与大棚种植相比，成都“超级植物工厂”的最大特点是让农业生产完全摆脱了对自然环境的依赖
真正让植物工厂走向规模化商业应用的，是中国科学家多年来的不懈探索
我们的目标，是让垂直植物工厂走进千家万户，让每个城市都有“农业摩天大楼”
文 |《瞭望》新闻周刊记者 李力可
清晨，成都温江区朝阳初升，唤醒天府之国的田野，中国农业科学院都市农业研究所的“超级植物工厂”内，一场“生长奇迹”正不分昼夜地上演。
严格消杀后走进工厂“车间”，迎面是层层叠叠的种植架，一株株草莓在LED灯的照射下健康生长。技术人员“全副武装”，检查不同品种草莓的生长状况：“这一茬草莓7月栽种，现在已经成熟采摘。”
站在车间玻璃幕墙前，工厂负责人、中国农业科学院都市农业研究所副研究员彭洁指着墙上的监控屏幕说，与大棚种植相比，“超级植物工厂”最大特点是让农业生产完全摆脱了对自然环境的依赖。
这座“超级植物工厂”，由中国农业科学院科研团队打造。通过多层垂直种植、环境精准控制、模块化设计、人工智能管理，实现植物在完全由人工营造的“最优环境”里，以远超自然环境的效率生长。推动农业生产从田间地头向更高效、智能、可控的方向发展，在农业生产方式上引发一场面向未来的变革。
在中国农业科学院都市农业研究所“超级植物工厂”，工作人员正在对草莓进行管护（2025 年 8 月 19 日摄） 李力可摄 / 本刊
垂直植物工厂的中国探索
当耕地被不断扩张的城市挤压，当极端气候变化扰乱农业生产……如何在有限的耕地上实现农业的可持续发展？
“像工业生产线一样高效，像实验室一样精准，抬高农业天花板，这是植物工厂应该呈现的样子。”谈到植物工厂的愿景，中国植物工厂奠基人、中国农业科学院都市农业研究所首席科学家杨其长充满信心。
植物工厂的历史，最早可以追溯到20世纪50年代的丹麦，随后美国、奥地利等欧美国家迅速跟进。美国国家航空航天局（NASA）为解决太空食物供应问题，研究植物工厂技术，以实现“封闭环境下的植物种植”。日本从1974年开始研发植物工厂，建成了国际上最早的商用型植物工厂。
受传统光源能耗成本的限制，植物工厂商业化应用一直较为缓慢。真正让植物工厂走向规模化商业应用的，是中国科学家多年来的不懈探索。
20世纪80年代，还是农业机械专业大学生的杨其长关注到国外对植物工厂的研究，他意识到这种技术未来可能对中国农业产生深远影响。作为从农村走出来的大学生，想起小时候一家人吃不饱饭的日子，看到父辈在土地上辛勤劳作仍难以摆脱贫困，心中埋下了通过科学技术改变农业落后面貌的理想。
2005年，在荷兰瓦赫宁根大学访学期间，杨其长看到一位外国同事研究如何将发光二极管（LED）作为植物栽培的光源，让一直在寻找植物工厂光源解决方案的杨其长眼前一亮。
“那时国际上的植物工厂方案都采用不可调光的荧光灯或高压钠灯，能耗大，易发热，靠近照射时可能把植物‘烤死’。”当时，杨其长和中国农业科学院的同事们正在研究植物工厂技术，一度苦于没有合适的光源，这次偶然发现，让难题有了突破口。
“LED光源光谱可调、不发热、能耗低、寿命长，但当时国内找到合适的LED光源不容易。”几经周折，杨其长团队终于以1平方米10万元的价格装配了第一块用于实验的LED光源板。
杨其长带领团队迅速投入到LED光源的研发与优化中，“当时欧美、日本的水培技术、人工光技术都已经有了积累，我们弯道超车的机会在鲜有人涉足的LED光源上。”
通过不断试验不同波长的LED灯光组合，杨其长团队希望找到最适宜植物生长的光谱配方。
“不是所有光谱植物都可以吸收，比如植物是绿色的，就不怎么吸收绿光。”杨其长团队重点研究红光和蓝光对植物生长的影响。他们还发现，一些信号光谱如红外光能够增大叶片面积，具有促进光合作用的功能；紫外光有助于提高作物品质，能让作物在苗期生长得更加健壮。
2009年，杨其长团队研制出国内首个商业化植物工厂并在长春成功展出，这个200平方米的植物工厂，标志着中国植物工厂技术从实验室走向了商业化应用。
此后，杨其长团队继续开发了家庭植物工厂，应用物联网技术，让用户远程控制植物生长的环境参数，实现了家庭用户在家中种植蔬菜和经营小型农作物的可能。
为引发农业质变播种
垂直植物工厂的背后，是中国科研工作者多年对植物生长规律的深度理解，转化出一套完整的技术体系、种植模式，让植物生长摆脱对自然环境的依赖，推动农业领域发生根本性变革。
