科创中国

摘要：植物工厂（plant factory）是生长环境条件全智能控制的植物高效生产系统，是植物生产方式的一场革命，其应用状况反映出了一个国家农业高技术水平的重要标志。植物工厂集栽培技术、工程技术和系统管理于一体，是农业产业化进程中吸收应用高新技术成果最具活力和潜力的领域之一，是实现农业工业化生产、解决人类健康、食品安全及国防战略需求的全新途径。但多学科技术的融合也使植物工厂的长远发展依赖于相关各科学领域的研究进展与创新突破，也使得植物工厂的规模应用在创新进步的过程中面临许多难题和挑战。 前沿进展和产生背景 植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约的省力连续型生产方式。植物工厂使农业生产从自然生态束缚中脱离出来，按计划周年性进行植物产品生产的工厂化农业系统。 世界范围内，人口膨胀与耕地缺乏之间的矛盾日益激烈，大气、水源及土壤环境的污染，全球气候变暖、自然灾害频发、极端恶劣气候，都给传统农业生产带来了极端严峻的挑战。植物工厂内植物生产不依赖土地与气候环境条件，单位面积产量可达露地同等面积的几十倍甚至上百倍，是有效缓解人口膨胀与耕地缺乏之间矛盾的有效途径；克服了环境污染对植物生长的影响，产品安全无污染，是保障食品安全的必然趋势和手段；也将是未来航天工程中人类在月球及其它星球食物自给的保障上具有重要战略意义。 真正意义上的全人工光能植物工厂是最近十几年才出现的。目前，日本属于植物工厂比较发达的国家，已有超过200家专门生产蔬菜和个别生产草莓的商业化植物工厂，且已完全处于商业化、产业化的发展阶段。日本植物工厂技术和装备正在向中国、俄罗斯、韩国、波兰、中东国家等地区输出。美国的垂直空中植物工厂、太空植物工厂已开始由设计图向现实转变，也是全球最大的利用植物工厂采用高压钠灯进行药用大麻生产的国家。荷兰等欧洲农业发达国家也开始步入了利用植物工厂发展蔬菜和花卉产业的快车道，已开始了全人工光型的商业化植物工厂的应用。 与日、美等发达国家相比较，我国植物工厂起步较晚，但植物工厂建设发展速度是前所未有。我国的台湾省，在学习日本的经验上，目前约有140座进行蔬菜生产的商业化植物工厂（大多为面积小于200m2的小型植物工厂，没有超过1000m2的中等规模的植物工厂）在运行。2016年6月，福建省中科生物股份有限公司在我国国内第一个实现了真正意义上的商业化人工光型大型生产蔬菜的植物工厂，建成了国际上单栋规模最大（1万m2）的植物工厂。这一植物工厂的建成标志着我国的植物工厂真正由示范型阶段进入了产业化阶段。同期，金沙江智慧农业引入美国AeroFarms公司技术；京东集团和日本三菱化学控股集团合作，都在中国布局植物工厂产业。虽然植物工厂在我国出现了蓬勃发展的趋势，但我国植物工厂发展仍存在大量基础科学问题需要解决的瓶颈，要实现长远稳定的发展，建立有我国自主知识产权的植物工厂栽培技术体系和设施装备，还有很多核心的科学和技术问题需要进一步解决。 未来面临的关键难点、挑战 植物工厂通过控制温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件，使设施内植物生长发育不受自然条件的限制，以实现植物高效生产的目的。但对于如何使用这些可控的环境条件来激发植物的最大生长潜能，实现最大效率的能源转化，需要在有关基础理论的科学问题进行研究和克服某些技术难题。 植物工厂引进光生物理念和技术，利用低成本高光效的LED植物照明技术，来达到光质、光量、光周期等光照条件完全可控的目的。但目前不论是植物工厂内还是自然环境下，植物对光能的转化利用效率都很低。与自然光相比较，LED人工光源最大优势在于人类能对光源的光谱进行选择。研究人工LED光环境下不同光谱对植物生长发育与抗性形成的调控机制，获得植物高光能吸收利用效率的最佳光配方（包括光质、光量、光周期）；研究人工光环境条件下植物的光合特性，以及光能向生物能转化的分子机理和生理特性，选育低光需且高光合效率、高生物能转化效率的优良品种；研究人工光环境下植物的形态建成特征及机理，选育适于植物工厂立体栽培模式的理想株型品种。上述光生物学基础研究对于提高植物工厂下植物生物能转化效率，降低植物生产成本，推动光生物产业的发展具有极为重要价值。 植物工厂提供给植物最适的生长温度、湿度，充足的光照、CO2及矿质营养元素，但植物在各方面条件最优的情况下，生长速度加快，生物量快速增加，但相应也容易出现生长失调的问题。如何协调高效的光合作用和矿质元素吸收，以及植物体内营养物质的合成、运输和转化，也是植物工厂发展中所亟待解决的科学难题。研究不同植物对矿质元素的吸收和累积规律，选育植物工厂条件下养分高效利用的优良品种，弄清植物次生代谢产物在植物工厂条件下合成积累调控机制，结合不同的栽培模式探寻适于高光合效率下快速生长植物的营养配方及栽培技术手段。这些研究也都有助于解决植物工厂产业中的科学与技术难题。 重要意义 植物工厂需要植物学、园艺学、营养学、光生物学、植物化学、智能装备等多学科融合，集成植物照明技术、植物无土栽培技术，植物次生代谢产物的调控技术以及信息技术、光电技术等进行植物工厂化生产，对植物工厂发展中关键难题的解决也将极大程度地带动这些相关学科领域的发展。 植物工厂的发展可有效地缓解人口膨胀与耕地缺乏之间的矛盾，是保障未来国家粮食安全重要途径；植物工厂可避免传统农业对自然生态系统的污染，可解决传统农业生产的食品安全隐患，可满足人们对含蔬菜在内的安全食品日益快速增长的需求，为人类健康提供重要食品保障；由于植物工厂具有的不依赖于土壤与气候环境条件及能实现周年稳定生产供应的特点，在航空航天、边防海岛国防、极地和高寒等特殊环境地区应用均具有重要战略意义。 植物工厂产业虽刚刚起步，但必将拓展出一个农业尤其是园艺作物工业化生产的新兴光生物产业集群，成为引领现代农业的发展方向。如果能突破制约其发展的关键科学难题，将不仅极大推动植物工厂的发展，还将对相关其他交叉领域的科技发展产生重大影响，并将为我们带来巨大的经济和社会效益。