人類社會的食物生產(chǎn)是最基本的生產(chǎn)活動。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)生之前，人類以漁獵采集為生。漁獵采集的對象是自然界的植物、動物等，自然資源有限，養(yǎng)活不了眾多的人口。大約1.2萬年前，在美索不達(dá)米亞、埃及、中國、印度、中南美洲等地區(qū)形成了若干位于大河之畔的農(nóng)業(yè)起源中心，通過引種谷物、豆類、塊莖類等可食植物，馴化牛、豬、羊和狗等牲畜，從刀耕火種到人工灌溉，從狩獵圈養(yǎng)到人工繁殖，形成了原始的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，并沿不同的路徑向世界各地?cái)U(kuò)散，發(fā)展成為各具特色的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)生之后，人類積累農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量，發(fā)展傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，養(yǎng)活了世界上眾多的人口。
18世紀(jì)下半葉發(fā)生的工業(yè)革命，開啟了機(jī)器制造的新時(shí)代，伴隨科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步，人類社會面貌發(fā)生了翻天覆地的變化。工業(yè)革命給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了機(jī)械化、化學(xué)化和信息化，機(jī)械化幫助人們從繁重的農(nóng)業(yè)勞動中解放出來，化學(xué)化為農(nóng)作物生長提供化學(xué)肥料、為防止雜草和病蟲害侵?jǐn)_提供化學(xué)農(nóng)藥，信息化幫助種植業(yè)、畜牧業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了智能化的科學(xué)管理，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)開始進(jìn)入了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)階段?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)減輕了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動強(qiáng)度，提高了農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量品質(zhì)，但沒有改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本面貌。
從某種程度上講，農(nóng)業(yè)是工業(yè)革命發(fā)生之后變化最為遲緩的一個(gè)產(chǎn)業(yè)。今天的農(nóng)業(yè)，種植業(yè)仍遵循著播種、育苗、生長、繁殖、收獲的規(guī)律，畜牧業(yè)仍延續(xù)著配種、繁殖、生長、育肥、出圈的過程。農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)容易受自然災(zāi)害的侵害，農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖生產(chǎn)容易受流行疫病的侵害。
說到底，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程仍是一個(gè)生命物質(zhì)的培育過程，這個(gè)培育過程仍在自然環(huán)境中進(jìn)行，受到了自然環(huán)境的嚴(yán)苛限制。
隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，尤其是基因技術(shù)與人工智能技術(shù)的進(jìn)步，這一切終將改變，農(nóng)業(yè)只有徹底擺脫了自然環(huán)境與氣候的制約，才能在真正意義上擺脫在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之前始終標(biāo)注的“傳統(tǒng)”兩字，問心無愧地稱得上現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。
1、植物工廠的崛起
