自然灾害和极端天气不断影响着全球粮食生产，未来如何才能保障全世界人的吃饭问题？植物工厂的出现，为我们开辟了一条值得期待的解决路径。
植物工厂是什么样子的？目前我国的植物工厂发展得怎么样？近日，中国农业科学院都市农业研究所研究员、智能植物工厂首席科学家杨其长在央视财经频道《中国经济大讲堂》节目中，为大家详细介绍了植物工厂的现状及未来。
(资料图片)假想一下，未来我们在北京建一栋30层楼的垂直植物工厂，一年产菜的总量约为1.08万吨，可以供应周围4万居民一年食用的蔬菜，这是非常可观的。蔬菜的运输环节大大压缩，不用到山东寿光等蔬菜生产集散地去长途运输，居民就近就可以购买新鲜的蔬菜。 ——杨其长
什么是植物工厂
中国几千年农耕文明延续至今，我们的食物都是依赖阳光、土壤生产出来的。也就是说，传统的农业生产是靠天吃饭的，一旦遇到涝灾、旱灾等自然灾害，这种生产方式就难以保障很多人的吃饭问题。那么，有没有一种方式能够稳定持续地生产粮食呢？这就是我们今天要讲的植物工厂。
所谓植物工厂，就是无需泥土，不洒农药，不受自然环境影响，通过模拟植物所需的光照、温度、营养等要素，在完全工厂化的条件下生产植物。植物工厂被认为是对传统农作方式的一种颠覆，代表了未来农业的发展方向。
植物工厂需要三个核心要素：第一，用人工光源代替阳光，用营养液代替土壤；第二，需要可控的温度、湿度、二氧化碳等环境；第三，需要一些智能装备。有了这三个核心要素，就可以在工厂化的条件下进行食物生产。
一棵生菜在植物工厂的环境下是怎么生产出来的？先把种子播种在一个带孔的穴盘上，通过两三天的催芽，种子变成了小芽苗，再送到育苗车间里进行育苗。经过12—14天时间，育出小苗后，把小苗种植在栽培盘上，送进栽培车间。再经过20—22天时间的培育，等生菜长到100—120克重量时，就可以进行采收、包装，最后送到市场上。
由于建设成本、运行成本较高，所以植物工厂栽培的作物品种主要是一些附加值较高的矮秆作物，比如叶菜、果菜、果树以及食用花卉、药用植物。一些季节性很强的植物，像草莓和蓝莓，在植物工厂的环境下可以做到一年四季都能生产。
总而言之，作为设施农业的高级阶段，植物工厂不仅能为保障居民菜篮子提供有效补充，也可以成为农民致富和产业振兴的重要抓手。
产能提高40倍以上
21世纪以来，人类面临着各种挑战。第一，人口不断增长。据预测，至2050年，全球人口将达到95亿，与此相应，食物的增长速度必须达到70%以上。第二，耕地不断减少。据FAO（联合国粮食及农业组织）统计，全世界每年减少耕地500—700万公顷。第三，农业劳动力的人口老龄化非常严重。
这些变化对全世界的食物安全提出了严峻的挑战。而植物工厂的出现，也许是解决这些问题的有效途径。
与露地种植相比，植物工厂单位面积的产量可以达到露地种植的40倍以上。为什么植物工厂的产能能够提高40倍以上呢？第一，露地栽培植物就像是在一个平房里，植物工厂的生产则像在楼房里。露地是一层，植物工厂可以达到10层以上，这样栽培的产能就能达到10倍以上。第二，露地栽种植物生育周期较长，比如叶菜类作物需要70天左右，而在植物工厂的环境下只需要34天，周期缩短了一半。第三，植物工厂一年四季都可以生产，露地栽种只有一季到两季，所以植物工厂的产能又增加了一倍以上。
另外，从资源的利用效率来看，植物工厂对水资源和肥料的利用率都很高，与露地栽培相比，节水和节肥分别达到90%。
未来，植物工厂可以建在戈壁、沙漠、海岛、盐碱地上，也可以建在城市的摩天大楼、地下室里，还有一些特殊场所，比如高原哨所、外太空的空间站，甚至月球和火星上，都可以通过植物工厂生产植物。
