【摘要】植物工厂是设施园艺发展的高级阶段，是颠覆性农作和土地利用方式，对解决21世纪农业资源和环境问题具有重要应用价值。LED光源是植物工厂的优选光源，具有传统光源无法比拟的光电和农学应用优势，正在快速进入商业化研发与应用层面，产业前景诱人。文章总结了植物工厂及其LED照明的发展新动态，指出了未来研发与应用重点。
根据日本千叶大学原校长古在丰树教授所著《人工光型植物工厂》和中国学者杨其长研究员所著的《植物工厂概论》给出的植物工厂定义，植物工厂是一种通过设施内高精度环境控制，实现作物周年连续生产的高效农业系统，是由计算机对作物生育过程的温度、湿度、光照、CO2浓度、营养液等环境要素进行自动控制，不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式。植物工厂充分运用了现代装备工程、生物技术、设施园艺技术、植物生理原理、植物栽培工程与环控信息技术等手段，属于技术高度密集型产业，多年来一直被国际公认为是设施园艺的高级发展阶段，是衡量一个国家农业高技术发展水平的重要标志之一。植物工厂的本质特征为生产要素的自动化控制，但植物工厂的自动化水平是有层次的，设施智能化水平也是有划分的。因此，植物工厂定义应着力阐述其设施内的自动化控制本质特征。先前定义着眼于植物工厂高级阶段和理想形式，而忽略了植物工厂发展过程赋存的多种形态，难以囊括当前所有植物工厂的过渡模式，建议进行修正。在此建议，植物工厂应是指与植物生长发育直接相关部分或全部生产要素（环境因子、水肥供给等）全程可自动化调控，并具有一定的植物生产流程的空间自动管理功能，实现规模化高效生产，较少或不受外界环境干扰的种植设施。基于这一定义，日光温室、多层建筑形式的设施模式均可看作植物工厂，只要它具备定义的本質特征[1]。
植物工厂是设施园艺发展的
必然趋势
在全球层面和中国国情条件下，植物工厂的发展存在其客观原因和现实必然。在国际层面上，设施园艺发达国家荷兰、日本、美国、以色列等竞相研发太阳光植物工厂和人工光植物工厂，这是基于全球气候变化危害、设施农业发展必然趋势、农业资源环境承受力、食物安全、社会发展水平、技术装备水平等各种相关背景综合作用的耦合驱动结果。对中国而言，又存在自己的国情和社会条件。总之，植物工厂是现代农业发展的必然趋势。
第一，全球气候变化背景。①气候变化导致极端天气事件时有发生，气候灾害更加频繁，使露地农田系统生产性能的稳定性降低；②气候变化下温度、CO2浓度等气象因素的变化直接影响作物的生长发育和产量品质，人工调控必要性和迫切性增加，设施农业生产策略需要调整；③臭氧层破坏导致露地光辐射UV组分增强，影响露地及设施植物的生长发育。
第二，国际设施园艺发展背景。①设施农业是环境控制农业，环控是基本手段，生产要素的环控水平首先取决于设施类型的隔热保温、透光性能，塑料大棚、日光温室、玻璃温室、连栋温室和植物工厂的环控水平逐级提高，是设施农业发展的必然趋势；②国际设施园艺强国均在发展以水肥一体化管控、环境因子自动化管控为技术特征的现代设施园艺产业。
第三，农业资源环境背景。①农田环境污染严重（农药、重金属、抗生素等），食品安全问题日益突出；②农业资源（土地、水肥、电能等）短缺，质量下降。农业资源数量和质量，农业环境的承载力已无法支撑传统粗放式设施农业发展，必需实施集约化、工厂化、规模化生产方式，提高资源利用效率，减少环境废弃物排放；③农业稀缺植物资源枯竭，需要植物工厂规模化生产，保护种质资源。
第四，食物安全保障背景。①快捷高效、高附加值农业生物周年生产农业协同迫切需要；②无污染、安全、高保健价值植物产品需求增加。由于生长在干净无尘的环境中，不使用杀虫剂，植物工厂种植出来的蔬菜营养健全，口感不比露天蔬菜差，不需要清洗就能直接品尝。
第五，社会发展水平背景。①全球人口在21世纪持续增长，对粮食和农产品的数量和质量需求逐年增涨；②城市化进程加快，农业劳动力短缺，必然需要提高设施农业自动化管控水平；（3）城市人口剧增，城市农业发展趋势明显，植物工厂就地产销优势明显，减少碳足迹和碳排放。