工業(yè)革命誕生了現(xiàn)代工廠制度，所謂現(xiàn)代工廠制度，就是以機(jī)器制造為主體的集約生產(chǎn)，整個(gè)生產(chǎn)活動受制于嚴(yán)格的管理規(guī)章，形成了較高的勞動生產(chǎn)率。工業(yè)革命的成功，給農(nóng)業(yè)以極大的示范啟示。人們希望農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也能夠借鑒現(xiàn)代工廠制度，擺脫自然環(huán)境的制約，擺脫對可耕地的依賴，采用機(jī)械化流水作業(yè)，形成集約、高效的生產(chǎn)方式。但是，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)巨大的發(fā)展慣性，致使農(nóng)業(yè)工廠的出現(xiàn)比工業(yè)工廠晚了將近兩個(gè)世紀(jì)。
1949年，美國植物學(xué)家和園藝學(xué)家在加州帕薩迪納建立了一座人工氣候室，成為了植物工廠的早期模型，為植物工廠的發(fā)展進(jìn)行了有意義的探索。
1957年，丹麥在哥本哈根市郊的約克里斯頓農(nóng)場建設(shè)了世界上第一座真正意義上的植物工廠，工廠面積1000平方米，采用人工光和太陽光并用技術(shù)，從播種到收獲采用全自動傳送帶流水作業(yè)，年產(chǎn)水芹100萬公斤。植物工廠開始登上歷史舞臺。
1963年，奧地利盧斯納公司建造了高30米的塔式人工光植物工廠，采用上下傳送帶旋轉(zhuǎn)式的立體栽培方式種植生菜，最大限度節(jié)約土地，成為垂直植物工廠的發(fā)端。
1973年，英國溫室作物研究所庫珀教授提出了營養(yǎng)液膜法（NFT）水耕栽培模式，簡化了栽培結(jié)構(gòu)，降低了生產(chǎn)成本，成為植物工廠的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。
植物工廠在歐美起步，但由于日本人多地少，在日本得到了充分發(fā)展。
1974年，日本日立制作所中央研究所的研究團(tuán)隊(duì)建成了一座采用電子計(jì)算機(jī)調(diào)控的花卉蔬菜工廠，該工廠由1棟兩層的樓房和兩棟栽培溫室組成，研究團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算機(jī)分析植物工廠的溫度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等對植物生長影響的數(shù)據(jù)，獲得了較大成功。
上世紀(jì)的70～80年代，世界上一些著名企業(yè)如荷蘭的飛利浦、美國的通用電氣、日本的日立制作、三菱重工等紛紛投入巨資，與農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)合作，進(jìn)行植物工廠的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，為植物工廠發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
1985年，日本在筑波世博會上展示了一套三層樓高的塔式人工光植物工廠，成為了日本植物工廠發(fā)展成就的一個(gè)歷史標(biāo)志。
1987～1989年，美國在亞利桑那州的沙漠中建設(shè)了一座微型人工生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，稱之為生物圈2號（假設(shè)地球?yàn)樯锶?號）。生物圈中有一個(gè)集約農(nóng)業(yè)區(qū)，集約農(nóng)業(yè)區(qū)好比一個(gè)大型植物工廠，以滿足實(shí)驗(yàn)人員的食物需求。生物圈2號探索了未來可能的太空殖民中封閉生態(tài)系統(tǒng)的作用。
這些年來，發(fā)達(dá)國家的植物工廠發(fā)展迅速。美國、荷蘭、日本、韓國、以色列等都建設(shè)了眾多的植物工廠。
中國的植物工廠建設(shè)起步較晚，但發(fā)展較快。
上世紀(jì)90年代，中國開始植物工廠實(shí)驗(yàn)探索。進(jìn)入新世紀(jì)以后，中國東部沿海地區(qū)廣泛進(jìn)行植物工廠建設(shè)。2013年，由無錫市供銷社與日本三菱株式會社合作建設(shè)的首座植物工廠在江蘇無錫農(nóng)業(yè)科技博覽園建成投產(chǎn)，這座植物工廠采取太陽光與人工光相結(jié)合的方式，采用無土水培技術(shù)，起到了較好的示范作用。2016年，中國科學(xué)院植物研究所與福建三安集團(tuán)合作在福建安溪建設(shè)了國內(nèi)最大的植物工廠，植物工廠在中國蓬勃興起。
2、植物工廠的優(yōu)勢