现在大家都非常关心农产品的质量，植物工厂因为是在非常洁净的环境下进行生产的，连空气和水都经过净化处理，植物基本上没有虫害，也没有重金属的污染，所以生产出来的蔬菜是安全、洁净、无污染的，可以免洗直接食用。由于我们在植物工厂的收获过程中采取了一些措施，因此生产的蔬菜保质期可以达到一个星期。而且，蔬菜的口感非常好，水分较多，还有点甜。
总而言之，植物工厂在未来是非常必要的。一方面，它可以大幅度提高食物的产能，解决未来人口、资源以及农业劳动力短缺造成的一些重大难题。另一方面，它能为我们提供高品质的农产品，并在沙漠、戈壁、极寒地区等特殊场所以及外太空的探索中，提供食物供给的解决方案。
三种形式的植物工厂
我们先来看看目前国内有哪些特别的植物工厂，它们生产的作物有何特别之处。
我国的酒泉卫星发射中心位于巴丹吉林沙漠深处，冬季气温达到零下43℃，夏天达到零上42℃，地表温度最高可达80℃。为了更好地保障神州系列飞行任务航天员乘组的日常伙食，酒泉卫星发射中心于2021年建成了一座占地面积达782平方米的人工光型蔬菜工厂，航天员在太空出差前食用的果蔬都出自这里。
西北边防哨所地处常年风沙肆虐的荒漠戈壁。为了让边防官兵吃上新鲜的蔬菜，这些地方建起了集装箱式的植物工厂，它们不仅提高了边防战士的生活水平，也为官兵的戍守生活平添了很多乐趣。
植物工厂早期的栽培作物主要以蔬菜、花卉、瓜果等功能植物为主。中国农科院的钱前院士有一些特别矮化的水稻品种，他希望利用这些水稻品种进行多层的立体栽培。经过我们的探索后，却意外得到了一个收获，即大大缩短了水稻的生长周期。原来，育种科学家每年都要到海南进行植物加代，一年也只能加代一到两次，但是植物工厂缩短了水稻的生长周期后，育种科学家就能在一年内给水稻加代5次到6次，也就是说比原来的效率提高3倍以上。这样，植物工厂未来就可以为水稻、小麦、玉米、大豆等作物的生长按下快进键，为育种加代和高效生产提供重要支撑。
目前，植物工厂主要有三种形式：第一种叫作规模生产型植物工厂。工厂的大小一般为几百平方米到几万平方米不等，可以进行规模化的蔬菜生产。第二种叫作移动型植物工厂，集装箱大小，主要用在一些特殊的场所，比如岛礁、高原哨所、船舰以及一些城市空间等。
第三种是家庭微型植物工厂。这些家庭微型植物装置，小的像台灯，大的像冰箱，适合在小空间里使用。家庭成员可以一起参与和体验种植，孩子可以每天观察植物的生长状况，非常有趣。一般来说，植物20天左右就可以收获，能基本满足居民对新鲜蔬菜的需求。如果家里有两台装置种植韭菜的话，冬季每个星期吃上两次韭菜饺子是没有问题的。
为植物定制“光配方”
万物生长靠太阳，在缺少自然光的室内环境中种植植物，照明系统成了保障植物生长的核心装备。
不同的植物需要不同的光源，植物的各个发育阶段对光源的需求也不相同。以生菜为例，育苗阶段需要更多的蓝光使幼苗健壮，后期则需要更多红光加速植物生长。科学家们要针对植物不同的偏好，找到专属于它们的“光配方”。合适的“光配方”不仅能够大幅度提升植物的产量、质量，还能调控植物，让蔬菜更营养美味，让鲜花更鲜艳，让果实更香甜、更富营养，从而提高经济效益。
早在20世纪50年代，欧美的一些发达国家就已经出现植物工厂。当时的光源主要采用高压钠灯。但是由于高压钠灯的能耗较高，运行成本也较高，这些国家探索了一段时间后就停止了。到20世纪90年代后期，日本开始探索用荧光灯作为植物工厂的光源，但缺点同样是能耗较高。此外，荧光灯、高压钠灯的光效比较低。高压钠灯的光效只有30%，也就是说，有70%的光是无效的。荧光灯的光效约为55%。如果用高压钠灯或荧光灯生产蔬菜，1公斤的叶菜要消耗31—42度电，能耗是很大的。
