植物工廠即通過(guò)對(duì)植物實(shí)施資金密集型投入、綜合技術(shù)集成和種植方式的改變來(lái)達(dá)到提高植物產(chǎn)量、效益和品質(zhì)的目的，并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新型植物生產(chǎn)系統(tǒng)。

 

　　植物工廠的興起

 

　　土地是人類賴以生存的第1大資源，它具有不可再生的特性。由于多種原因土地正在大量減少。

 

　　氣候影響和人類活動(dòng)導(dǎo)致大量土地出現(xiàn)了沙化和荒漠化。1985～1995年，我國(guó)沙化面積擴(kuò)大到2460km2。自20世紀(jì)50年代起，沙化面積超過(guò)10萬(wàn)km2，相當(dāng)于一個(gè)江蘇省。有5萬(wàn)多村莊因受土地沙化影響，使成千上萬(wàn)的牧民成為生態(tài)難民。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界有超過(guò)110個(gè)國(guó)家已經(jīng)或可能出現(xiàn)沙化現(xiàn)象。非洲沙化面積可達(dá)7億km2，亞洲沙化面積達(dá)14億km2，北美沙化面積達(dá)74%。《聯(lián)合國(guó)防治荒漠化公約》秘書(shū)處執(zhí)行秘書(shū)呂克·尼亞卡賈于2011年12月稱，全球每年有1200萬(wàn)km2耕地因沙漠化而無(wú)法耕種。

 

　　由于大量使用農(nóng)藥、化肥和除草劑，大量良田出現(xiàn)礦化，有的土地甚至無(wú)法耕種。農(nóng)藥、化肥和除草劑，其中含有的有機(jī)砷、有機(jī)汞、有機(jī)磷、有機(jī)氯、氨基甲酸酯、甲胺磷及對(duì)硫磷等有毒成分，因降解過(guò)程緩慢甚至無(wú)法降解，一部分存在于植物之中，影響人類健康，另一部分則殘留并積累在土地之中，使土壤貧瘠、板硬，從而導(dǎo)致大量良田出現(xiàn)礦化，大大提高了耕作成本。

 

　　早在18世紀(jì)，德國(guó)著名有機(jī)化學(xué)家李比希就發(fā)出了“人類將向何處去”的呼聲。近年來(lái)，由于化學(xué)農(nóng)業(yè)使用化學(xué)品進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，雖降低了農(nóng)業(yè)成本，也提高了產(chǎn)量，但大量農(nóng)產(chǎn)品藥殘超標(biāo)，嚴(yán)重影響了人類的身體健康和人身安全。食品安全事件不斷發(fā)生，而且愈演愈烈，引起了人們對(duì)食品安全的極大關(guān)注，“下個(gè)世紀(jì)人們吃什么”成為質(zhì)疑的焦點(diǎn)。

 

　　由于我國(guó)生產(chǎn)力水平相對(duì)落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，農(nóng)業(yè)成本不斷上升，農(nóng)民收入不斷下降，導(dǎo)致大量從事農(nóng)業(yè)的勞動(dòng)力到城市打工。農(nóng)村出現(xiàn)“老人不能種田、80后不愿種田、90后不會(huì)種田”的現(xiàn)象。現(xiàn)在誰(shuí)來(lái)種田？農(nóng)業(yè)發(fā)展方向在哪里？未來(lái)農(nóng)業(yè)是什么樣？這一系列問(wèn)題值得人們的深思。在這樣的大背景下，數(shù)字植物工廠正向我們走來(lái)。

 

　　1957年丹麥農(nóng)業(yè)科學(xué)家成功地建起了世界上第1家植物工廠，接著奧地利農(nóng)業(yè)科學(xué)家在丹麥植物工廠的基礎(chǔ)更進(jìn)一步完善了技術(shù)系統(tǒng)，建起了216m2的植物工廠，使人類對(duì)農(nóng)業(yè)的夢(mèng)想通過(guò)植物工廠變成了現(xiàn)實(shí)。植物工廠創(chuàng)造了植物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境，使植物生長(zhǎng)時(shí)間大大縮短，產(chǎn)量大幅提高，品質(zhì)得到較大提升。

 

　　植物工廠的發(fā)展階段

 

　　植物工廠產(chǎn)生后，一共經(jīng)歷了3個(gè)不同的發(fā)展階段。

 

　　（1）試驗(yàn)研究階段

 

　　20世紀(jì)40～60年代為第1階段。特點(diǎn)有：

 

