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摘 要：“植物工厂”这一概念最早由日本提出，随后在多个国家得到了推广与应用。我国虽然是一个农业大国，但同时也存在着耕地紧张、人口多、粮食紧缺等问题。近些年，北京、上海、长春等地都陆续开展了“植物工厂”这一新型的农业生产方式的研究。该种生产方式与传统农业相比，具有多个显著的优势，但由于其前期投入大、后期运营费用高等问题制约了它的快速发展。本文从植物工厂的发展历程、分类以及基本特征等方面对现行的生产方式进行了介绍，并对其未来发展趋势进行了展望。
关键词：植物工厂；发展历程；基本特征
中图分类号：X171.4 文献标识码：A
“面朝黄土背朝天，一把汗水一把泥”是人们对传统农业的显著印象，农民除了靠天吃饭之外，只靠直觉和经验来谋生，收入和辛苦的程度多半不成比例，科技含量远低于其他行业，发展缓慢，但它却是一个民族乃至一个国家团结、稳定的基础。因此，各个国家也都非常重视本国的农业发展与进步。从20世纪末，一种被称作“植物工厂”的新型农业生产方式悄然兴起，它融合了多种高科技技术，在日本、俄罗斯等国家已初具规模，但在我国“植物工厂”生产还刚刚起步，目前仍处于科研阶段，还没有大面积的推广与应用，但这种生产方式的确为今后的农业生产指出了新的方向。
1 “植物工厂”的含义
“植物工厂”如果仅从字面上理解，即是将植物工厂化的生产与管理，与传统农业相比，它不再受外界环境条件的影响，比如光照、雨水、以及病虫害等，使植物能够快速、健康的生长，是一种新型的省力型生产方式。但与传统农业相比，它也存在一个限制其快速发展与推广的显著缺点，即前期需要高额投入，在整个生产过程中仍需要较高的投入。这是因为前期固定设施即“厂房”的建立需要较多费用，而工厂一旦运转起来，因为厂房内的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度以及营养液等环境条件均需要人工提供，所以对水、电消耗很大，尤其是电。广义的“植物工厂”是指在一定生产管理下的全年无休的植物生产系统，狭义的“植物工厂”是指在完全人工环境下的全年无休的植物生产系统。
2 “植物工厂”的发展历程
1957年世界上第一家植物工厂诞生在丹麦，1964年奥地利研制成功了一种塔式植物工厂，并在多个国家和地区得以推广和应用，如北欧、俄罗斯、中东国家等。1971年丹麦建成了绿叶菜工厂，主要用于生产和销售各种高档绿叶菜，如独行菜、鸭儿芹、莴苣等。1974年日本建成了一座由电子计算机调控的花卉蔬菜工厂，将花卉生产和蔬菜生产结合起来，大大缩短了种植时间，1a可生产两茬郁金香、两茬垄民花、一茬番茄，无季节限制，全年生产，显著提升了种植产量，到1998年，日本已拥有各种类型的植物工厂近40个，发展势头良好，推测这很可能与该国人口密度大，可用耕地少有关。1974年，美国也建立一个用于试验研究的植物工厂，在该工厂内种植小麦，1a可收获4～5次，远高于传统农业的1a可收获1～2次的水平。我国在该方面的研究略微落后于上述国家，2004年，中国农业大学率先开展了该方面的研究，开发了一种人工光型密闭式植物工厂。2012年5月，依托京鹏科技和北京工业大学，北京市成立了首个植物工厂工程技术研究中心。2013年1月上海孙桥现代农业开发区表示该开发区将在2013年内从荷兰引进国际上最先进的“植物工厂”。
3 “植物工厂”的分类
划分的标准不同，区分的类型也不近相同，目前主要的分类方式有：按照建设规模分类、按照生产功能分类、按照研究对象分类以及按照光能的利用方式分类。目前，比較被大家认可的分类方式是按照光能的利用方式分类。
按照建设规模分类，即按照厂房的占地面积大小进行分类，其中占地面积超过1000m2以上的，称为大型工厂，占地面积在300～1000m2的，称为中型工厂，而占地面积在300m2以下的，称为小型工厂。按照生产功能分类，即按照厂内所种植的植物类型分类，可分为种苗工厂、水果工厂、花卉工厂、农作物工厂、食用菌工厂等。按照研究对象分类，可分为植物组培工厂、植物细胞工厂、植物体工厂等。按照光能利用方式分类，可分为利用太阳光的植物工厂、利用人工光的植物工厂以及太阳光和人工光并用的植物工厂。其中太阳光和人工光并用的植物工厂较为普及，因为两者可互相补充，节约一部分电能，降低成本，而全部利用人工光的植物工厂可视为植物工厂的最高级，费用会增加，但环境可实现完全控制。
