植物工廠新生產(chǎn)體系，推動(dòng)植物工廠技術(shù)再升級(jí)，建立植物工廠新業(yè)態(tài)。

圍繞清潔能源豐沛區(qū)域，規(guī)劃智慧植物工廠產(chǎn)業(yè)集群，實(shí)現(xiàn)資源高效利用。在我國(guó)西部風(fēng)光資源豐富的荒漠鹽堿地區(qū)及農(nóng)牧交錯(cuò)帶區(qū)域，通過(guò)低電價(jià)甚至負(fù)電價(jià)吸引裝備制造企業(yè)投資建設(shè)智慧植物工廠，可以開(kāi)拓新的土地資源利用，消納光伏、風(fēng)電等清潔能源。同時(shí)，結(jié)合這些地區(qū)的畜牧產(chǎn)業(yè)，開(kāi)發(fā)大豆替代的高蛋白飼草產(chǎn)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(yè)的龍頭企業(yè)，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同發(fā)展。在東部濱海灘涂區(qū)，耦合清潔能源，發(fā)展近海養(yǎng)殖的植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)，拓展植物工廠向海洋領(lǐng)域的新發(fā)展。

開(kāi)展進(jìn)口蛋白替代智慧植物工廠等產(chǎn)業(yè)試點(diǎn)示范。通過(guò)政府引導(dǎo)，以企業(yè)為主體，加強(qiáng)科技支撐，集成適生理想型品種、新型LED光源與太陽(yáng)光光波導(dǎo)技術(shù)、數(shù)字孿生、AI大模型及精準(zhǔn)環(huán)控技術(shù)，建設(shè)一批高標(biāo)準(zhǔn)、高水平的智慧植物工廠示范項(xiàng)目。本文預(yù)估，一個(gè)占地3000 m2、15層高樓的蛋白芽草植物工廠每年可生產(chǎn)10000 t大豆替代蛋白。利用333 hm2土地面積，建設(shè)這樣的蛋白芽草工廠，將可以解決我國(guó)大豆蛋白進(jìn)口依賴的問(wèn)題。

（作者：龔化勤、景海春、匡廷云、林雙，中國(guó)科學(xué)院植物研究所飼草種質(zhì)高效設(shè)計(jì)與利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；譚鑫、楊名宇，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所；王憲輝，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所；張玉成，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所；林榮呈，中國(guó)科學(xué)院植物研究所飼草種質(zhì)高效設(shè)計(jì)與利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湘湖實(shí)驗(yàn)室；謝華玲、楊艷萍，中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心；葉世堂、李鵬，福建省中科生物股份有限公司?！吨袊?guó)科學(xué)院院刊》供稿）