——科学调配“光配方”，作物生长提效、节能双突破。
光是植物生长的核心能量来源，不同植物在不同生长阶段对光的需求各不相同。杨其长团队基于对植物光生物学的深入研究，提出了“光配方”概念，根据不同作物的生长特性，科学调配不同波长光谱比例，构建了75种作物、1200多种光配方，实现了光的精准调控。
光的精准调控一方面大幅缩短作物生长周期。以生菜为例，大田种植的生菜成熟期通常需要约70天，温室大棚需要约55天，垂直植物工厂把生菜成熟的周期缩短到35天左右。
另一方面有效降低作物生产能耗。据了解，光的能耗成本占垂直植物工厂成本的60%，通过优化光谱组合，杨其长团队将每公斤蔬菜所需电量从10度以上降低到了7.2度。
——充分利用垂直空间，单位面积“产量翻番”。
在成都“超级植物工厂”中，每个生产车间都布置了数层到十几层不等的种植架，一个工人可以完成整个车间的管理与维护；生菜工厂则利用机器人，实现对20层种植架的自动管理。
“垂直布局是植物工厂实现高效生产的关键。”杨其长说，多层立体种植模式充分利用了空间资源，提升单位面积种植效率，人力成本大幅下降。
以草莓为例，工厂总面积2200平方米，共有5个车间立体栽培草莓，除去其他设施空间，每个车间种植草莓的面积只有200多平方米，实际种植面积相当于3～4亩普通农田，整个工厂种植草莓株数达13万多株，每天产量400斤，全年产量73吨，产能是传统露地草莓的30～40倍。
——精准调控环境要素，定制“高附加值”品种，作物价值与市场需求深度绑定。
成都“超级植物工厂”的特点之一，是能够对环境要素精准调控。在这里，植物的每一滴水、每一份养分、每一个灯光都精确调配，二氧化碳也能实现精确补给，所有车间的温湿度都精准控制。
特点之二，是能够保持车间的洁净。彭洁说，工厂的空气和灌溉用水都经过过滤系统处理，确保车间达到十万级洁净度标准，为植物提供纯净的生长环境。偶有病虫害，也可通过生物防治技术治理，最大程度减少农药使用。
这些特点能够定向增强作物的特定功能性成分，生产出高附加值农产品。
“目前，受生产成本限制，不是所有作物都适合在垂直植物工厂里种植。”彭洁说，“我们选择品种的标准是‘高附加值、高需求、高差异化’。”比如草莓存在施用农药多、不能周年供应的痛点，消费者愿意为安全、新鲜买单；又如丹参、黄芪等中药材，药企需要“无重金属、无农药残留”种苗，垂直植物工厂刚好能满足这些需求；再如富硒油菜，通过营养液添加硒元素，让油菜的硒含量达到“功能性食品”标准，这种油菜产品可以作为食品、药品及护肤品的生产原料。
“未来，垂直植物工厂将成为工业与农业结合的样板，作为多样化产品的上游原料供应基地，根据下游产业的需求，生产不同功能成分的作物原料。目前已有十多种功能植物正在进行培育实验。”彭洁说。
让每个城市都有“农业摩天大楼”
“垂直植物工厂不是完全替代传统农业，而是传统农业的补充。它能在传统农业做不到的地方，做传统农业做不到的事。”杨其长认为，在全球气候变化、城镇化率不断提高的背景下，未来，农业将不再是“靠天吃饭”的传统产业，而是“技术驱动”的超级产业，垂直植物工厂将成为保障食物安全的重要手段。我们的目标，是让垂直植物工厂走进千家万户，让每个城市都有“农业摩天大楼”。
为实现这一愿景，中国科学家们正加速探索垂直植物工厂与人工智能技术的深度融合。
“通过智能感知、数据分析和自动控制等技术手段，让人工智能优化种植技术方案、改进管理方式，实现与硬件设备的高效协同调控，使垂直植物工厂更加智慧。”杨其长说。
同时，垂直植物工厂还将进一步优化技术，降低能耗成本，提升资源利用效率。“我们未来的目标是将光源能耗进一步降低至每公斤蔬菜4度电左右，让垂直植物工厂蔬菜的生产成本接近大棚蔬菜。”杨其长说。
“我们还将与种苗企业合作，在垂直植物工厂将育苗时间缩短一半，实现规模化高效育苗。”彭洁说。
在专业人士看来，各项技术的不断深化应用让垂直植物工厂成为“探索未来农业”的试验场，不断拓展农业生产场景：
在中东沙漠，利用当地廉价的油气资源发电，建设垂直植物工厂已成为解决粮食安全问题的新尝试；在新疆，戈壁沙漠节能温室正探索如何在沙漠极端气候条件下实现高效产出……
这，就是垂直植物工厂探索的未来农业，它让人类对未来农业的想象不再是遥远的未来，而是触手可及的现在。■
