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中國網/中國成長門戶網訊 習近平總書記在2022年中心鄉村任務會議和第二十次全國代表年夜會等會議上屢次誇大，“保證食糧和主要農產物穩固平安供應一直是扶植農業強國的甲等年夜事”，“建立年夜食品不雅，成長舉措措施農業，構建多元化食品供應系統”，“要建立年夜食品不雅，構建多元化食品供應系統，多道路開闢食品起源”。但是，現有的農業生孩子系統下，我國食糧供需處于“緊均衡”狀況——固然生孩子總量有余，但構造性掉衡題目凸起，飼料糧生孩子嚴重缺乏。2024年，國務院辦公廳出臺《關于踐行年夜食品不雅構建多元化食品供應系統的看法》。此中，在加速成長古代舉措措施農業、拓展食品開闢新空間方面，明白提出“在年夜中城市周邊布局扶植植物工場”“在具有水資本前提的地域摸索迷信應用沙漠、荒涼等成長可連續的古代舉措措施農業”等。
植物工場是應用古代生物技巧、信息技巧、主動化技巧完成周遭的狀況調控與作物蒔植栽培，以產業化生孩子方法，完成作物周年持續生孩子的高效農業體系。它是舉措措施農業的高等成長階段，被以為是將來世界列國處理生齒增加、資本緊缺和從事農業的休息力缺乏等惹起的食糧平安題目的主要道路，也是國防、空間站及星月摸索等特別場合新穎食品補給的主要手腕。本文從植物工場生孩子體系成長態勢、面對題目與窘境、科技衝破和改革、財產利用和瞻望方面停止剖析評述，就植物工場的可連續安康成長、財產與技巧的協同立異給出提出。
植物工場辦事國度年夜食糧平安
植物工場上風集中表現在兩慷慨面：可控周遭的狀況和平面蒔植。可控周遭的狀況技巧可以使農業解脫地盤等天然資本與天氣變更、周遭的狀況淨化等原因的限制，并完成對植物發展的光、溫、水、氣、肥等全要素的精緻化把持。基于LED寒光源和無土栽培技巧的平面化蒔植，可完成無限占空中積的最年夜化產出。例如，每年可以在僅40 m2的地盤面積上蒔植50多萬株植株，地盤應用面積削減95%，需水量和農藥應用量削減95%。植物工場這種全周遭的狀況前提可控型高效食糧生孩子方法，是保證我國年夜食糧平安的主要道路。聯合我國的現實，植物工場可打造如下多元化食品生孩子利用場景。
入口卵白替換植物工場生孩子體系。我國每年需求大批入口卵白飼料和乳肉產物。例如，年夜豆和包養苜蓿對外依存度持久分辨跨越80%和30%，入口量均居世界首位。植物工場技巧正在轉變傳統的飼草育種及生孩子方法，從而為處理飼草供給供給了新思緒。苜蓿、黑麥草等飼草作物在植物工場內可持續多年發展，一年采收茬數可達18—20次。植物工場生孩子水培芽草——應用高粱、燕麥、小黑麥、年夜麥、小麥等谷物籽粒在7—10 d內生孩子出高卵白苗芽，可將卵白應用率由60%晉陞至90%以上，可部門甚至所有的取代精/粗飼料，是幻想的年夜豆卵白替換起源。
后備糧油植物工場生孩子體系。我領土地資本無限，嚴守的18億畝耕田主要用于主糧生孩子，保證食糧供給，后備耕地資本缺乏，開闢食糧生孩子潛力受限。植物工場的立異成長在后備糧油作物生孩子上有著宏大的潛力。研討表白，用室內10層垂直舉措措施來蒔植小麥，年產量可達700 t/hm2（丈量）—1940 t/hm2（預算），是今朝世界小麥年均勻產量3.2 t/hm2的220—600倍。中國農業迷信院在溫室平面栽培的疾速繁育水稻已試種勝利，正在摸索年夜豆、玉米、小麥等主糧作物，以及油菜和棉花等經濟作物的疾速繁育要害技巧。