植物工廠是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。日本植物工廠學(xué)會曾對植物工廠做過一個(gè)定義：即利用環(huán)境自動控制、電子技術(shù)、生物技術(shù)、機(jī)器人和新材料等進(jìn)行植物周年連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng)，也就是利用計(jì)算機(jī)對植物生育的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、營養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動控制，使設(shè)施內(nèi)植物生育不受自然氣候制約的省力型生產(chǎn)。
簡而言之，植物工廠就是創(chuàng)造一個(gè)適宜植物生長的人工環(huán)境，實(shí)施自動化半自動化的生產(chǎn)管理，可以全年無休進(jìn)行植物栽培的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。一般來說，狹義的植物工廠專指人工光源的植物生產(chǎn)系統(tǒng)，廣義的植物工廠泛指所有的設(shè)施農(nóng)業(yè)。現(xiàn)在的大多數(shù)植物工廠都采用了人工光源（LED光源）和水耕栽培技術(shù)（無土水培技術(shù)），植物工廠的機(jī)械化和機(jī)器人使用情況則根據(jù)不同植物生產(chǎn)對象采取了不同方式。植物工廠的生產(chǎn)對象一般為蔬菜、花卉、果樹、食用菌及部分大田作物。
植物工廠是一種高投入、高技術(shù)、精裝備的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式相比，植物工廠的優(yōu)勢主要表現(xiàn)為：
1、植物工廠生產(chǎn)的計(jì)劃性強(qiáng)，可以在不受自然環(huán)境影響的條件下，實(shí)現(xiàn)周年均衡生產(chǎn)；
2、植物工廠營造植物生長最佳環(huán)境，增加光照時(shí)間，科學(xué)配水施肥，能夠獲得較高的單位面積產(chǎn)量；
3、植物工廠采用機(jī)械化半機(jī)械化作業(yè)，降低了工廠用工水平，勞動生產(chǎn)率大幅提高；
4、植物工廠實(shí)行封閉式生產(chǎn)，嚴(yán)格投入品管理，少施肥不用藥，產(chǎn)品更加安全健康；
5、植物工廠設(shè)置多層、垂直空間結(jié)構(gòu)，采取立體栽培模式，大幅節(jié)省土地與能源；
6、采用垂直封閉結(jié)構(gòu)和人工光技術(shù)的高層植物工廠，能夠與現(xiàn)代城市建設(shè)緊密結(jié)合，為大中城市居民就近供應(yīng)大量新鮮、健康的蔬菜。
植物工廠有著諸多優(yōu)勢，而制約植物工廠發(fā)展的關(guān)鍵是生產(chǎn)成本較高，植物工廠的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品仍缺乏市場競爭能力。但植物工廠代表了未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向。未來植物工廠的發(fā)展將重點(diǎn)采用新的基因技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)，培育更適宜人工栽培的植物品種，營造更適合植物品種生長的工廠環(huán)境，建立更節(jié)省人力資源的生產(chǎn)流程，提高植物工廠農(nóng)產(chǎn)品的市場競爭能力。
農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)，除了蔬菜、花卉、果樹和食用菌之外，還有畜牧、水產(chǎn)和大田作物。先進(jìn)的畜牧、水產(chǎn)養(yǎng)殖也已經(jīng)在某種程度上進(jìn)入了工廠化行列?，F(xiàn)代畜牧養(yǎng)殖場給每一頭牲畜打上耳標(biāo)，對牲畜的飲食、防疫、運(yùn)動等進(jìn)行信息化管理?，F(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖場采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對養(yǎng)殖水體和養(yǎng)殖對象生長狀況進(jìn)行智能化管理等。這些措施都提高了畜牧、水產(chǎn)的養(yǎng)殖效率。大田作物主要指適宜大規(guī)模種植的農(nóng)作物，如小麥、稻谷、大豆、棉花、甘蔗等。這些大田作物生產(chǎn)主要是采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加強(qiáng)生長管理，大量使用農(nóng)業(yè)機(jī)械以節(jié)約人力成本，以此提高生產(chǎn)效率。
