摘要：植物工厂是运用现代生物技术、信息技术、自动化技术实现环境调控与作物种植栽培，以工业化生产方式，实现作物周年连续生产的高效农业系统。2024年，国务院办公厅出台《关于践行大食物观构建多元化食物供给体系的意见》。其中，在加快发展现代设施农业，拓展食物开发新空间方面

本文刊载于《中国科学院院刊》2025年第2期“专题：智慧农业的发展与思考”

龚化勤1 景海春1 谭鑫2 王宪辉3 张玉成4 林荣呈1,5 杨名宇2 林双1 谢华玲6 杨艳萍6 叶世堂7 李鹏7 匡廷云1*

1.中国科学院植物研究所 饲草种质高效设计与利用全国重点实验室

2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

3.中国科学院动物研究所

4.中国科学院计算技术研究所

5.湘湖实验室（农业浙江省实验室）

6.中国科学院文献情报中心

7.福建省中科生物股份有限公司

植物工厂是运用现代生物技术、信息技术、自动化技术实现环境调控与作物种植栽培，以工业化生产方式，实现作物周年连续生产的高效农业系统。2024年，国务院办公厅出台《关于践行大食物观构建多元化食物供给体系的意见》。其中，在加快发展现代设施农业，拓展食物开发新空间方面，明确提出“在大中城市周边布局建设植物工厂”“在具备水资源条件的地区探索科学利用戈壁、荒漠等发展可持续的现代设施农业”等。

1 植物工厂服务国家大粮食安全

植物工厂优势集中体现在两大方面：可控环境和立体种植。可控环境技术可以使农业摆脱土地等自然资源与气候变化、环境污染等因素的限制，并实现对植物生长的光、温、水、气、肥等全要素的精细化控制。基于LED冷光源和无土栽培技术的立体化种植，可实现有限占地面积的最大化产出。例如，每年可以在仅40 m2的土地面积上种植50多万株植株，土地使用面积减少95%，需水量和农药使用量减少95%。植物工厂这种全环境条件可控型高效粮食生产方式，是保障我国大粮食安全的重要途径。结合我国的实际，植物工厂可打造如下多元化食物生产应用场景。

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进口蛋白替代植物工厂生产系统

我国每年需要大量进口蛋白饲料和乳肉产品。例如，大豆和苜蓿对外依存度长期超过80%和30%，进口量均居世界首位。植物工厂技术正在改变传统的饲草育种及生产方式，为解决饲草供应提供新思路。苜蓿、黑麦草等饲草作物在植物工厂内可连续多年生长，一年采收茬数可达18—20次。植物工厂生产水培芽草可将蛋白利用率由60%提升至90%以上，可部分甚至全部代替精/粗饲料，是理想的大豆蛋白替代来源。

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后备粮油植物工厂生产系统

我国土地资源有限，严守的18亿亩耕地主要用于主粮生产，保障粮食供应，后备耕地资源短缺，开发粮食生产潜力受限。植物工厂的创新发展在后备粮油作物生产上有着巨大的潜力。研究表明，用室内10层垂直设施来种植小麦，年产量可达700 t/hm2（测量）—1940 t/hm2（估算），是目前世界小麦年平均产量3.2 t/hm2的220—600倍。

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水产品植物工厂生产系统

植物工厂可用于培养浮萍、微藻等水生植物和微生物，通过精准控制光照和营养，显著提高浮萍和藻类的生长速度和产量。如已经商业化生产的螺旋藻和小球藻；这些藻类富含蛋白质和油脂，可用于食品、饲料和生物燃料。将鱼类养殖与蔬菜种植结合发展出的“鱼菜共生系统”中，鱼粪为蔬菜提供养分，蔬菜净化水质，二者协同作用形成了互利共生的循环。这种模式提高了水产品和蔬菜的产量，减少了环境污染。

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都市生活便捷优质保障植物工厂生产系统

在大中型城市周边建设植物工厂，利用有限土地安全、稳定、高效的生产优质蔬果和功能保健性食材，具有本地生产、新鲜直达、便捷供应的优势；并且，由于靠近消费市场，运输距离短，还可降低碳排放和物流成本。美国垂直农业公司Plenty在美国旧金山等城市建设植物工厂，生产无农药绿叶蔬菜，直供餐厅和生鲜平台。