水產物植物工場生孩子體系。植物工場可用于培育浮萍、微藻等水生植物和微生物，經由過程精準把持光照和養分，明顯進步浮萍和藻類的發展速率和產量。如曾經貿易化生孩子的螺旋藻和小球藻；這些藻類富含卵白質和油脂，可用于食物、飼料和生物燃料。將魚類養殖與蔬菜蒔植聯合成長出的“魚菜共生體系”中，魚糞為蔬菜供給營養，蔬菜凈化水質，二者協同感化構成了互利共生的輪迴。這種形式進步了水產物和蔬菜的產量，削減了周遭的狀況淨化。
都會生涯便捷優質保證植物工場生孩子體系。在年夜中型城市周邊扶植植物工場，應用無限地盤平安、穩固、高效地生孩子優質蔬果和效能保健性食材，具有當地生孩子、新穎中轉、便捷供給的上風；并且，由于接近花費市場，運輸間隔短，還可下降碳排放和物流本錢。美國垂直農業公司Plenty在美國舊金山等城市扶植植物工場，生孩子無農藥綠葉蔬菜，直供餐廳和生鮮平臺。中國迷信院植物研討所聯手福建三安團體，成立了福建省中科生物股份無限公司。該公司在福建安溪建成國際上首棟建筑面積10000 m2的蔬菜植物工場和首個貿易化藥用植物工場。該植物工場日產高東西的品質蔬菜1.8 t，重要供給廈門、福州和泉州等地的餐飲和商超；取得無機認證的處所保健藥材——金線蓮也已進進線上、線下超市門店停止發賣。
應急與災后食品保證植物工場生孩子體系。植物工場具有“平急兩用”綜合保證效能，可應對戰時、嚴重災難情況下食品疾速生孩子的需求。可變動位置式集裝箱植物工場可以或許在地動、洪水等災難后疾速安排，無需依靠內部供給鏈，保證戰區/災區應急食品供給；也能知足潛艇軍艦、海島、高冷等特別邊防線區國防保供需求。japan(日本)福島核災后應用防輻射design的植物工場生孩子平安蔬菜，緩解大眾對淨化作物的擔心。我國“5·12”汶川地動后也姑且搭建了變動位置式氣霧培農場，為安頓點供給新穎葉菜。陸軍后勤部在西躲軍區“高原高冷、前提艱難、缺氧缺水、路況未便”的哨所停止植物工場試點扶植，以處理邊防軍隊新穎蔬菜供給困難。
太空性命延續植物工場生孩子體系。植物工場自力封鎖化生孩子體系使其甚至能夠在月球、火星等外太空場合扶植，將是知足航空航天、星際觀光和其他星球移平易近等將來場景需求的主要構成部門。科研職員在空間基地模仿試驗艙“月宮一號”里曾經屢次展開了生物再生性命保證體系的試驗。美國航空航天局（NASA）在國際空間站搭建太空農場，測試LED光照下的蔬菜蒔植，為其火星移平易近打算供給技巧支撐。我國航天員也曾經在神船十七號載人飛船上勝利完成了“太空菜園”的實驗蒔植。
植物工場的成長與態勢
植物工場經過的事況了3個成長階段，貿易範圍不竭擴展
植物工場的成長年夜致經過的事況4個階段（圖1）：20世紀50—80年月末的實驗摸索階段。養分液栽培技巧和人工可控周遭的狀況技巧為植物工場的鼓起奠基了基本。這一時代植物工場的光源以能耗高、發燒量年夜的高壓鈉燈為主，蒔植裝備僅為單層或兩層構造，生孩子效力較低，財產成長遲緩。20世紀90年月初—21世紀初的示范利用階段。這一時代緊湊型熒光燈逐步替換了高壓鈉燈，跟著傳感器和主動把持技巧慢慢引進，植物工場空間應用率與動力效力明顯晉陞，示范利用範圍不竭擴展。但仍存在能耗年夜、本錢高級凸起瓶頸，年夜範圍利用遭到必定限制。21世紀10年月至今的財產成長階段。跟著高光電轉換效力的藍光LED技巧的呈現和利用，植物工場生孩子能效、空間應用率及主動化水平均年夜幅晉陞，財產化成長範圍及盈利才能也隨之不竭擴展。 將來，人工智能（AI）極有能夠在短時光內催生主動化聰明植物工場的成長。基于AI的主動化植物工場應具有3個特征：主動化——節儉人工，如包養平臺推舉收穫、育苗、分栽、采收、清洗、轉運等主動化均可年夜幅下降人工本錢。尺度化——進步效力，如蒔植功課尺度化、工藝流程尺度化、栽培東西尺度化。智能化——簡略運營，經由過程完成調劑體系、生孩子治理和異常處置的智能化，削減運營本錢。可見，AI的立異利用是植物工場衝破生孩子瓶頸、節本增效、進級換代生孩子體系的焦點。