未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展將從兩個(gè)方向展開，一是農(nóng)業(yè)工廠向集約化、精準(zhǔn)化方向發(fā)展，一是大田作物向規(guī)?；?、機(jī)械化方向發(fā)展。基因技術(shù)、人工智能技術(shù)將在未來農(nóng)業(yè)發(fā)展中扮演更為重要的角色。
3、植物工廠的未來
以色列歷史學(xué)家尤瓦爾在《未來簡史》一書中指出：“過去幾百年間，科技、經(jīng)濟(jì)和政治的進(jìn)步，打開了一張日益強(qiáng)大的安全網(wǎng)，使人類脫離生物貧困線。”這就是說，人類在整體上已經(jīng)擺脫了食物不足的困境。提供健康、安全的農(nóng)產(chǎn)品是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)新的方向，而植物工廠正是順應(yīng)了這一歷史趨勢。目前，影響植物工廠發(fā)展最突出的因素是產(chǎn)品的市場競爭能力。植物工廠高技術(shù)、高投入、生產(chǎn)高成本，也帶來了產(chǎn)品相應(yīng)的高價(jià)格，成為制約植物工廠發(fā)展的一個(gè)主要瓶頸。未來植物工廠的發(fā)展既要降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，又要明確市場定位，突出優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)，使之成為大中城市蔬菜供應(yīng)的一個(gè)重要生產(chǎn)途徑。
植物工廠是現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，植物工廠的未來也將寄希望于科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步。
培育更豐富的植物品種。目前，植物工廠的生產(chǎn)品種主要是生菜、菠菜、水芹、萵苣、黃瓜、番茄等，以葉菜、瓜果為主，品種尚不豐富。今后，要運(yùn)用現(xiàn)代生物技術(shù)，培育更多適宜植物工廠水培方式生長的蔬菜、瓜果、花卉、食用菌品種，不斷開拓植物工廠的生產(chǎn)類型，讓植物工廠既滿足大中城市的新鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)，也成為城市一道靚麗的景觀，形成質(zhì)感豐富的都市農(nóng)業(yè)景象。
尋找更優(yōu)質(zhì)的人工光源。早期植物工廠一般采用太陽光與人工光相結(jié)合的辦法，現(xiàn)代植物工廠多數(shù)采用封閉結(jié)構(gòu)的人工光源，以給予植物充足的光照。植物工廠的光源從過去的農(nóng)用鈉燈到了現(xiàn)在普遍使用的LED燈。種植實(shí)踐表明，不同的植物對不同的光譜有著不同的敏感性，同一植物在不同的生長期也對不同的光譜有著不同的敏感性。因此，植物工廠通常會選擇全光譜光源，以滿足各種植物生長需要。光照在植物工廠的生產(chǎn)成本中占有很大比重，探索更高效的新型光源是未來植物工廠發(fā)展的一個(gè)方向。
配制更高效的液體肥料。植物工廠大多數(shù)采用水耕栽培技術(shù)，水耕栽培也叫做營養(yǎng)液栽培，將植物生長所需要的養(yǎng)分制成營養(yǎng)液供植物吸收，植物的根系生長在營養(yǎng)液之中。營養(yǎng)液為植物生長提供充足、穩(wěn)定的水分與營養(yǎng)，植物在營養(yǎng)液中生長的速率要高于土壤生長。水耕栽培技術(shù)的核心是營養(yǎng)液的配方，不同的植物需要不同的營養(yǎng)，同一植物在不同生長階段也需要不同營養(yǎng)，這些都需要經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)取得經(jīng)驗(yàn)。營養(yǎng)液中的各種營養(yǎng)物質(zhì)要能夠很好地溶于水，并易于植物吸收。因此，植物工廠的光照配方和營養(yǎng)液配方往往成為植物工廠的不傳之秘。
探索更優(yōu)化的管理模型。植物工廠是典型的農(nóng)業(yè)高科技產(chǎn)物。植物工廠由計(jì)算機(jī)對植物生育過程的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動控制，實(shí)現(xiàn)了可控環(huán)境下的高效生產(chǎn)。植物工廠不僅控制工廠生產(chǎn)環(huán)境，還將由計(jì)算機(jī)掌握目標(biāo)市場供應(yīng)情況，合理安排植物生產(chǎn)與種植茬口銜接，以期獲得更高的生產(chǎn)效益。這些都需要經(jīng)驗(yàn)積累和大數(shù)據(jù)的分析運(yùn)用。從本質(zhì)上講，植物工廠就是未來的農(nóng)業(yè)智能工廠。（作者：徐鳴）
來源：江蘇智庫網(wǎng)
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