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应急与灾后食物保障植物工厂生产系统

植物工厂具备“平急两用”综合保障功能，可应对战时、重大灾害情形下食物快速生产的需求。可移动式集装箱植物工厂能够在地震、洪水等灾害后快速部署，无需依赖外部供应链，保障战区/灾区应急食物供应；也能满足潜艇军舰、海岛、高寒等特殊边防地区国防保供需求。日本福岛核灾后使用防辐射设计的植物工厂生产安全蔬菜，缓解公众对污染作物的担忧。

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太空生命延续植物工厂生产系统

植物工厂独立封闭化生产系统使其甚至可能在月球、火星等外太空场所建设，将是满足航空航天、星际旅行和其他星球移民等未来场景需求的重要组成部分。美国航空航天局（NASA）在国际空间站搭建太空农场，测试LED光照下的蔬菜种植，为其火星移民计划提供技术支持。我国航天员也已经在神舟十七号载人飞船上成功完成了“太空菜园”的试验种植。

2 植物工厂的发展与态势

植物工厂的发展大致经历4个阶段（图1）：

1. 20世纪50—80年代末的试验探索阶段。营养液栽培和可控环境技术为植物工厂的兴起奠定了基础。这一时期植物工厂的光源以能耗高、发热量大的高压钠灯为主，种植设备仅为单层或两层结构，生产效率较低，产业发展缓慢。

2. 20世纪90年代初—21世纪初的示范应用阶段。这一时期紧凑型荧光灯逐渐替代了高压钠灯，传感器和自动控制技术逐步引入，植物工厂空间利用率与能源效率显著提升，示范应用规模不断扩大。但仍存在能耗大、成本高等突出瓶颈，大规模应用受到一定限制。

3. 21世纪10年代至今的产业发展阶段。随着高光电转换效率的蓝光LED技术的出现和应用，植物工厂生产能效、空间利用率及自动化程度均大幅提升，产业化发展规模及盈利能力也随之不断扩大。

4. 未来，人工智能（AI）极有可能在短时间内催生智慧植物工厂的发展。基于AI的智慧植物工厂应具备3个特征：自动化——节省人工、标准化——提高效率、智能化——简单运营，AI的创新应用是植物工厂突破生产瓶颈，节本增效，升级换代生产系统的核心。

图1 植物工厂发展历程及各阶段相关的重大科技创新

在植物工厂高技术研发领域，日本、美国、英国、新加坡等走在世界前列；同时，这些国家也在积极推进植物工厂的商业化应用和产业化推广。中国植物工厂产业起步较晚，但发展势头强劲。北京、上海、厦门、深圳等大城市相继建立了多个示范性植物工厂，在叶菜、药用植物等作物的工厂化生产方面取得突破。中国植物工厂数量目前已超250座，成为设施数量仅次于日本的植物工厂大国；同时，一批本土植物工厂设备制造企业迅速崛起，推动了整个产业链的完善。

3 人工智能助力植物工厂科技创新与降本增效

目前，植物工厂发展乏力的最大的问题在于成本过高。以植物工厂商业应用最多的叶菜类蔬菜生产为例，初期建设投资成本约占总成本的30%，涉及建筑与空间改造、安装多层立体栽培架、LED灯具（占初期投资的20%—30%）、环境控制设备（如空调系统、通风系统等）、无土栽培设备和自动化设备、传感器网络和中央控制系统等；能源成本约占20%，包括人工光源和环境控制能耗；运营成本约占50%，其中人力成本占运营成本的近60%。利用大数据分析建立的植物工厂生产成本精算模型，推算出自动化植物工厂的发展迫切需要解决适生专用型品种匮乏、能耗高、劳动力成本高和无配套生产装备等关键问题，可以主要从以下几个方面来提高植物工厂生产效率，降低生产成本：

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创制适生理想型品种，培育矮化、高产新品种，实现增加单位面积产量超50%