植物工場光周遭的狀況調控加倍精準，光效能效不竭晉陞
植物工場人工光源經過的事況了高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、熒光燈、LED燈等分歧成長階段，光效能效不竭晉陞。今朝，植物工場年夜多采用LED光照體系，以盡能夠最節能的方法為植物供給光一起配合用所需的正確光譜、強度和頻率。例如，美國Plenty公司的最新垂直農場舉措措施Tigris農場，全年采用LED照明；與其他舉措措施比擬，LED照明動力效力可以或許進步5倍。P包養網比擬lenty公司打算在其將來的農場中采用太陽能和風能發電，以進一個步驟下降動力本錢。今朝，全球LED燈的光電轉化效力為30%—40%。據國際動力署猜測，到2030年，LED照明效力估計將再進步70%，價錢也將連續降落，其在植物工場範疇的利用必將加倍普遍。
全球植物工場財產近年來成長敏捷，企業成為市場介入主體
今朝，在植物工場高技巧研發範疇，japan(日本)、美國、英國、新加坡等走活著界前列；同時，這些國度也在積極推動植物工場的貿易化利用和財產化推行。中國植物工場財產起步較晚，但成長勢頭微弱。北京、上海、廈門、深圳等年夜城市接踵樹立了多個示范性植物工場，在葉菜、藥用植物等作物的工場化生孩子方面獲得衝破。中國植物工場多少數字今朝已超250座，成為舉措措施多少數字僅次于japan(日本)的植物工場年夜國；同時，一批外鄉植物工場裝備制造企業敏捷突起，推進了全部財產鏈的完美。
植物工場主動化水平越來越高，正向智能化、無人化成長
作為技巧高度密集的財產形狀，植物工場觸及工程資料、環控設備、聰明決議計劃及幫助機械人等焦點技巧，慢慢完成了生孩子經過歷程的主動化，正在向無人化等標的目的成長。在荷蘭瓦赫寧根年夜學主辦的第二屆國際聰明溫室蒔植挑釁賽中，冠軍團隊采用AI和物聯網（IoT）等前沿技巧優化蒔植決議計劃，長途主動把持溫室蒔植，完成番茄蒔植每畝資本耗費削減16%，凈利潤增添121%。在第4屆該賽事上，獲勝團隊應用盤算機視覺技巧及機械進修技巧與算法將矮蠻人茄生孩子利潤晉陞2—3倍。蘇格蘭Intelligent Growth Solutions公司開闢的主動化體系，應用模塊化構造完成高效生孩子，可削減80%的休息力。2023年5月和12月，中國率先自立研發的無人化垂直植物工場先后在福建安溪（中國迷信院主導）和四川成都（中國農業迷信院主導）投進運營。
植物工場辦事年夜食糧平安的瓶頸題目
植物工場成長乏力最年夜的題目在于本錢過高。以今朝植物工場貿易利用最多的葉菜類蔬菜生孩子為例，初期扶植投資本錢約占總本錢的30%，觸及建筑與空間改革、裝置多層平面栽培架、LED燈具（占初期投資的20%—30%）、周遭的狀況把持裝備（如空調體系、透風體系等）、無土栽培裝備和主動化裝備、傳感器收集和中心把持體系等；動力本錢約占20%，包含人工光源和周遭的狀況把持能耗；運營本錢約占50%，此中人力本錢占運營本錢的近60%。下文就植物工場高本錢相干成因停止細致剖析。
