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擴散，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，改進農(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世紀下半葉發(fā)生的工業(yè)革命，開啟了機器制造的新時代，伴隨科學(xué)與技術(shù)的進步，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)帶來了機械化、化學(xué)化和信息化，機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擾提供化學(xué)農(nóng)藥，信息化幫助種植業(yè)、畜牧業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)了智能化的科學(xué)管理，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)開始進入了現(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)的過程仍是一個生命物質(zhì)的培育過程，這個培育過程仍在自然環(huán)境中進行，受到了自然環(huán)境的嚴苛限制。
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，就是以機器制造為主體的集約生產(chǎn)，整個生產(chǎn)活動受制于嚴格的管理規(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)工廠晚了將近兩個世紀。
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標準技術(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隊建成了一座采用電子計算機調(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，研究團隊通過計算機分析植物工廠的溫度、光照強度、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)科研機構(gòu)合作，進行植物工廠的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，為植物工廠發(fā)展奠定了堅實基礎(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)展成就的一個歷史標志。
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)地球為生物圈1號）。生物圈中有一個集約農(nóng)業(yè)區(qū)，集約農(nóng)業(yè)區(qū)好比一個大型植物工廠，以滿足實驗人員的食物需求。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90年代，中國開始植物工廠實驗探索。進入新世紀以后，中國東部沿海地區(qū)廣泛進行植物工廠建設(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)展的一個重要標志。日本植物工廠學(xué)會曾對植物工廠做過一個定義：即利用環(huán)境自動控制、電子技術(shù)、生物技術(shù)、機器人和新材料等進行植物周年連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng)，也就是利用計算機對植物生育的溫度、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)造一個適宜植物生長的人工環(huán)境，實施自動化半自動化的生產(chǎn)管理，可以全年無休進行植物栽培的農(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)?，F(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)），植物工廠的機械化和機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)的計劃性強，可以在不受自然環(huán)境影響的條件下，實現(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、植物工廠采用機械化半機械化作業(yè)，降低了工廠用工水平，勞動生產(chǎn)率大幅提高；
4、植物工廠實行封閉式生產(chǎn)，嚴格投入品管理，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)展的一個方向。未來植物工廠的發(fā)展將重點采用新的基因技術(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。先進的畜牧、水產(chǎn)養(yǎng)殖也已經(jīng)在某種程度上進入了工廠化行列?，F(xiàn)代畜牧養(yǎng)殖場給每一頭牲畜打上耳標，對牲畜的飲食、防疫、運動等進行信息化管理?，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)加強生長管理，大量使用農(nóng)業(yè)機械以節(jié)約人力成本，以此提高生產(chǎn)效率。
未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展將從兩個方向展開，一是農(nóng)業(yè)工廠向集約化、精準化方向發(fā)展，一是大田作物向規(guī)?；?、機械化方向發(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)濟和政治的進步，打開了一張日益強大的安全網(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)的高價格，成為制約植物工廠發(fā)展的一個主要瓶頸。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，使之成為大中城市蔬菜供應(yīng)的一個重要生產(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)實驗取得經(jīng)驗。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。植物工廠由計算機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)境條件進行自動控制，實現(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，還將由計算機掌握目標市場供應(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)驗積累和大數(shù)據(jù)的分析運用。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)
更多LED相關(guān)資訊，請點擊LED網(wǎng)或關(guān)注微信公眾賬號（cnledw2013）。