4 “植物工厂”的主要特征
植物工厂作为一种新型的农业生产方式，与传统农业相比，具有5个显著特征。具体特征如下：
4.1 全封闭，对周围环境要求低
因为植物工厂完全为室内生产，所以对所在地的环境条件要求很低。厂内的温度、湿度完全是人为控制。基本上不受或很少受所在地自然条件的影响，无论是温度、湿度、甚至光照等都可实现人工控制，不再受外界的温度、降水量、以及日照时间等影响。它集合了多种高科技技术于一身，如利用制冷-加热双向调温系统控制厂房内的温度、以LED为人工光源提供“日照”，时间和强度均可人工控制，营养液实行电脑配制、检测与控制等，多个控制子系统相互关联，协同作用，对工厂内的环境实行实时监控，智能化管理。
4.2 缩短了植物的收获期
在植物工厂内，因为对环境控制的非常精确，使植物始终处于最佳生长状态，所以大大的缩短了植物的收获期。以小白菜为例，在普通大田里，一般需要40d左右可收获，而在植物工厂里，20d左右即可收获，而且长势均一，不受病虫害干扰。在植物工厂内，育苗周期显著缩短，整齐度和健壮度也优于大田生产，这也大大缩短了植物的收获期，使每年收获茬数增加2～3倍。植物工厂在缩短植物收获期的同时，还可以大大提高空间利用率。在传统农业中，植物只能贴着地面种一层，而在植物工厂里，视植株生长的高矮以及厂房的高低，一般可种植7～10层，在充分利用生长空间、不增加生产成本的同时，显著提高了种植效益。 4.3 植物生长的营养需要实现实时监控
在植物工厂里种植的植物，并不是我们常见的土壤栽培，而是无土栽培，即植物的根系生长在营养液里，其原理是土壤对植物生长的作用时提供各种营养元素和水分，而营养液也可以完全提供上述物质，如氮、磷、钾等大量元素及锌、铁、锰等微量元素，而且还可以根据不同植物的不同营养需要进行配制，由电脑实时监控，当某一营养元素缺乏时可以及时、快速补充，同时还可以大大缩短生长周期，但前提是需要充分了解所种植物的营养需求，这在一定程度上限制了种植品种，对于那些还不清楚营养需求的植物，则无法实现工厂化生产。
4.4 LED灯代替阳光日照
植物工厂的一个显著特征是完全不用阳光，而是靠LED灯。“万物生长靠太阳”这是传统农业不变的真理，但是在植物工厂里，植物的生长则完全不靠太阳，整个空间几乎是密闭的，这样既可以防止外界气候对厂内环境的影响，同时也可避免厂内资源浪费。厂内用以代替日照的能源为LED灯，有的也使用荧光灯，两者单独使用或一起使用均可，但LED灯更节能，可降低生产成本。LED技术的飞速发展，也是植物工厂得以成功的必要条件。虽然太阳光是全波段的，但植物更需要的是红光和蓝光，因此只要将红光和蓝光按照一定比例支撑光源，其所产生的光照效果即可与太阳光相媲美。虽然这需要耗费一定的电量，但是与日照光不可控相比，仍是一个不小的进步。有人做过研究，用LED灯作光源与用太阳光做光源，对植物的生长和品质均无显著差异，而且还可以通过提高厂内二氧化碳浓度的方法，提高植物的光合作用，使植物的生长速度以及营养物质的积累速度均得到显著提升。
4.5 生产成本较高
植物工厂作为一种新型的农业生产方式，与传统农业相比，虽然具有很多传统农业无法比拟的优势，但其也具有一个严重制约其发展的缺点，即生产成本较高。其中既包括前期厂房建设时的投入，也包括工厂运转起来后的生产成本，能源消耗等。都要远远高于传统农业即大田生产。所以目前至少在我国，植物工厂还仅限在建立于高校或科研院所以及农业展示区等，还无法普及，其中一个重要原因就是生产成本过高，投入与产出很难达到平衡。只有在植物工厂内生产一些高端蔬菜或花卉等，才有望达到收支平衡。所以，如何有效的降低建设成本和生产成本，是今后植物工厂产业想要顺利发展所必须解决的一个难题。
5 未来展望
植物工厂的出现，为人类目前所面临的粮食紧缺、资源耗尽、耕地紧张等诸多问题提供了一条可行的解决途径。但因为它是一种新型的农业生产方式，想在短时间内替代已存在上万年的传统农业还是不切实际的。它还像一个孩子，正处于学习和成长阶段，还需要更多的人投以关注和研究，以期发挥它的优势，改进它的缺点，使它朝着能够为更多人服务，更加普及的方向发展。我们相信，在不久的将来，我们平常百姓家的餐桌上，也可以见到由植物工厂所生产的蔬菜、水果以及粮食作物。
