杨其长等：智慧植物工厂发展历程及展望.pdf

专论与综述 智慧植物工厂发展历程及展望 杨其长1 白音巴特尔1 程瑞锋2 1 中国农业科学院都市农业研究所 成都 610213 2 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 北京 100081 摘 要 随着现代工业 信息技术与生物技术的交叉融合 现代农业新兴产业形态不断涌现 植物工厂作为新型农业生 产模式备受关注 该文系统介绍了国内外植物工厂发展现状与技术进展 回顾了不同国家和地区的发展历程 建设规模 应用领域与产业布局 剖析了半导体光源 节能环境控制 营养液栽培等核心技术的突破与创新 并对植物工厂作物生 长机制解析 新型节能方法以及栽培模式创新等热点问题进行了分析 提出了智能化 绿色化 产业化的未来发展方向 针对当前植物工厂商业化应用面临的瓶颈 如建设和运营成本高 技术标准不完善 市场认知度低等问题 从政策支持 技术创新 产业协同等角度提出了战略对策 并对后续研究重点和产业化发展提出了建议 研究方向上要结合基础理论 与应用技术 注重跨学科创新 产业发展上需加强规划引导 培育龙头企业 完善产业链配套 以提升产业竞争力 实 现可持续发展 该文可为植物工厂领域的科研人员 产业从业者以及政策制定者提供有益的借鉴与参考 助力突破商业 化应用瓶颈 加速植物工厂产业化进程 推动现代农业高质量发展 关键词 设施农业 植物工厂 人工智能 垂直农业 都市农业 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202507145 中图分类号 S126 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2026 03 0097 10 杨其长 白音巴特尔 程瑞锋 智慧植物工厂发展历程及展望 J 农业工程学报 2026 42 3 97 106 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202507145 http www tcsae org YANG Qichang BAIYIN Bateer CHENG Ruifeng Current situation and trend of smart plant factory J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2026 42 3 97 106 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 202507145 http www tcsae org 0 引 言 近年来 植物工厂在全球范围内迅速崛起 成为 备受瞩目的产业热点 国际知名咨询机构Mordor Intelligence于 2023年发布的预测显示 未来5 a世界植 物工厂产业将进入快速发展的黄金时期 年均增长率将 超过10 其中 欧洲地区发展尤为迅猛 植物工厂年 均增长率将达22 以上 至2029年 欧洲植物工厂市场 规模有望达41 9亿美元 约合人民币303亿元 1 与 此同时 美国纽约基金公司Insight Partners预测显示 2028年全球植物工厂市场规模将飙升至198 64亿美元 约合人民币1 438亿元 2 面对如此广阔的市场前景 和巨大的发展潜力 众多国际知名企业纷纷将目光投向 植物工厂领域 积极投身技术研发与产业化推广 如西门子 Siemens 3 飞利浦 Philips 4 三菱 Mitsubishi 5 等跨国巨头凭借其雄厚的技术实力和丰 富的产业经验 在植物工厂的技术创新和产业布局上开 展激烈角逐 6 而国内的京东 7 中科三安 8 木林森 9 四维生态等企业也不甘示弱 积极参与到这场全球竞争 中 为植物工厂的发展注入了新的活力 在这些企业的 共同推动下 全球植物工厂呈现出极为活跃的发展势头 植物工厂作为一种高度集约化与智能化的农业生产 形态 是通过设施内高精度环境控制以达成作物周年连 续生产的高效农业系统 10 在该系统中 计算机发挥着 核心作用 通过智能感知 决策模型与智慧管控系统实 现对作物生长过程的温度 11 湿度 12 光照 13 CO2浓 度 14 以及营养液组分与浓度 15 等关键环境要素的自动 控制 从而使作物生产能够摆脱自然条件的束缚 实现 不间断生产 植物工厂的建设与运行充分整合了一系列 前沿技术 包括新型材料的应用 16 半导体光源的开 发 17 生物技术的结合 18 营养液栽培技术的优化以及 智慧决策系统的融入 甚至还引入人工智能 AI 与机 器人等先进手段 19 呈现出显著的技术密集型特征 多 年来植物工厂凭借其对多学科 多领域前沿技术的融合 应用 植物工厂多年来一直被国际学术界和产业界公认 为设施农业发展的最高级阶段 并因其技术的引领性和 巨大的发展潜力 受到世界各国政府 科研机构及企业 的广泛关注与高度重视 20 1 植物工厂的发展驱动因素 植物工厂之所以在世界范围内引发广泛关注 其原 因是多元且复杂的 其一 全球人口呈现快速增长态势 与此同时 可用于耕种的土地却在持续缩减 根据联合 国粮食及农业组织 FAO 的预测 到2050年 全球人 口将达95亿 食物需求相较于当前水平将增长超过70 而人均耕地面积则比现在减少20 以上 21 如何凭借有 限的耕地资源 去满足人们日益增长的食物需求 已然 收稿日期 2025 07 18 修订日期 2025 11 28 基金项目 国家重点研发计划项目 