中国植物工厂的发展起步较晚，大约从2002年开始探索，至今不到20年时间。非常幸运的是，我们跨过了高压钠灯和荧光灯时代，直接进入了LED时代。LED灯有很多优势：第一，它发的是单色光，效率更高，而高压钠灯、白炽灯、荧光灯等都是多光谱的光源。第二，它可以组合成植物需要的光谱。第三，它比较节能。
要知道，在植物工厂的整个成本中，有52%来自电能消耗，而电能消耗中有60%来自光源，35%来自空调。所以，要解决植物工厂的关键技术瓶颈，首先要解决光源的能耗问题，也就是说要找到高效的光源。
但是，要把LED灯用在植物工厂里，还有很多路要探索。首先，要确定我们需要用哪些光谱进行组合，哪种光谱是某种菜所需要的，光谱的配比又是多少。
很多年前，有一位植物生理学家画了一条曲线，叫植物光谱的吸收曲线。从曲线中可以看出，植物的主要吸收峰值在400—500纳米的蓝光区域和600—700纳米的红光区域，最优的两个峰值分别是450纳米和660纳米。有了这个依据后，我们就进行了LED光源的开发。经过无数次试验，我们终于建立起了一个理论体系，也就是“光配方”的概念。
除了为不同的植物定制专属的“光配方”外，光源的照射方向，远红光、紫外光等对植物生长有何影响等等，也都需要我们仔细研究。我们行业中有句话叫作“顺境创产量，逆境创品质”，也就是说，在良好的环境下植物会长得更快、产量更高，而逆境能提升植物的品质。比如，近紫外光对作物有一定的伤害，但我们用了一点近紫外光照射植物后，植物的品质得到了大幅度提升。
未来前景非常广阔
目前，我国的植物工厂总数已经超过220座，成为数量仅次于日本的植物工厂大国。
虽然植物工厂拥有众多优势和广泛的社会需求，但仍面临一些挑战。其中，系统能耗较大导致运行成本过高，是植物工厂发展亟待突破的瓶颈。以我们在北京的一家植物工厂为例，这个商业化的植物工厂拥有2400平方米的面积，目前生产的蔬菜在北京一些知名餐馆和超市有售。总体测算下来，一公斤蔬菜的成本为24元左右。
未来，大幅度降低人工光源和空调系统的能耗，并实现植物工厂的智能化管控，构建智能、低碳、高效的植物工厂生产技术体系，是实现植物工厂快速普及与推广的关键。目前，通过我们的不懈努力，已经把综合能耗由原来的每公斤菜消耗31—42度电降到8.25度电。现在国际上的普遍水平是每公斤菜消耗10度电以上。从理论上说，我们还可以继续降低能耗，达到每公斤菜消耗4—5度电，这是我们未来追求的目标。
另外，我们正在尝试采用激光，把激光从一条线变成一个面，然后再扩散。激光的耗能只有LED的1/3—1/5，所以激光被认为是未来很有潜力的一个光源。
植物工厂技术的突破，还为很多产业提供了契机。比如，目前我国的植物光源产业占世界总份额的百分之八九十。2021年，我们出口了约4.5亿美元的光源灯，未来的市场规模还会更大。
植物工厂还将在城市发展中起到一定的作用。假想一下，未来我们在北京建一栋30层楼的垂直植物工厂，一年产菜的总量约为1.08万吨，可以供应周围4万居民一年食用的蔬菜，这是非常可观的。一方面，蔬菜的运输环节大大压缩，不用到山东寿光等蔬菜生产集散地去长途运输，居民就近就可以购买新鲜的蔬菜。另一方面，城市里一些退休不久、有劳动能力的老人可以到垂直工厂来参加劳动，既锻炼身体，又有一定的收获。
总之，植物工厂正在改变我们的生活，它可以保障国家的食物安全，让城市居民的生活更加丰富多彩，同时还可以发展新兴产业。可以说，植物工厂的未来前景是非常广阔的。
