近年來，植物工廠在東亞、歐美，尤其在日本、中國、韓國、美國、新加坡等國家和地區發展迅速，一些國際知名企業（如飛利浦、GE、三菱等）也紛紛介入植物工廠的技術研發與產業推廣，全球植物工廠呈現極為活躍的發展勢頭。
植物工廠通常被定義為一種通過設施內高精度環境控制，實現作物周年連續生產的高效農業系統，是由計算機對作物生長過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養液等環境要素進行自動控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產方式。根據筆者的理解，植物工廠的得名可能源于現代制造工廠的概念，即以生產貨物或產品為目標的工業建筑物，在這種建筑物內按照一定的流程進行產品由初級零部件、組裝件到成品化的生產。植物工廠的生產對象為園藝作物，按照工廠的定義應具備兩個條件：
一是作物的生產流程極為清晰，即播種、育苗、定植、收獲、包裝等分工明確；
二是環境（溫度、濕度、光照、CO2、氣流以及營養元素等）相對可控，不受或少受外界氣候的影響。
根據這種理解，完全密閉環境下以人工光源與營養液栽培為核心的蔬菜多層工廠化生產應屬于植物工廠范疇（狹義），可控溫室環境下以營養液栽培（水培或基質培）為核心的蔬菜花卉工廠化生產也應屬于植物工廠范疇（廣義），只不過歐美（僅承認狹義的植物工廠）與亞洲的學者（承認廣義、狹義均為植物工廠）對植物工廠定義的意見不一致，爭論仍將會持續。由于植物工廠充分運用了現代裝備、生物技術、營養液栽培與信息技術等手段，技術高度密集，多年來一直被國際上公認為設施農業的高級發展階段，是衡量一個國家農業高技術水平的重要標志之一，受到世界各國的廣泛關注。
一、發展背景及意義
植物工廠之所以受到世界各國的高度關注，原因是多方面的，概括起來主要有以下幾個方面：一是全球人口的快速增長，可用耕地的不斷減少，如何利用有限的耕地滿足人們日益增長的對食物的需求已經成為全球性難題；二是隨著城市化的快速發展和人們生活水平的不斷提高，人們對潔凈安全農產品的需求越來越迫切；三是農業從業人口老齡化，年輕人不愿務農的現象日趨嚴重，吸引年輕人務農已經成為全球面臨的重大課題。植物工廠恰恰提供了解決上述問題的可能途徑，其主要優勢包括：
①作物生產過程不受外界環境的影響，可實現周年按計劃均衡生產、穩定供給；
②單位面積產量和資源利用率高。葉菜1年可收獲15~18茬，而且可多層立體栽培，LED植物工廠栽培層數可達18層以上，產量為露地栽培的40倍以上；
③機械化、自動化程度高，工作環境相對舒適；
④不施用農藥，產品潔凈安全無污染；
⑤可在非耕地上生產，不受或很少受土地的限制；
⑥建在城市周邊或市區，就近生產、就近銷售，大大縮短產地到市場的運輸距離，減少物流成本和碳排放。植物工廠的這些顯著特征為世界各國解決人口增長、資源緊缺、安全食品需求旺盛以及新時代勞動力不足等難題提供了有效的技術途徑，因而受到廣泛重視。
二、發展現狀
從植物工廠數十年的發展歷程來看，大致歷經3個主要發展階段，即早期的試驗探索階段、中期的示范應用階段、目前的快速發展階段，具體包括：
1、試驗探索階段（20世紀40年代~70年代初）
這一階段是植物工廠的概念成型與試驗探索階段，其中2項技術的突破對植物工廠的發展起到了重要的支撐作用，一項被稱之為“營養液栽培技術”，20世紀40年代以來以“礦物質營養學說”為理論基礎的營養液栽培技術的應用，奠定了植物工廠的栽培技術基礎；另一項為“人工模擬與控制環境技術”，以1949年美國植物生理和園藝學家Went教授在加州帕薩迪納建立的第1座人工氣候室為標志。1953年和1957年日本和前蘇聯相繼建成大型人工氣候室，進行植物栽培試驗。1957年的丹麥約克里斯頓農場建成了世界上第1座植物工廠，面積1000m2，屬人工光和自然光并用型，栽培作物為水芹，從播種到收獲采用全自動的傳送帶流水作業，年產水芹400萬袋，約合100萬kg。1960年美國通用電氣公司開始進行人工光植物工廠的研發。1963年奧地利的盧斯那公司建成了1座高30m的塔式植物工廠，利用上下傳送帶旋轉式的立體式栽培，完全采用人工光源種植生菜。
這一時期植物工廠的特點為：建設規模較小，僅為幾十平米到幾百平米；應用范圍窄，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。
2、示范應用階段（20世紀70年代~90年代末）
水耕栽培和人工光源技術的突破是這一階段植物工廠發展的重要標志。1973年營養液膜技術（NutrientFilmTechnique，NFT）的出現，以及隨后的深液流栽培技術（DeepFlowTechnique，DFT）的發明為植物工廠栽培技術的發展奠定了基礎。這一時期，美國通用食品公司、賽納拉魯米勒斯公司與依法德法姆公司等，以及荷蘭的飛利浦、日本的日立、三菱重工等多家公司紛紛介入植物工廠的研發。1974年日本日立制作所中央研究所高正基等開始進行人工光植物工廠的研究，1983年在靜岡三浦農場推出日本第1個真正意義上的人工光植物工廠，栽培方式采用三角板氣霧培與平面式水耕培兩種方式。1989年4月日本專門成立了植物工廠學會（2007年1月植物工廠學會與生物環境調節學會聯合成立日本生物環境工學會），每年定期召開植物工廠研討會，有力地推動植物工廠產業的發展。截止到20世紀90年代末，日本擁有約20座人工光植物工廠。
