一般認為，農業生產離不開土壤。然而，這一狀況未來或許會改變。在前不久舉辦的國家“十二五”科技創新成就展上，一項名為“智能LED植物工廠”的成果受到廣泛關注。這項被業界譽為顛覆“土地利用和農作方式”的技術，到底新在哪里？這種培植技術在我國進展又如何？
科技創新成就展上智能植物工廠的展臺。中國農科院環發所供圖
借助植物工廠，人類甚至可以在太空、荒漠、戈壁等地域進行作物生產
中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所（以下簡稱中國農科院環發所）是我國植物工廠的重要陣地，在國家“十二五”科技創新成就展亮相的正是該團隊自主研發的成果。中國農科院環發所研究員楊其長表示，目前我國掌握了智能LED植物工廠關鍵技術，整體水平處于國際前沿。
所謂植物工廠，就是通過設施內的高精度控制實現農作物周年連續生產的高效農業系統，是由計算機對植物生育過程的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度以及營養液等環境要素進行全天候控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產方式。
楊其長解釋，農業生產就是植物通過光合作用生產碳水化合物的過程。遵循該科學原理，智能LED植物工廠根據不同作物對營養和陽光的需求，對“工廠”內環境要素和營養要素進行實時自動調配，精準供給植物，以確保植物健康生長，這樣就實現了不用土、不用陽光，可實現全天候的植物智能化生產，人類甚至可以在太空、荒漠、戈壁等非可耕地里進行作物生產。
與傳統農業生產方式不同，植物工廠有七大技術優勢：一是作物生產計劃性強，可在不受外界環境影響的條件下，實現周年均衡生產；二是單位面積產量高，可大幅提高資源利用效率；三是機械化、自動化程度高，勞動強度低，工作環境舒適；四是不施用農藥，產品安全無污染；五是多層式、立體栽培，節省土地和能源；六是不受或很少受地理、氣候等自然條件影響；七是與現代生物技術緊密結合，可以生產出稀有、價高、富含營養的植物產品。
“我國人口多，耕地少，人均資源相對不足。同時，人們對潔凈安全農產品的需求越來越迫切。這種形勢下，當下發展植物工廠非常有必要。”楊其長說。
植物工廠是目前全球農業高技術研究的熱點，因其融合了現代生物技術、智能裝備與信息技術等新科技，也是彰顯一個國家農業高技術水平的重要標志。
楊其長認為，未來植物工廠有望顛覆傳統的農作方式，代表了農業發展的方向，掌握植物工廠核心關鍵技術具有戰略意義。
我國從上世紀90年代開始植物工廠研發，目前擁有約100座人工光植物工廠
近年來，植物工廠在東亞、歐美，尤其在日本、韓國、美國、新加坡等國家和地區發展迅速，飛利浦、松下、通用等國際知名企業也紛紛介入植物工廠的技術研發與產業推廣，全球植物工廠發展極為活躍。
回顧植物工廠發展歷程，從上世紀40年代至今，主要歷經早期的試驗探索、示范應用和當前的快速發展三個階段。
20世紀40年代到70年代初為試驗探索階段。該階段是植物工廠的概念成型與試驗探索期，其中兩項技術的突破對其發展起到了重要支撐作用，一項是“營養液栽培技術”，另一項為“人工模擬與控制環境技術”，以1949年美國科學家在加州帕薩迪納建立的第一座人工氣候室為標志。其后，日本和蘇聯相繼建成大型人工氣候室，進行植物栽培試驗。這一時期植物工廠規模較小，僅為幾十平方米到幾百平方米。應用范圍也比較窄，主要局限在實驗室和示范農場。光源為高壓鈉燈，光源與空調能耗大，運行成本較高。
20世紀70年代至90年代末為示范應用階段，其中以水耕栽培和人工光源技術的突破為重要標志。1973年營養液膜技術的出現，以及隨后的深液流栽培技術的發明為植物工廠栽培技術的發展奠定了基礎。這一時期，日本植物工廠發展較快，截至上世紀末，日本擁有約20座人工光植物工廠。在這一階段，人工光源不斷改善，高壓鈉燈逐漸被熒光燈替代，紅光LED開始應用，光源的能耗進一步降低；傳感器與自動控制技術逐漸引入；示范應用面不斷擴大。
21世紀初至今植物工廠快速發展，主要得益于藍光LED的出現與紅藍LED組合光源的研制成功，以及基于網絡的智能控制技術的應用。隨著LED的應用，植物工廠人工光源能耗顯著降低，栽培層間距進一步縮短，能效比大幅度提升；同時，傳感器、智能控制器以及物聯網技術的應用為植物工廠智能化管控提供了可能。
在這一時期，各國加快了對植物工廠的研發力度與產業化步伐，日本2009年提出大力發展植物工廠、振興現代農業計劃。韓國自2009年開始，政府支持科研機構與企業共同進行人工光植物工廠的研發，數年時間內就推出了10多個型號的植物工廠產品。美國一方面通過植物工廠的研究希望為空間站和星球探索提供食物保障，另一方面提出了“摩天大樓農業”的構想，希望從空間上突破資源瓶頸，先后出現了芝加哥大廈農場、新澤西州“垂直農場”等設計模式。我國從上世紀90年代開始植物工廠研發工作，2002年成功研發自然光植物工廠，2005年研制出LED植物工廠實驗系統，并在2010年上海世博會首次展出家庭LED植物工廠。2013年國家正式將“智能化植物工廠生產技術研究”項目列入“863”計劃，由15家科教單位與企業聯合進行技術研發。目前，我國擁有不同規模的人工光植物工廠約100座。
2009年，我國建成首例智能型植物工廠，現已推廣到20多個省份
看到農民種地的艱辛，兒時楊其長就常想：“種地不用土”該多好！上世紀90年代，楊其長敏銳地意識到，植物工廠是未來的發展方向。他帶領研究團隊潛心研究，率先提出多個植物的“光配方”，并創制出基于光配方的LED節能光源及其光環境調控技術裝備，在業界完成了多個首創性工作——
首次提出“光—溫耦合節能環境調控”方法，創制出植物工廠節能環境調控技術裝備；率先提出“光—營養調控蔬菜品質”方法，創制出采前短期連續光照提升品質工藝及技術裝備；率先提出植物工廠光效、能效以及營養品質提升的智能管控方法，創制出基于物聯網的智能化管控系統。
2009年，中國農科院環發所植物工廠的研發團隊與北京中環易達設施園藝科技有限公司研發出國內第一例智能型植物工廠。目前，該技術成果已推廣到北京、上海、山東等20多個省區市。
我國的植物工廠逐漸走向國際舞臺。2012年至2015年我國連續舉辦4期植物工廠技術國際培訓班，20多個國家的學員接受了系統的植物工廠訓練。基于光配方的植物LED光源產品推廣到美國、日本、歐洲等，植物工廠成套產品已推廣到新加坡等。
植物工廠雖然擁有眾多優勢，但在實際發展過程中也面臨著一些“瓶頸”。楊其長說，植物工廠普及和推廣的核心是工業產品化，從目前看，植物工廠標準化、模塊化裝備的研發方面還有待提高。從研發力量上來看，目前參與研究的主要是科研單位、高校和中小企業。
“希望未來有中國的大企業能積極參與其中，只有實現植物工廠標準化、規模化生產，才能在國際競爭中有地位。”楊其長說。從經濟效益上來看，與露地、大棚相比，植物工廠由于初期建設成本較高、耗能較大等原因，總體上來看單位生產成本還是相對偏高，未來仍需要進一步降低成本。
