科技日报记者 李均 策划 赵英淑 滕继濮
一排排高达20米的种植架整齐排列，生菜、羽衣甘蓝、鸡毛菜等16层蔬菜正被LED灯光照耀，在不同配方的生长盒中悄然生长。传感器实时采集生长数据，并将其传输到智能监测平台……
立冬时节，记者走进位于山东胶州的国内首家百万级无菌自动化微模块植物工厂，看到8台机器人正自由穿梭，负责全流程管理。这一植物工厂投产刚刚满月，预计达产后日均出产500公斤蔬菜。
“植物工厂的技术手段，可让农业种植摆脱对自然环境的依赖。”负责其运营的青岛上合富士康智慧农业科技有限公司总经理谷宇告诉记者。
延续数千年的传统农耕，正以颠覆性的智能植物工厂形态崭露头角。它结合光电技术与生物学技术，代表着未来农业的发展方向，并呈现蓬勃发展势头。数据显示，截至2024年，我国植物工厂数量已增长至493座。
然而，在繁荣景象背后，植物工厂发展也正面临困境——建设与运营成本高昂、种植品种有限、人才配置不足等问题，正在制约着这一产业发展。
产业规模迅速扩张
植物工厂最早出现于20世纪50年代。1957年，丹麦建立了全球第一座植物工厂；1960年，美国通用电气公司研发了世界首个完全利用人工光的植物工厂。
我国植物工厂建设起步较晚，但起点高、发展快。2009年，中国农业科学院环境与可持续发展研究所成功研发国内首个智能型人工光植物工厂。
随着LED节能光源创制、光温耦合节能环境控制、营养液栽培、智能化管控等技术的进步，植物工厂呈现爆发式增长态势。
植物工厂是一种通过高科技手段精确控制环境，有计划、有标准、高效率地生产农产品的系统。凭借“空间折叠”“环境控制”“智能种菜”三大核心优势，植物工厂在立体栽培和无土培养条件下种植出高品质蔬果，打破了传统农业对自然环境的高度依赖，有望将农业生产带入一个全新领域。
湖南大学经济与贸易学院副院长曹二保介绍：“植物工厂有效提升了土地资源的利用率，既是创业者和就业者的可选项之一，也是城市农业的可行方案之一。”
植物工厂不仅是一种先进的农业技术，更是一项具有战略意义的技术储备。当疫情等公共事件突发，或在航空航天、远洋航行、边疆戍守等特殊场景的保障供应方面，植物工厂可凭借不受空间限制、稳定生产的优势，发挥关键作用。
为进一步鼓励这一现代农业模式发展，我国接连出台政策措施，为植物工厂建设按下“加速键”。
从《全国现代设施农业建设规划（2023—2030年）》到《关于践行大食物观构建多元化食物供给体系的意见》《人工光型植物工厂光环境技术规范》，近两年，国家层面接连出台政策，推动植物工厂在城市布局并统一光环境标准。
在政策引领下，沪浙川鲁等地迅速跟进，下发文件支持植物工厂发展，一些制造企业、平台企业、生物企业甚至房地产企业纷纷入局。
在经济发展活跃的长三角地区，植物工厂产品消费潜力巨大。今年以来，多个大型植物工厂项目接连在上海落地。目前，位于青浦区的白鹤数智草莓植物工厂项目正在加紧建设，有望于今年底运营；浦东新区则在建设亚洲最大的商业化运营植物工厂。
此外，在江苏、福建、湖北、西藏等地，不再“靠天吃饭”的植物工厂也在加速崛起。
时下，西南地区最大的规模化立体栽培草莓智慧工厂迎来了首个丰果期。11月4日，记者从这家植物工厂了解到，这里每天产出200千克新鲜草莓，并第一时间进入四川成都各大商超。
“由于采用超高层立体种植，产量是传统地栽草莓的30至40倍。”项目运营方、中农亿享农业科技有限公司生产管理中心负责人赵中莹介绍，该植物工厂可实现草莓的全年无间断高效生产，真正实现了向空间要产量的愿景。
发展面临三重困境
今年，四川省农业机械科学研究院程方平科研团队围绕植物工厂的关键技术装备开展研究，他认为，植物工厂作为设施农业发展的高级形式，在提高农业生产效率、保障食品安全、缓解粮食危机、实现农业高品质生产和可持续发展等方面都具有重要的意义。
尽管前景广阔，但这一领域目前正普遍面临着“一高一窄一低”三重门，这些问题导致90%以上的植物工厂运营企业处于亏损状态，行业发展面临严峻挑战。
首先，植物工厂的建设与运营成本居“高”不下。在建设成本方面，据统计，2024年，我国植物工厂建设规模为27.47亿元，建设均价约为5780元/平方米。然而在实际建设中，多数项目的单方造价远高于该平均水平。
通常，建设成本涵盖多层栽培架、环境控制系统、营养液循环装置等专业化设备，其中进口LED灯板单价高达数千元，智能控制系统的软件开发费用更是数以百万计。此外，厂房改造需满足无菌生产要求，隔热材料、防虫网等配套设施进一步提高了建设门槛。