第六，技术装备水平背景。科技发展驱动耦合的产物。植物工厂是建立在人们对植物生理学规律全面认知，以及对蔬菜水培技术、LED照明技术、智能控制等技术、太阳能光伏发电发展耦合的产物。
植物工厂的优势与LED光源
应用优势
植物工厂应用优势
植物工厂不仅极大地扩大和延长了农业生产的空间和时间，提高了土、肥、水、光、热等农业资源的利用率和集约化程度，使单位土地面积的生产能力、生产效率、经济效益成倍增长，还能克服传统土壤栽培中常见的连作障碍、土传病害的发生、土壤肥力下降及因化学肥料流失而造成的环境问题的发生。植物工厂作为一种生产要素高度可控、产能倍增的颠覆性农作方式，单位面积食物（蔬菜等）生产效益可达露地生产的40～108倍，被认为是解决食物安全难题的有效途径之一，受到世界各国的高度重视。中国设施农业一直是以北方日光温室和南方塑料大棚为主体的园艺设施，陷入了低投入-低产出-低效益的恶性循环中，单产不高，资源环境代价偏大，迫切需要利用工程手段进行变革，实施“环境替代资源”发展战略，发展现代农业。只有在生产要素高精度条件下，才可改善农业生物的产量、品质、生长周期，提高生产效益。中国农业发展正面临着人口、资源、环境的巨大压力和社会需求持续增长的严峻挑战。以工业化生产理念构建工厂化农业正是摆脱耕地、水、气候等资源和环境的制约，实现产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代可持续农业的必由之路。国际上，设施园艺强国争相发展植物工厂产业，以应对各种农业可持续发展的挑战。
植物工厂LED光源应用优势
人工光照明系统是人工光植物工厂核心技术装备，为植物生产提供光合能量和光照信号。荧光灯是传统光源，LED是新型光源。2种光源的植物生理响应机制已经被广泛揭示，2种光源应用的生物学基础已非常明确。但是，LED作为新型固态半导体光源具有荧光灯无法比拟的光电优势[2]，包括：①可按植物生长发育需求调制光谱，按需补光，生物光效高；②冷光源，可贴近植物照射，提高空间利用率；③可控性好，可精准调控光强、光质和光周期等，适宜工厂化生产；④节能、环保、长寿命、体积小、质量轻；⑤LED光源装置多样（灯板、灯带、灯管和灯泡），适用于设施园艺各领域。目前，已有面板灯、条灯、灯管、灯带等植物工厂用灯被开发出来并推广应用。同时，太阳光植物工厂多款LED补光灯也被开发出来，包括行间冠层补光灯、花期灯、条灯等。人工光照明技术装备主要包括光源灯具、悬挂系统、控制系统、电源等。
LED在植物工厂中的应用发展
LED植物工厂发展新动态
中国植物工厂研发与产业发展已有10余年，取得了辉煌的成果，产业化雏形初步形成。尤其是在2013年国家863项目“智能化植物工厂生产技术研究”的支持下，植物工厂技术装备发展提速。纵观植物工厂技术装备和产业发展，有以下几个方面的新动态。
（1）立体多层无土栽培技术装备新动态。立体多层无土栽培技术装备是人工光植物工厂必要的本质装备，也是太阳光植物工厂需要迫切发展的技术装备。当前，以营养液膜技术（NFT，Nutrient Film Technique）和深液流技术（DFT，Deep Flow Technique）为基础的多种立体多层无土栽培技术装备已经开发出来，适合叶菜类植物生产。当前，基质栽培草莓、气雾培栽培叶菜技术装备异军突起，技术发展较快。
（2）智能控制技术日新月异。智能环境控制技术装备水平的高低决定着植物工厂的运行效率。智能环境控制以植物环境控制原理为基础，特别需要以环境因子耦合控制下的植物生理响应效应作为依据，已有很大发展。植物环控生理机制正逐步被揭示，耦合控制策略逐渐成熟，出现一批相关企业和产品。
（3）产业发展异常迅猛。就中国而言，从事植物工厂及相关技术装备研发的企业不少于200家。依旧是以珠三角地区、长三角地区和环渤海地区的大中城市为爆发地，但呈现出辐射全国，逐步分散的发展趋势。目前，新疆、陕西、四川等地均有植物工厂产业萌发，发展势头强劲。涌现出了深圳市智慧未来农业科技有限公司、河南精農科技股份有限公司、富昌电子（上海）有限公司和宁波绿脉农业开发有限公司等知名植物工厂从业单位。