矮杆水稻品种可在植物工厂内实现60 d快速收获，年亩产可达39 t；利用植物工厂育种加速器，1年内可成功繁育5—6代的小麦、大麦、豌豆、大豆和鹰嘴豆，以及4代的油菜，水稻可实现1年5代的繁育，可进行棉花（1年3—4代）、高梁（1年4—5代）、燕麦和小黑麦（1年6—7代）的加速繁育。目前，植物工厂适生的优质高产作物种类仍十分匮乏，急需加强植物育种基础研究，积极创制矮杆、密植、低光需、高光效、优质、高产、快生型植物工厂适用作物品种，充分利用植物工厂独特的育种加速器功能，加快作物育种进程，以满足植物工厂急需的优质种源。

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创制太阳光无电光波导照明技术，优化光源，实现降低照明能耗50%

人工光源是植物工厂中植物生长发育的主要能量来源，也是导致高能耗、高运行成本最主要的原因。利用光波导传输阳光的照明系统作为一种非电光源成为降低电能消耗的创新策略。该技术利用先进的采光系统，选择性地将室外太阳光的有效光合辐射部分引入室内，替代人工光照。相较于“太阳能—电能”最高25%的转换效率而言，光利用效率最高可达70%。将智慧太阳光波波导技术与LED光源相结合，可极大程度降低植物工厂的照明能耗。此外，加强植物特征生长光谱调制、LED光质配比组合光源创制、新型节能LED灯具设计、光环境精准调控等方面研究，将进一步降低植物工厂照明能耗。

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综合利用清洁能源，实现降低用电成本50%以上

利用清洁能源，建设虚拟电厂、微能源网等多能互补综合能源管理系统，将太阳能电池板、风力涡轮机、电网电池和植物工厂等资源连接在一起，通过整合多种技术调节电力的生成、存储、分配和消耗，从而降低植物工厂的用电成本。目前，在获得农业用电补贴情况下，我国植物工厂生产运营所用电价通常在0.4—0.6元/千瓦时不等；而在清洁能源丰富的地区（如内蒙古、宁夏等地），电价可降低至0.2—0.3元/千瓦时，能直接将植物工厂的用电成本降低一半以上。

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构建数字孪生与AI大模型，提升自动化水平和精准环控技术能力，实现降低90%运维人力成本

AI技术在植物工厂中的应用主要体现在环境智能控制、作物生长预测与优化、病虫害智能识别与防治，以及自动化种植与收获等方面（图2）。通过部署各种传感器和物联网设备，AI系统能够实时监测和调节各项环境参数，为作物生长创造最佳条件。通过对植物工厂的生产全过程和作物生长全生命周期进行数字孪生建模，利用深度学习算法从多维度数据中挖掘出影响作物生长的关键因素，结合AI大模型技术构建能够支持作物生长模拟与过程可视化的孪生模型，预测作物生长趋势和产量，并优化种植策略。此外，机器人技术和计算机视觉的结合，能实现播种、移栽、修剪、收获等作业的自动化，减少人力成本，大大提高生产效率。

图2 无人化智慧植物工厂

4 植物工厂应用场景与产业布局

扩大生产规模可以有效摊薄植物工厂的高昂成本，但现阶段植物工厂商业化生产应用场景仅限于蔬果类，尤其是叶菜类的生产，市场规模有限。将植物工厂生产系统对接大宗初级农产品的保供不仅可以有效解决规模问题，并能打造不同的应用场景，对接多元化食物供给国家战略，将极大改变目前植物工厂发展困境。至少，在我国有如下4类应用场景值得尝试（图3）。

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内陆荒漠盐碱区粮油饲草植物工厂生产系统

新疆天山以南、甘肃、宁夏、青海和内蒙古西部是国家新能源重点布局区域，有着丰富的光热，有些区域如新疆阿克苏的部分县市每年无霜期有近250 d，还有广袤的盐碱、荒漠资源和丰富的浅层苦咸水资源。在这些地区发展清洁能源驱动的植物工厂，可全年不间断的生产粮、油、饲草等作物。