去年12月，第四届“多多农研科技大赛”在上海收官。从六支闯入决赛的团队支出情况来看，仅搭建一座20尺的集装箱植物工厂，单方造价就已超过万元。
放眼全国各地布局的植物工厂，种植1千克生菜需要消耗10度电左右，运营成本占总成本比例较高。叶菜侠（山东）农业科技有限公司负责人解晓巍透露，LED植物照明、空调能耗等能源成本占60%左右，设备维护成本和营养液成本各占10%左右，人工成本占15%左右。
“我们测算发现，当前通过植物工厂种植1千克生菜的综合成本在10元钱左右，加上设备折旧成本，售价起码在15元每千克才能保本。”上海市农业科学院植物工厂团队王虹博士告诉记者，在夏季高温时，植物工厂为维持稳定温度，能耗成本会更高。
受种植成本高、技术能力欠缺、市场认可度不足等因素影响，植物工厂往往偏向于种植翻茬率高、生长较快的品种，直接导致其种植品类偏窄。记者调查发现，当前多数植物工厂的种植品类呈现“三足鼎立”态势：绿叶蔬菜占比超60%，药用植物育苗约占20%，剩余为草莓等经济作物，果菜、花卉等的技术储备明显不足。业内人士介绍，叶菜生长周期短、LED光照需求低，成为企业降低风险的“安全牌”，但这种单一的种植结构难以满足消费者的多元化需求。
“在我国发展植物工厂，必须进行本土化转型。比如上海消费者喜欢风味强烈的霜打菜和鸡毛菜。”解晓巍认为，植物工厂要通过品种与消费者建立联系，不能仅着眼模式化的蔬菜种植。
“我们试种过番茄、辣椒等果菜，但温控、光控等能耗成本比叶菜高3倍，零售价起码30元每斤才能回本，市场接受度有限。”江苏一家植物工厂运营企业负责人刘科坦言，“我们也不愿意冒险。”
“植物工厂种植能够利用环境的高度可控性，充分发挥出产品的最佳品质、颜色、营养、质地、产量和口感，是高端设施农业发展的重要方向。”上海市农业科学院智慧农业研究中心研究员丁小涛表示，植物工厂发展需要通过不断技术创新来降低建设和能耗等运营成本，同时需要政府积极引导，并加大补贴等政策支持。
人才配置“低”、专业运营人才匮乏也是制约植物工厂发展的关键因素之一。通常，一家种植面积5000平方米以上的中型植物工厂，需配置环境工程师、植物生理专家、设备运维专员、生产管理员及市场对接人员，他们必须具有跨学科知识储备。
“植物工厂对人才的跨界要求，远超传统农业或工业领域的想象。”植物工厂运营机构上海墨泉生物有限公司联合创始人林维辉认为，现在头部企业在推“数字孪生”系统，运营者得根据三维模型里的虚拟植株生长状态调整控制系统，这些要求令传统农业工作者难以胜任。
更加现实的挑战在于，复合型人才的薪资预期与行业现阶段盈利水平存在矛盾。
“有经验的农业物联网工程师，跳槽去工业领域能拿更高薪水，植物工厂只能靠情怀留人。”林维辉说。
植物工厂突围之路
面对植物工厂的发展瓶颈，行业正多方寻求破局之道。
节能技术创新是降低成本的关键。中国农业科学院科研团队基于对植物光生物学的深入研究，提出了植物“光配方”概念，根据不同作物的生长特性，科学调配不同波长光谱比例，构建了75种作物、1200多种光配方，实现了光的精准调控，目前每千克蔬菜所需电量从10度以上降低到了7.2度。
“我们未来的目标是将光源能耗进一步降低至每千克蔬菜4度电左右，让垂直植物工厂蔬菜的生产成本接近大棚蔬菜。”中国植物工厂奠基人、中国农业科学院都市农业研究所首席科学家杨其长说。
光伏直供是另一条降本途径。北京平谷的“空中苗圃”和江苏南京国家农业高新技术产业示范区植物工厂，都在屋顶铺设了光伏板，所发绿电基本满足日常运行需求。通过充分利用夜间低谷电价进行高强度补光，工厂单茬种植节电可达18%左右。
在西藏自治区亚东县，一座集成“全人工气候”系统的植物工厂于今年6月建成。作为该县首个现代化无土栽培农业项目，整个种植过程已实现高度自动化和远程化管理。负责建设的上海墨泉生物有限公司首席执行官秦楚汉介绍，每个种植周期中，人工只需参与放置种苗与采收两个环节，大大降低了运营成本与技术门槛，助力兴边富民、产业振兴。
“植物工厂可在海岛、船只、极地、沙漠、边防哨所等非可耕地开展农业生产，为解决一些环境恶劣、土地资源稀缺地区的食物安全问题提供一种思路。”丁小涛建议，西北戈壁、沙漠等绿电难以消纳的地区，要加大植物工厂推广力度。如此，既可使用价格实惠的电力，也能解决当地因水资源不足导致的露天蔬菜种植难题。