（4）产业细分市场逐步完成。当前，植物工厂企业发展模式分为技术装备型，植物产品销售型两种，前者复制工程，推广植物工厂系统装备；后者，应用植物工厂生产植物产品，尤其是高附加值植物产品。从销售产品的种类来看，蔬菜产品、家庭园艺产品是主流。
（5）植物工厂配套装备制造也发展迅速。植物工厂所需要的LED光源、层架、营养液、控制系统供应商逐年增多。比如，以深圳市添光彩植物光源科技有限公司为代表的光源供应商，可提供植物工厂主流波长的灯珠产品，为LED光源创制提供了基础。
（6）太阳光植物工厂补光产品日益丰富。按照植物光环境需求理论和基本阈值，结合LED的光照优势，LED补光灯研发如火如荼，产品不断推出，性价比逐年提高。以深圳市博莱凯半导体照明有限公司为代表的水冷式LED补光灯具有市场前景。
（7）高附加值保健型植物成为新宠。普通蔬菜产品因价格低，投入产出比率大，盈利空间有限，故此植物工厂业主倾向于进行高附加值保健型植物生产，甚至进行鲜品的深加工，提高附加效益。
（8）国家及各级政府更加支持。随着国家“十二五”科技创新成就展，国家领导人对中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研发的智能LED植物工厂给予了高度重视和肯定后，植物工厂作为颠覆性的农作方式，受到各级政府、行业学会协会政策的利好诱导和资金支持，兴业科研机构和企业单位呈递增趋势，全国呈现快速发展态势。
LED植物工厂光源及其照明研发新动态
光照是LED光源植物工厂实施高效植物生产的主要驱动因素，在调控植物生长发育、产量品质形成方面具有不可或缺的作用。采纳适宜高性价比的LED照明产品在一定程度既决定了LED光源植物工厂的生产效率，也决定着产品商品价值，其重要性不言而喻。
（1）LED光源产品日益丰富。用于植物工厂的LED光源从无到有，从劣质到精良，从不能控制到智能控制，从高成本到低价位，LED光源正在全面满足植物工厂的需求。目前，已有多重型号、系列的LED面板灯，T5和T8规格的LED灯管和灯条，水冷式大功率LED灯板，大功率LED补光灯，双向照射LED灯条，这些产品有多家企业可以提供，产品设计自由度大，可很好地满足市场需求。但是，LED光源方面依旧缺乏标准，亟待尽快完善制定。
（2）LED节能高效应用技术正在解决。从LED光源光质、光强和光周期设置与控制角度，通过合理的光质、光强和光周期协同耦合调控，可以在保证植物生长发育基础上，提高栽培效率。目前，通过光质、光强、光周期的调控技术研究成为探讨重点。比如，余意等[3]提出了利用生菜的弱光适应性，利用LED弱光提高生产效率。国际上，有关植物工厂LED光环境调节提高蔬菜品质的研究很多，Bian等[4]做了系统的综述。
（3）LED连续光照成为热点。连续光照是缩短植物生育周期，提高产量，改善品质的重要光照方法，对特定植物种类具有应用前景[5]。中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所在国家自然科学基金面上项目“LED红蓝光连续照射对高氮水培生菜AsA代谢网络影响机理及其节律效应”和青年项目“短期连续LED光照下水培生菜硝酸盐代谢规律及影响机理研究”的资助下开展了长期的研究工作。该研究将揭示连续光照的作用机制，植物响应及其节律效应策略，最终为连续光照在植物工厂中的应用提供依据。
（4）LED照明节律研发成为焦点。昼夜节律是植物生长发育所具有的生理特征，但是在植物工厂恒定光照下植物的节律会如何变化已成为研究焦点。在充分揭示植物工厂LED红蓝光条件下植物节律特征及演变规律，将为LED光源高效应用提供科学基础。
（5）LED光源时空控制技术完成。LED作为冷光源，可接近植物冠层进行有效照射，提高光能利用效率[6]。然而，植物从苗期到营养生长阶段，甚至生殖生长阶段其植株高度有明显差异。因此，为了提高植物整个生育期的光能利用效率，有必要将LED的光源进行垂直高度的调控，使得LED光源距离冠层位置相对恒定，达到节能高效的目的。