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农牧交错带进口蛋白替代植物工厂生产系统

我国传统的畜牧养殖多分布在“胡焕庸线”界定的农牧交错带。因该区域不多于400 mm的年降雨量，极易造成过牧和草场退化，是我国典型的生态脆弱区。但是，此区域有着丰富的光能和风能资源，在该区域发展进口蛋白替代植物工厂生产系统，可直接为当地畜牧养殖提供优质饲草和蛋白，节约养殖成本并保护生态。

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滨海区清洁能源耦合滩涂与近海养殖的植物工厂生产系统

我国北起辽宁盘锦、南至江苏盐城的广大环渤海区有着丰富的沿海滩涂和近海水域，是我国“海洋牧场”的重点发展区域。利用海上风能发展滩涂和海上畜牧养殖和水产养殖将极大节约能耗和土地资源。荷兰利用废弃船舰开展海上奶牛养殖、中国最新发展海上清洁能源浮岛生产系统都是非常有创意的大胆创新。

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一二线都市优质果蔬与功能食物植物工厂生产系统

现代都市生活中，人们追求高品质，愿意为大健康产品消费。利用都市成熟完善的储能科技和丰富余热尾气作为能源，在植物工厂内培育特色风味、花青素和类黄酮高、增强免疫功能等果蔬与功能食物品类，可为快节奏、高强度工作压力下的都市居民提供抗衰老疲劳、强化机体功能的“药食同源“选项。

5 智慧植物工厂发展建议

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布局智慧植物工厂前沿科技战略，解决基础生物学和工程问题

智慧植物工厂是国际高技术竞争的重要领域，但光源光效低、系统能耗大、作物品质调控与多因子协同管控难等关键技术难题仍未突破。在技术创新与成本控制方面，需加大研发投入，推动AI技术在植物工厂领域的创新应用；同时，鼓励产学研合作，促进技术成果转化，提高技术应用的性价比。在智能化装备与管理决策系统、新型光源与光能有效利用、可再生能源转化利用、新型作物品种改良与创制等方面进行科技创新，开创植物工厂新生产体系，推动植物工厂技术再升级，建立植物工厂新业态。

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围绕清洁能源丰沛区域，规划智慧植物工厂产业群，实现资源高效利用

在我国西部风光资源丰富的荒漠盐碱地区及农牧交错带区域，通过低电价甚至负电价吸引装备制造企业投资建设智慧植物工厂，可以开拓新的土地资源利用，消纳光伏、风电等清洁能源。同时，结合这些地区的畜牧产业，开发大豆替代的高蛋白饲草产品，培育智能装备制造、智慧植物工厂、蛋白饲草加工等行业的龙头企业，带动产业链上下游协同发展。在东部滨海滩涂区，耦合清洁能源，发展近海养殖的植物工厂生产系统，拓展植物工厂向海洋领域的新发展。

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开展进口蛋白替代智慧植物工厂等产业试点示范

通过政府引导，以企业为主体，加强科技支撑，集成适生理想型品种、新型LED光源与太阳光光波导技术、数字孪生、AI大模型及精准环控技术，建设一批高标准、高水平的智慧植物工厂示范项目。本文预估，一个占地3000 m2、15层高楼的蛋白芽草植物工厂每年可生产10000 t大豆替代蛋白。利用333 hm2土地面积，建设这样的蛋白芽草工厂，将可以解决我国大豆蛋白进口依赖的问题。

龚化勤 中国科学院植物研究所高级工程师。主要研究领域：植物生殖及种子发育研究，植物工厂关键技术研发和产业化应用等。

景海春 中国科学院植物研究所特聘核心研究员、生态草牧业工程实验室主任。主要研究领域：甜高粱生物性状形成的分子机制与种质创制，生态草牧业科技示范，以及植物工厂关键技术研发和产业化应用等。

匡廷云 中国科学院院士、欧亚科学院院士。中国科学院植物研究所研究员。主要研究领域：光合作用，光合膜、叶绿素蛋白复合体结构与功能研究。

文章源自：龚化勤, 景海春, 谭鑫, 等. 加强多元化食物生产系统植物工厂的人工智能创新. 中国科学院院刊, 2025, 40(2): 338-349.

DOI: 10.16418/j.issn.1000-3045.20250119004.

来源：科学参考