　　①建設(shè)規(guī)模小。一般規(guī)模在幾十平米到幾百平米之間；②范圍窄，僅限實(shí)驗(yàn)室；③品種單一，以芹菜和沙拉萵苣為主；④大多采用人工光，即人工氣候室；⑤技術(shù)使用不全面。這一階段主要是以美國(guó)的人工氣候室和丹麥、奧地利植物工廠為主。
 

　　（2）示范應(yīng)用階段

 

　　20世紀(jì)70～80年代，植物工廠從試驗(yàn)研究階段過(guò)渡到示范應(yīng)用階段。表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

 

　　①范圍擴(kuò)大。從蔬菜單一品種到多品種，再到苗木、花卉等多方面；②營(yíng)養(yǎng)液栽培技術(shù)日臻成熟，不同植物，不同品種、不同生長(zhǎng)期用的營(yíng)養(yǎng)液成分和濃度也不同。營(yíng)養(yǎng)液的配比已呈多樣化；③自動(dòng)化控制逐漸完善。自動(dòng)化控制不僅限于溫度、濕度，而且光度、酸堿度及液濃度等多種因素亦實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；④開(kāi)放力度大，示范效果明顯。各相關(guān)企業(yè)之間，相關(guān)行業(yè)之間、國(guó)家之間以及相關(guān)學(xué)科之間相互交融。經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、科普效益和生態(tài)效益都取得較大進(jìn)展，效益更明顯。

 

　　在此期間出現(xiàn)了英國(guó)營(yíng)養(yǎng)液膜法水培模式，出現(xiàn)了果樹(shù)植物工廠。維也納出現(xiàn)了太陽(yáng)光利用型鋼結(jié)構(gòu)植物工廠。羅馬尼亞、波蘭等10多個(gè)國(guó)家也出現(xiàn)了植物工廠。國(guó)際著名大企業(yè)投巨資對(duì)植物工廠進(jìn)行聯(lián)手研究，推動(dòng)了植物工廠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

 

　　（3）發(fā)展階段

 

　　20世紀(jì)80年代至目前是植物工廠發(fā)展階段。表現(xiàn)為：

 

　　①規(guī)模擴(kuò)大。植物工廠建設(shè)的規(guī)模由幾十平米發(fā)展為幾千平米，甚至上萬(wàn)平米。在此期間，日本利用水耕法先后建起數(shù)十家植物工廠。神內(nèi)建起了3000m2的大型植物工廠，府中市建起了高樓式植物工廠，新加坡建起了鳥(niǎo)巢式植物工廠。美國(guó)米德蘭州建起了18000m2的超大型植物工廠，并準(zhǔn)備建月球植物工廠。我國(guó)也建起了一些植物工廠（部分植物工廠概況如下表），其中南京江寧臺(tái)灣農(nóng)民創(chuàng)業(yè)園建起了超大型智能植物工廠，面積達(dá)到12000m2，采用集成技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，科技含量達(dá)到世界先進(jìn)水平。

 

　　②國(guó)際學(xué)術(shù)活動(dòng)頻繁。目前中國(guó)、美國(guó)、日本等就植物工廠產(chǎn)業(yè)已進(jìn)行廣泛而深入的交流，共同推動(dòng)植物工廠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

 

　　③高科技成果應(yīng)用范圍擴(kuò)大。現(xiàn)代的植物工廠標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家或一個(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)科技發(fā)展水平。這是因?yàn)橹参锕S使用的是集成技術(shù)系統(tǒng)，融立體栽培技術(shù)、能源循環(huán)利用技術(shù)、營(yíng)養(yǎng)液配方技術(shù)、物理農(nóng)業(yè)殺菌技術(shù)、信息傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)植物專家技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為一體，使高科技成果擴(kuò)大應(yīng)用到植物工廠之中。

 

　　④涉及行業(yè)廣泛。植物工廠這個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的建設(shè)涉及生物、電子、光學(xué)、物理農(nóng)學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)及信息等多個(gè)行業(yè)，形成多學(xué)科交叉、多技術(shù)集成。

 

　　⑤發(fā)展速度加快。植物工廠的發(fā)展引起了各國(guó)政府的重視。尤其在日本，政府采取多項(xiàng)措施、政策傾斜，短期內(nèi)建起了數(shù)十家植物工廠，成為世界上植物工廠最多的國(guó)家。我國(guó)也極為重視農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，有力地推動(dòng)了我國(guó)植物工廠的建設(shè)。