作者简介：杨国伟（1976-），男，黑龍江省农业科学院草业研究所，副研究员，主要从事农业生产与技术推广。
关键词：植物工厂；发展历程；基本特征
中图分类号：X171.4 文献标识码：A
“面朝黄土背朝天，一把汗水一把泥”是人们对传统农业的显著印象，农民除了靠天吃饭之外，只靠直觉和经验来谋生，收入和辛苦的程度多半不成比例，科技含量远低于其他行业，发展缓慢，但它却是一个民族乃至一个国家团结、稳定的基础。因此，各个国家也都非常重视本国的农业发展与进步。从20世纪末，一种被称作“植物工厂”的新型农业生产方式悄然兴起，它融合了多种高科技技术，在日本、俄罗斯等国家已初具规模，但在我国“植物工厂”生产还刚刚起步，目前仍处于科研阶段，还没有大面积的推广与应用，但这种生产方式的确为今后的农业生产指出了新的方向。
1 “植物工厂”的含义
“植物工厂”如果仅从字面上理解，即是将植物工厂化的生产与管理，与传统农业相比，它不再受外界环境条件的影响，比如光照、雨水、以及病虫害等，使植物能够快速、健康的生长，是一种新型的省力型生产方式。但与传统农业相比，它也存在一个限制其快速发展与推广的显著缺点，即前期需要高额投入，在整个生产过程中仍需要较高的投入。这是因为前期固定设施即“厂房”的建立需要较多费用，而工厂一旦运转起来，因为厂房内的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度以及营养液等环境条件均需要人工提供，所以对水、电消耗很大，尤其是电。广义的“植物工厂”是指在一定生产管理下的全年无休的植物生产系统，狭义的“植物工厂”是指在完全人工环境下的全年无休的植物生产系统。
2 “植物工厂”的发展历程
1957年世界上第一家植物工厂诞生在丹麦，1964年奥地利研制成功了一种塔式植物工厂，并在多个国家和地区得以推广和应用，如北欧、俄罗斯、中东国家等。1971年丹麦建成了绿叶菜工厂，主要用于生产和销售各种高档绿叶菜，如独行菜、鸭儿芹、莴苣等。1974年日本建成了一座由电子计算机调控的花卉蔬菜工厂，将花卉生产和蔬菜生产结合起来，大大缩短了种植时间，1a可生产两茬郁金香、两茬垄民花、一茬番茄，无季节限制，全年生产，显著提升了种植产量，到1998年，日本已拥有各种类型的植物工厂近40个，发展势头良好，推测这很可能与该国人口密度大，可用耕地少有关。1974年，美国也建立一个用于试验研究的植物工厂，在该工厂内种植小麦，1a可收获4～5次，远高于传统农业的1a可收获1～2次的水平。我国在该方面的研究略微落后于上述国家，2004年，中国农业大学率先开展了该方面的研究，开发了一种人工光型密闭式植物工厂。2012年5月，依托京鹏科技和北京工业大学，北京市成立了首个植物工厂工程技术研究中心。2013年1月上海孙桥现代农业开发区表示该开发区将在2013年内从荷兰引进国际上最先进的“植物工厂”。
3 “植物工厂”的分类
划分的标准不同，区分的类型也不近相同，目前主要的分类方式有：按照建设规模分类、按照生产功能分类、按照研究对象分类以及按照光能的利用方式分类。目前，比較被大家认可的分类方式是按照光能的利用方式分类。
按照建设规模分类，即按照厂房的占地面积大小进行分类，其中占地面积超过1000m2以上的，称为大型工厂，占地面积在300～1000m2的，称为中型工厂，而占地面积在300m2以下的，称为小型工厂。按照生产功能分类，即按照厂内所种植的植物类型分类，可分为种苗工厂、水果工厂、花卉工厂、农作物工厂、食用菌工厂等。按照研究对象分类，可分为植物组培工厂、植物细胞工厂、植物体工厂等。按照光能利用方式分类，可分为利用太阳光的植物工厂、利用人工光的植物工厂以及太阳光和人工光并用的植物工厂。其中太阳光和人工光并用的植物工厂较为普及，因为两者可互相补充，节约一部分电能，降低成本，而全部利用人工光的植物工厂可视为植物工厂的最高级，费用会增加，但环境可实现完全控制。
4 “植物工厂”的主要特征
植物工厂作为一种新型的农业生产方式，与传统农业相比，具有5个显著特征。具体特征如下：