適生作物缺少深度挖掘與種類匱乏。國外AeroFarms和Plenty等公司都以綠葉蔬菜生孩子為主；而國際投進運營的植物工場有200余座，範圍、種類、運營思緒各不雷同，但年夜大都仍是以蔬菜生孩子為主。固然也有對卵白飼草、水稻、小麥等停止植物工場平面化蒔植的研討測驗考試，但僅限于小範圍實驗階段，此刻全球還沒有一個真正的聰明植物工場食糧生孩子系統。
生孩子經過歷程高能耗與勞力本錢。植物工場的治理裝備重要仍是以半主動化和主動化機械為主，智能化機械占比缺乏10%，尤其是相干高端感知技巧、植物發展周遭的狀況調控模子算法、自立功課機械人等研發缺乏；同時，智能化妝備治理集成度低，周遭的狀況把持體系多采用經歷值設定，不克不及夠根據作物發展狀態及時調劑，生孩子技巧型人力耗費年夜。此外，植物工場仍存在光效低、能耗高的題目，招致體系運營本錢高，因此植物工場盈利艱苦。例如，今朝LED燈的光電轉化效力低于40%，轉化率還有待晉陞；即便采用節能LED燈具停止補光，因需逐日運轉12—18 h（如生菜天天需光照16 h），耗費的電力依然較高，占動力本錢的80%以上。
財產鏈扶植不完美，尚未構成安康有序的財產形式。植物工場財產鏈下游環節的裝備制造中，焦點LED照明、環控裝備、養分液體系等還存在技巧瓶頸，LED照明效力、周遭的狀況把持精度、養分液配方優化等方面仍有晉陞空間；中游環節的植物工場扶植和運營，觸及植物工場design建造和日常運營治理，需求整合多學科常識和技巧，經由過程範圍化生孩子、技巧立異和治理優化來下降生孩子本錢；下流環節的農產物發賣和深加工，包含農產物的brand扶植、營銷收集搭建、深加工產物開闢等，還需求打破市場認知瓶頸，進步花費者對植物工場產物的認知度和接收度。
多元化食品生孩子效能未獲得施展，財產利用場景缺少體系布局。今朝，植物工場貿易化利用多局限于都會農業場景的果蔬生孩子，缺少年夜食品不雅農業生孩子場景的研發。邇來，植物工場高產小麥、水稻實驗的勝利，“7天年夜麥芽草”工場化生孩子的利用，以及年夜豆、油菜的育種加快生孩子，為植物工場用于食糧、飼草等大批產物生孩子供給了實際基本和技巧支持。進而，需求兼顧計劃、體系布局，依據分歧區域的需求，婚配利用場景，扶植合適的植物工場生孩子體系，以充足施展植物工場多元化食品生孩子效能。
人工智能助力植物工場科技立異與降本增效
本文應用年夜數據剖析樹立了植物工場生孩子本錢精算模子（式1、表1），從而推算出主動化植物工場的成長急切需求處理適生公用型種類匱乏、能耗高、休息力本錢高和無配套生孩子設備等要害題目。
總體而言，需求鼎力利用AI發掘判定適生種質資本，解析植物工場前提下植物分子發育學基本和農藝性狀建成的分子紀律，精準design與疾速創制植物工場高產優質作物種類，研發主動化、尺度化、範圍化全流程生孩子設備與把持模塊。可以重要從4個方面來進步植物工場生孩子效力，下降生孩子本錢。