除了降低成本，植物工厂还在积极探索多元盈利模式，以突破发展困境。
生产高附加值作物是提升盈利能力的重要途径。在安徽省亳州市的一家植物工厂里，中药材种苗在一排排玻璃器皿内静静生长。经过4年选育，这里已繁育出稳定量产的优秀瓜蒌株系。运营机构亳州兴禾农业发展有限公司负责人刘凯说，良种繁育后可快速进行种子种苗生产和大规模种植推广，助力中药材全产业链质量提升。
运用植物工厂种植技术生产高附加值农产品，在增强企业盈利能力的同时，还可破解传统农业生产中的农药残留问题。
“要不断突破植物工厂技术瓶颈，探索种植西洋参、藏红花、生姜、金线莲等药食两用植物，提升附加值。”南京农业大学园艺学院副院长、博导、教授束胜建议，在青海、新疆等地，还可探索种植对光、温度、湿度要求相对不高的牧草，带动畜牧业发展。
技术输出与服务输出是植物工厂的新盈利方向。今年5月，四维生态科技（杭州）有限公司与一家沙特企业签订战略合作协议，双方将共同在沙特及中东地区开发植物工厂。江南大学助理研究员、食品科学与工程专业艾斯卡尔·艾拉提博士建议，头部植物工厂可通过参股新建工厂的产业合作模式，吸引社会资源投入，推动新建项目顺利实施。
为解决人才短缺问题，产教融合成为植物工厂人才培养的重要路径。目前，我国开设设施农业科学与工程专业的高校有30多所，但跨学科融合力度普遍不足，难以有效培养植物工厂领域所需的复合型人才。
“植物工厂建设，还要发挥好科技型企业创新主体作用，强化与高校、科研机构的深度合作，加快将科技成果转化为现实生产力。”上海市农业农村委员会科学技术处处长徐杰建议。
“要大力推动建立‘植物工厂人才服务站’，鼓励高技能人才进厂开展柔性服务。”无锡商业职业技术学院旅游烹饪学院副院长、副教授孙德伟博士对记者说，可依托头部企业建设“植物工厂技能大师工作室”，以平台建设更好赋能植物工厂发展。
中国工程院院士、国家农业信息化工程技术研究中心主任赵春江曾指出，人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术，是我国在推进智慧设施园艺技术装备方面的创新发展方向。
具体该如何以智能化、数字化赋能植物工厂建设呢？杨其长建议，要通过智能感知、数据分析和自动控制等技术手段，让人工智能优化种植技术方案、改进管理方式，实现与硬件设备的高效协同调控。上海市农业农村委员会党组成员、副主任夏明林认为，要研发柔性农业机器人，创设生产型植物工厂，实现茄果、叶菜等温室生产智慧决策和智能控制。
“现代农业发展至今，已和人工智能、光学、建筑学、能源科学、机械制造等密不可分。”中国农业大学教授、国家中药材体系岗位科学家贺冬仙表示，植物工厂不再是单一学科，而是需要众多学科研究者携手突破的前沿交叉领域。“唯有多方共同努力，才能为我国乃至全球的农业可持续发展贡献力量！”贺冬仙说。
记者手记丨看见未来农业的模样
李均
AI正在把植物工厂升级为“自主思考的垂直农场”。
近日，上海市农业科学院与上海交通大学联合研发的专利技术，正式在草莓植物工厂建模应用中落地。
传统AI模型在指导草莓种植时，常出现“幻觉”问题，例如，误判适宜生长温度、错误推荐施肥配比等，给种植者造成经济损失。而这项新技术把AI的“幻觉”关进笼子。
AI与农业碰撞，带来无限可能。
今年，“多多农研科技大赛”已举办第五届。目前，晋级决赛的四支队伍已进入测试种植赛段，他们在科技农业的掌控力、人工光种植、AI应用和生态育苗等方面表现突出。例如，上海交通大学领衔的莓立方队开发了一套智能种植系统，可根据草莓的生长特性建立数字模型，自动、实时调节植物工厂里的光、温、湿等环境条件，实现“算法提前彩排，现实照抄答案”。
AI技术也逐步渗透至植物工厂的各个环节，成为降本增效的关键变量。在环境控制方面，AI算法通过实时采集数据，结合蔬菜生长模型动态调整设备参数；在病虫害预警领域，AI与机器视觉技术相结合，通过高清探头每日扫描植株叶片，较人工巡检提前3到5天发现异常。
未来，AI技术的深度应用，将进一步突破传统农业经验依赖的局限，在解决粮食安全、城市应急保供、拓展种植边界等方面发挥独特作用。对于人口密集、耕地紧张的都市来说，植物工厂将成为未来农业的重要补充。
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