（6）LED光配方日益丰富。目前，植物工厂所能栽培的植物种类十分有限，必需不断扩展植物工厂可生产的植物种类，增加叶菜、根菜、茎菜、药用植物、花卉等种类和品种。验证新植物种类、品种可在植物工厂里规模化生产的基础是光配方的建立，只有建立高效的光配方，才能实现光环境智能管控，才能生产出高商品性的植物产品。
（7）植物工厂蔬菜优质高产光照技术完善。优质高产是植物工厂生产的目标，光环境调控是实现植物优质高产的主要途径之一。通过光质、光强和光周期调控可以改变植物的养分吸收、初级代谢和次级代谢过程，调控植物体内糖、维生素、类黄酮、酚酸等物质的合成、代谢和累积，最终影响植物可食部分的保健功能。目前，除光合有效輻射外，紫外辐射在调控品质方面作用独特，合理的紫外辐射剂量将是研究的重点。
结语
植物工厂发展前景广阔，未来5～10年将达到普及应用水平。植物工厂发展的推动力主要来源于以下几个方面。
首先，国家和企业加大了对植物工厂研究与开发的投入与力度，业界信心倍增。国家层面对植物工厂发展十分认可，具体体现在以下军3个事件上。①2013年国家“十二五”863计划项目“智能化植物工厂生产技术研究”在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所立项启动，表明了国家层面对植物工厂研发与产业化前景的认可，具有里程碑式的意义。②2016年6月3日，由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所“设施植物环境工程团队”自主研发的“智能LED植物工厂”成果亮相国家“十二五”科技创新成就展，受到了国家领导人的高度关注，这对植物工厂产业化具有积极的推进作用。③2016年6月17日中国照明学会农业照明专业委员会成立，成为以LED植物工厂照明为主导的植物工厂推进的全国性组织平台。以上3件大事均突出表现了国家层面对植物工厂及其相关技术装备研发的认可和持续支撑，奠定了植物工厂及其相关技术研发的可持续性。国家层面的认可与支持，从关键共性技术、产学研平台、公共认知等方面，推动了植物工厂及LED照明产业的发展。
其次，植物工厂发展的基础技术储备已经成熟，产业雏形已经形成，将很快进入产业快速发展期。目前，已有200家以上的企业涉猎到植物工厂产业领域，推出了整体或部分组件产品。因此，在众多利好条件的推动下，在社会发展迫切需求的促进下，在跨界创新的不断创造中，中国的植物工厂研发与产业化发展必将大放异彩，跻身世界植物工厂产业强国之列。
参考文献
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[2]刘文科，杨其长.设施园艺半导体照明[M].北京：中国农业科
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[3]余意，杨其长，刘文科.弱光条件下光质与光周期对水培生菜
生长与品质的影响[J].中国农业气象，2015，36（6）：739-745.
[4]Bian Z H，Yang Q C， Liu W K. Effects of light quality on
the accumulation of phytochemicals in vegetables
produced in controlled environments： a review[J].Journal
of the Science of Food and Agriculture，2015，95（5）：869-877.
[5]余意，杨其长，刘文科.LED短期连续光照提高不同氮营养水
培生菜品质的影响[J].应用生态学报，2015，26（11）：3361-3366.
[6]刘文科.设施园艺半导体照明系统及其光效提升途径[J].中国
照明电器，2015（8）：26-28.