這一階段植物工廠的特點：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。
3、快速發展階段（21世紀初至今）
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是這一時期植物工廠發展的重要特征。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。各國研發力度與產業化步伐不斷加快，日本于2009年提出大力發展植物工廠、振興現代農業計劃，由農林水產省和經濟產業省拿出500億日元用于支援植物工廠的建設與研發，受此影響，一批大型企業如三菱、豐田、日立等紛紛介入，并計劃輸出植物工廠產品到中國、中東、歐美等國家或地區。2015年日本人工光植物工廠數量已達185座，其中位于宮城縣多賀市的占地面積2300m 2、15層立體栽培架、日產葉菜10000棵的LED植物工廠（圖1），以及大阪府立大學的占地面積550m2、18層栽培架、日產葉菜5300棵的LED植物工廠（圖2），代表了日本近年來植物工廠的發展趨向；
韓國自2009年開始，在政府支持下科教單位與企業共同進行人工光植物工廠的研發，僅僅幾年間推出了10多個型號的植物工廠產品，如占地面積560m2的韓國國際圣瑪麗醫院植物工廠（圖3）；
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“空中農場”等模式（圖4、圖5）；
歐洲各國也從節能和降低運行成本的角度進行植物工廠的研發，尤其是利用傳感器與物聯網技術實現植物工廠的智能化監控，使運行成本大為降低。我國從2002年開始植物工廠研發工作（圖6），2005年研制出LED植物工廠實驗系統，2009年推出LED植物工廠商業化應用（圖7），2010年上海世博會首次展出“低碳、智能”家庭LED植物工廠（圖8），2013年中國正式將“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80座（圖9、圖10）。這一時期植物工廠特點為：高新技術不斷引入，LED逐漸替代熒光燈，光效與能效顯著提升，應用范圍不斷擴大。
三、主要瓶頸及發展戰略
〖主要瓶頸〗
植物工廠雖然擁有眾多優勢以及廣泛的社會需求，但在實際發展過程中也面臨諸多“瓶頸”，如初期建設成本過高、光源與空調能耗較大以及經濟效益不高等，突破這些瓶頸是實現植物工廠持續健康發展的關鍵。
1、初期建設成本相對較高
植物工廠需要在封閉環境下進行作物生產，因此需要構建包括外維護結構、空調系統、人工光源、多層栽培系統、營養液循環以及計算機控制系統在內的配套工程與裝備，投資成本相對較高，一般建設費用（中國）在4000~10000元/m2（美國、日本是中國的2~3倍）。
2、光源與空調能耗較大
能耗一直是影響植物工廠發展的關鍵制約因素，植物工廠的能耗包括：照明（約占80%）、空調（占16%）、其他（占4%），能耗成本約占全部生產成本（包括折舊、能耗、人工及資材等）的25%左右，節能降耗需求迫切。
3、經濟效益和盈利面還不高
由于植物工廠初期建設成本較高、能耗較大，設備折舊與運行成本較高，其產量與品質必須高于其他生產方式，才能獲得較高的效益。目前，日本植物工廠僅有30%實現贏利、50%持平，仍有20%虧損，經濟效益問題已成為植物工廠發展必須面對的現實難題。
〖發展戰略〗
雖然植物工廠面臨諸多“瓶頸”，但植物工廠的總體發展趨勢不會因此而改變。為加快植物工廠的發展，筆者認為應從以下幾方面重點突破：
1、大幅降低初期建設成本
植物工廠的建設與設備成本主要包括建筑、照明設備、電器設備、空調設備、給排水設備、水耕栽培設備、配套機械以及工程費用等，其中建筑、照明及栽培設備等費用約占全部成本的70%以上。在降低建筑成本方面，可以利用廢棄廠房、建筑物地下室等進行建設；在栽培設備方面，盡可能選用標準化民用材料和裝備，如采用標準化貨架等；LED的選用應從滿足植物生產需要出發，研發出簡單實用但不一定美觀的專用燈具。
2、顯著提升系統光效與能效
光效與能效提升是大幅減少運行費用的關鍵，采用LED替代熒光燈以及根據植物從苗期到收獲期的光配方需求進行光環境的動態優化調節，甚至設計出上下可移動光源、可調節光斑大小的聚光光源等，降低光源能耗；同時，采用引進室外新風的光-溫耦合節能降溫方法以及智能環境控制系統，減少空調能耗。
3、大幅提高植物工廠產量、品質與經濟效益
產量與品質的大幅度提升是獲得經濟效益的關鍵。在提高產量方面，一方面可以通過精準調控環境與營養要素，提升植物產量，另一方面可以根據植物的發育特征，分階段、分區域進行培育，以提高各階段的生產效率和產量；在提高品質方面，可以通過營養調控和光調控等手段，提高VC、可溶性糖以及其他功能品質。此外，可以通過選用一些功能性蔬菜或藥用植物等進行種植，提高植物工廠產值。
4、注重植物工廠與城市生活的結合
城市居民既有對潔凈安全蔬菜的物質需求，也有對構建“綠色空間”的精神需求。植物工廠可以與城市家庭、社區、學校、醫院、賓館、餐廳、購物廣場和超市等相結合，形成不同規格、不同形式的植物工廠產品，讓植物工廠在城市中無所不在，形成分布式、網絡化的都市植物工廠應用體系，在為城市居民就近提供新鮮蔬菜的同時，還能營造舒緩心情的綠色生態空間。植物工廠與現代城市的結合，必將會顯著提升植物工廠的經濟效益和社會效益。