4.1 全封闭，对周围环境要求低
因为植物工厂完全为室内生产，所以对所在地的环境条件要求很低。厂内的温度、湿度完全是人为控制。基本上不受或很少受所在地自然条件的影响，无论是温度、湿度、甚至光照等都可实现人工控制，不再受外界的温度、降水量、以及日照时间等影响。它集合了多种高科技技术于一身，如利用制冷-加热双向调温系统控制厂房内的温度、以LED为人工光源提供“日照”，时间和强度均可人工控制，营养液实行电脑配制、检测与控制等，多个控制子系统相互关联，协同作用，对工厂内的环境实行实时监控，智能化管理。
4.2 缩短了植物的收获期
在植物工厂内，因为对环境控制的非常精确，使植物始终处于最佳生长状态，所以大大的缩短了植物的收获期。以小白菜为例，在普通大田里，一般需要40d左右可收获，而在植物工厂里，20d左右即可收获，而且长势均一，不受病虫害干扰。在植物工厂内，育苗周期显著缩短，整齐度和健壮度也优于大田生产，这也大大缩短了植物的收获期，使每年收获茬数增加2～3倍。植物工厂在缩短植物收获期的同时，还可以大大提高空间利用率。在传统农业中，植物只能贴着地面种一层，而在植物工厂里，视植株生长的高矮以及厂房的高低，一般可种植7～10层，在充分利用生长空间、不增加生产成本的同时，显著提高了种植效益。 4.3 植物生长的营养需要实现实时监控
在植物工厂里种植的植物，并不是我们常见的土壤栽培，而是无土栽培，即植物的根系生长在营养液里，其原理是土壤对植物生长的作用时提供各种营养元素和水分，而营养液也可以完全提供上述物质，如氮、磷、钾等大量元素及锌、铁、锰等微量元素，而且还可以根据不同植物的不同营养需要进行配制，由电脑实时监控，当某一营养元素缺乏时可以及时、快速补充，同时还可以大大缩短生长周期，但前提是需要充分了解所种植物的营养需求，这在一定程度上限制了种植品种，对于那些还不清楚营养需求的植物，则无法实现工厂化生产。
4.4 LED灯代替阳光日照
植物工厂的一个显著特征是完全不用阳光，而是靠LED灯。“万物生长靠太阳”这是传统农业不变的真理，但是在植物工厂里，植物的生长则完全不靠太阳，整个空间几乎是密闭的，这样既可以防止外界气候对厂内环境的影响，同时也可避免厂内资源浪费。厂内用以代替日照的能源为LED灯，有的也使用荧光灯，两者单独使用或一起使用均可，但LED灯更节能，可降低生产成本。LED技术的飞速发展，也是植物工厂得以成功的必要条件。虽然太阳光是全波段的，但植物更需要的是红光和蓝光，因此只要将红光和蓝光按照一定比例支撑光源，其所产生的光照效果即可与太阳光相媲美。虽然这需要耗费一定的电量，但是与日照光不可控相比，仍是一个不小的进步。有人做过研究，用LED灯作光源与用太阳光做光源，对植物的生长和品质均无显著差异，而且还可以通过提高厂内二氧化碳浓度的方法，提高植物的光合作用，使植物的生长速度以及营养物质的积累速度均得到显著提升。
4.5 生产成本较高
植物工厂作为一种新型的农业生产方式，与传统农业相比，虽然具有很多传统农业无法比拟的优势，但其也具有一个严重制约其发展的缺点，即生产成本较高。其中既包括前期厂房建设时的投入，也包括工厂运转起来后的生产成本，能源消耗等。都要远远高于传统农业即大田生产。所以目前至少在我国，植物工厂还仅限在建立于高校或科研院所以及农业展示区等，还无法普及，其中一个重要原因就是生产成本过高，投入与产出很难达到平衡。只有在植物工厂内生产一些高端蔬菜或花卉等，才有望达到收支平衡。所以，如何有效的降低建设成本和生产成本，是今后植物工厂产业想要顺利发展所必须解决的一个难题。
5 未来展望
植物工厂的出现，为人类目前所面临的粮食紧缺、资源耗尽、耕地紧张等诸多问题提供了一条可行的解决途径。但因为它是一种新型的农业生产方式，想在短时间内替代已存在上万年的传统农业还是不切实际的。它还像一个孩子，正处于学习和成长阶段，还需要更多的人投以关注和研究，以期发挥它的优势，改进它的缺点，使它朝着能够为更多人服务，更加普及的方向发展。我们相信，在不久的将来，我们平常百姓家的餐桌上，也可以见到由植物工厂所生产的蔬菜、水果以及粮食作物。
作者简介：杨国伟（1976-），男，黑龍江省农业科学院草业研究所，副研究员，主要从事农业生产与技术推广。