創制適心理想型種類，培養矮化、高產新種類，完成增添單元面積產量超50%。中國水稻研討所已勝利選育誕生長周期短、株型緊湊、高僅17.1 cm的水稻種類“小薇”；應用矮稈水稻種類在植物工場內完成60 d疾速收獲，年畝產可達39 t；對小麥、番茄、辣椒、黃瓜等浩繁作物都已先后展開了矮稈種類的選育和創制，以及基因的發掘和效能解析。國外多家機構結合展開的疾速育種技巧研討中，1年內可勝利繁育5—6代的小麥、年夜麥、豌豆、年夜豆和鷹嘴豆，以及4代的油菜（傳統溫室前提下1年內僅能繁育2—3代）。中國研討職員采用植物工場育種加快器用不到4年時光培養出“中生1號”生菜，其水培順應性好，較現有主栽種類減產55.9%。經由過程調劑光質和光周期，水稻可完成1年5代的繁育。應用幼胚培育技巧，聯合合適的光照和溫濕度前提，可停止棉花（1年3—4代）、高粱（1年4—5代）、燕麥和小黑麥（1年6—7代）的加快繁育（表2）。今朝，植物工場適生的優質高產作物品種仍非常匱乏，急需加大力度植物育種基本研討，培養植物工場公用新種類，積極創制矮稈、密植、低光需、高光效、優質、高產、快生型植物工場實用作物種類，以知足植物工場高效、集約化生孩子需求。同時，充足應用植物工場奇特的育種加快器效能，聯合AI年夜數據剖析與猜測才能，對種質資本停止挑選，對種類的周遭的狀況順應性停止評價，加速作物育種過程，以知足植物工場急需的優質種源。
創制太陽光無電光波導照明技巧，優化光源，完成下降照明能耗50%。人工光源是植物工場中植物發展發育的重要能量起源，也是招致植物工場高能耗、高運轉本錢最重要的緣由。應用光波導傳輸陽光的照明體系作為一種非電光源成為植物工場下降電能耗費的立異戰略。該技巧應用進步前輩的采光體系，選擇性地將室外太陽光的有用光合輻射部門引進室內，替換人工光照。相較于“太陽能—電能”最高25%的轉換效力而言，光應用效力最高可達70%。智能太陽光采集裝配可以依據太陽的地位和光照強度，主動調劑反射鏡和透鏡的角度，確保最年夜水平地采集和傳輸太陽光。聯合傳感器收集，智能調劑波導體系的光分派，防止光照不平均招致的植物發展差別。將聰明太陽光波波導技巧與LED光源相聯合，應用機械進修盤算及時的光照需乞降周遭的狀況前提，智能把持太陽光和LED光源的比例和切換，完成分歧氣象前提下光照的最優化應用，可極年夜水平地下降包養網植物工場的照明能耗。此外，樹立植物光反映特征數據庫，應用深度進修算法剖析分歧基因型植物對特定光譜的呼應，有助于加大力度植物特征發展光譜調制、LED光質配比組合光源創制、新型節能LED燈具design、光周遭的狀況精準調控等方面研討，從而進一個步驟下降植物工場照明能耗。
綜合應用乾淨動力，完成下降用電本錢50%以上。應用乾淨動力，扶植虛擬電廠、微動力網等多能互補綜合動力治理體系，將太陽能電池板、風力渦輪機、電網電池和植物工場等資本鏈接在一路，經由過程整合多種技巧調理電力的天生、存儲、分派和耗費，從而下降植物工場的電力應用本錢。同時，聯合AI技巧，經由過程對工場生孩子動力耗費的及時監測，以及對將來一段時光動力需求的精準猜測，輔助企業制訂更公道的動力應用和采購打算。今朝，在取得農業用電補助情形下，我國植物工場生孩子運營所用電價凡是在0.4—0.6元/千瓦時不等；而在乾淨動力豐盛的地域（如內蒙古、寧夏等地），電價可下降至0.2—0.3元/千瓦時，能直接將植物工場的用電本錢下降一半以上。
構建數字孿生與AI年夜模子，晉陞主動化程度和精準環控技巧才能，完成下降90%運維人力本錢。AI技巧在植物工場中的利用重要表現在周遭的狀況智能把持、作物發展猜測與優化、病蟲害智能辨認與防治，以及主動化蒔植與收獲等方面（圖2）。經由過程安排各類傳感器和物聯網裝備，AI體系可以或許及時監測和調理各項周遭的狀況參數，為作物發展發明最佳前提。經由過程對植包養網物工場的生孩子全經過歷程和作物發展全性命周期停止數字孿生建模，應用深度進修算法從多維度數據中發掘出影響作物發展的要害原因，聯合AI年夜模子技巧構建可以或許支撐作物發展模仿與經過歷程可視化的孿生模子，猜測作物發展趨向和產量，并優化蒔植戰略。此外，機械人技巧和盤算機視覺的聯合，能完成收穫、移栽、修剪、收獲等功課的主動化，從而削減人力本錢，年夜幅進步生孩子效力。
植物工場利用場景與財產布局
擴展生孩子範圍可以有用攤薄植物工場的昂揚本錢，但現階段植物工場貿易化生孩子利用場景僅限于果蔬類（尤其是葉菜類）的生孩子，市場範圍無限。將植物工場生孩子體系對接大批低級農產物的保供不只可以有用處理範圍題目，并能打造分歧的利用場景，對接多元化食品供應國度計謀，將極年夜轉變今朝植物工場成長窘境。至多，在我國有如下4類利用場景值得測驗考試（圖3）。
內陸荒涼鹽堿區糧油飼草植物工場生孩子體系。新疆天山以南、甘肅、寧夏、青海和內蒙古西部是國度新動力重點布局區域，有著豐盛的光熱，有些區域如新疆阿克蘇的部門縣市每年無霜期有近250 d，還有廣袤的鹽堿、荒涼資本和豐盛的淺層苦咸水資本。在這些地域成長乾淨動力驅動的植物工場，可全年不中斷地生孩子糧、油、飼草等作物。
農牧交織帶入口卵白替換植物工場生孩子體系。我國傳統的畜牧養殖多分布在“胡煥庸線”界定的農牧交織帶。因該區域未幾于400 mm的年降雨量，極易形成過牧和草場退步，是我國典範的生態懦弱區。可是，此區域有著豐盛的光能和風能資本。例如，吉林白城、內蒙古赤峰和通遼等是典範的“風能城”。在該區域成長入口卵白替換植物工場生孩子體系，可直接為本地畜牧養殖供給優質飼草和卵白，節儉養殖本錢并維護生態。
濱海區乾淨動力耦合灘涂與遠洋養殖的植物工場生孩子體系。我國北起遼寧盤錦、南至江蘇鹽城的寬大環渤海區有著豐盛的沿海灘涂和遠洋水域，是我國“陸地牧場”的重點成長區域。應用海優勢能成長灘涂和海上畜牧養殖和水產養殖將極年夜節儉能耗和地盤資本。荷蘭應用放棄船艦展開海上奶牛養殖、中國最新成長海上乾淨動力浮島生孩子體系都長短常有創意的勇敢立異。
一、二線都會優質果蔬與效能食品植物工場生孩子體系。古代都會生涯中，人們尋求高品德，愿意為年夜安康產物花費。應用都會成熟完美的儲能科技和豐盛余熱尾氣作為動力，在植物工場內培養特點風味、花青素和類黃酮高、加強免疫效能等果蔬與效能食品品類，可為快節拍、高強度任務壓力下的都會居平易近供給抗朽邁疲憊、強化機體效能的“藥食同源”選項。
聰明植物工場成長提出
布局聰明植物工場前沿科技計謀，處理基本生物學和工程題目。聰明植物工場是國際高技巧競爭的主要範疇，但光源光效低、體系能耗年夜、作物品德調控與多因子協同管控難等要害技巧困難仍未衝破。在技巧立異與本錢把持方面，需加年夜研發投進，推進AI技巧在植物工場範疇的立異利用；同時，激勵產學研一起配合，增進技巧結果轉化，進步技巧利用的性價比。在智能化妝備與治理決議計劃體系、新型光源與光能有用應用、可再生動力轉化應用、新型作物種類改進與創制等方面停止科技立異，首創植物工場重生產系統，推進植物工場技巧再進級，樹立植物工場新業態。
繚繞乾淨動力豐沛區域，計劃聰明植物工場財產集群，完成資本高效應用。在我國西部風景資本豐盛的荒涼鹽堿地域及農牧交織帶區域，經由過程低電價甚至負電價吸引設備制造企業投資扶植聰明植物工場，可以開闢新的地盤資本應用，消納光伏、風電等乾淨動力。同時，聯合這些地域的畜牧財產，開闢年夜豆替換的高卵白飼草產物 TC:sugarpopular900