2023YFF1001500 中央公益性科研 院所基本科研业务费专项 S2024001 四川省科技计划国际科技创新合 作项目 2025YFHZ0183 中国农业科学院科技创新工程项目 ASTIP 作者简介 杨其长 博士 研究员 博士生导师 研究方向为设施园艺环 境工程 Email yangqichang 第 42 卷 第 3 期农 业 工 程 学 报 Vol 42 No 3 2026 年 2 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb 2026 97 成为一个亟待解决的全球性重大难题 22 其二 伴随城 市化进程的加速以及人们生活品质的稳步提升 公众对 于洁净 安全农产品的需求愈发强烈 23 这种不断增长 的品质需求 有力地推动了健康食物生产方式的重大革 新 其三 农业从业人员老龄化问题愈发严峻 年轻人 从事农业的意愿持续降低 以中国 日本等国为例 超 过60 的农业劳动力年龄在60岁以上 如何吸引年轻 劳动力投身农业 已经成为全球共同关注的焦点议题 10 植物工厂作为一种新兴的产业形态 在解决诸多难 题方面展现出独特优势 24 主要包括 1 土地资源利 用率高 叶菜一年可收获15 18茬 栽培层数可达20 层以上 单位面积产能达露地栽培的100倍以上 2 机械化与自动化程度高 植物生长的环境和营养等要素 能实现智能化控制 定植 移栽 上下架 包装等均可 由智能机械甚至机器人辅助完成 舒适的工作环境有助 于吸引大量年轻人务农 3 不施用农药且无重金属污 染 产品洁净安全 可满足居民对高品质农产品的迫切 需求 植物工厂的这些独特优势为世界各国应对人口增 长 资源紧缺 洁净安全食物需求上升以及农业劳动力 不足等难题提供了有效的途径 故而受到广泛重视 10 2 植物工厂的发展历程回顾 自20世纪50年代起 人工模拟环境与气候控制 技术 以及 营养液栽培技术 相继取得关键突破 为 植物工厂的发展奠定了坚实基础 25 随后 植物工厂率 先在欧美等发达国家得以应用 历经一代又一代科研人 员的不懈努力 不断推动技术革新与产业化进程 至今 植物工厂已然走过了70多个春秋的发展历程 图1 1950 1990年1991 2008年2009 至今 光源主要采用高压钠灯 环境与营养控制技术单一 少量用于商业化生产 高压钠灯逐渐被荧光灯取代 智能化控制水平提高 商业化应用逐渐增多 LED光源广泛应用 光环境调控技术取得突破 智慧管控技术水平提高 试验探索阶段示范应用阶段稳定发展 快速发展阶段 图1 国际植物工厂发展历程 Fig 1 The international development history of plant factories 2 1 国际植物工厂发展历程 1957年 丹麦的约克里斯顿农场成功建成了世界上 首座植物工厂 这座工厂占地面积1 000 m2 采用人工 光与自然光并用的模式 主要栽培作物为水芹 从播种 到收获整个流程 采用全自动的传送带流水作业 实现 了高效生产 年产量高达400万袋水芹 约100万kg 1960年 美国通用电气公司率先开启了人工光植物工厂 的研发之旅 成为该领域的先驱 1963年 奥地利的卢 斯那公司建成了一座高30 m的塔式植物工厂 该工厂采 用上下传送带旋转式的立体栽培方式 完全依靠人工光 源种植生菜 这种创新的栽培模式为植物工厂的发展提 供了新的思路 20世纪60 70年代 植物工厂的研发 领域迎来了众多企业的积极参与 美国的通用食品公司 赛纳拉鲁米勒斯公司 依法德法姆公司 以及荷兰的飞 利浦 日本的日立 三菱重工等多家企业纷纷涉足其中 为植物工厂技术的发展注入了强大的动力 1974年 日 本日立制作所中央研究所的高辻正基等人开启了人工光 植物工厂的系统研究 经过多年的努力 1983年 在静 冈三浦农场推出了日本第一个真正意义上的人工光植物 工厂 该工厂采用了三角板气雾培与平面式水耕培两种 方式 展现了多样化的栽培技术 在这一时期 植物工 厂主要采用高压钠灯作为人工光源 直到20世纪90年 代 荧光灯才开始取代高压钠灯 然而 这两种光源都 存在发热量较大 能耗高的问题 限制了它们的广泛应 用 截止到20世纪90年代末 日本拥有约20座人工光 植物工厂 10 21世纪以来 新技术的不断引入为植物工厂产业带 来了崭新的变革 26 蓝光LED的问世以及红蓝LED组 合光源的成功研制 再加上基于网络的智能化控制技术 的应用 27 植物工厂实现了关键技术的重大突破 光源 能耗显著降低 栽培层间距缩短至约0 4 m左右 空间 利用率得到显著提高 能效比实现了大幅度提升 至此 植物工厂产业迈入了快速发展阶段 在日本 植物工厂 的发展态势十分迅猛 2009年 日本的植物工厂数量达 到32座 到2022年 增长至约300座 其中 位于宫 城县多贺市的LED植物工厂 占地面积2 300 m2 配备 15层立体栽培架 日产叶菜10 000棵 大阪府立大学 的LED植物工厂 占地面积550 m2 竖向栽培18层 日产叶菜5 300棵 韩国自2009年起 一些科教单位与 企业携手开展人工光植物工厂的研发工作 短短几年间 便相继推出了10多个型号的植物工厂产品 目前 韩国 已建成的植物工厂约有40座 其中利用废弃隧道建成的 植物生产系统面积达9 000 m2 近年来 美国借助政府 支持和金融资本介入等手段 积极开展种苗 芽苗菜 叶菜 大麻等植物工厂的研发与产业化应用 先后建成 了芝加哥大厦农场 Oishii草莓工厂等多个示范工程 欧洲各国则从节能和降低运行成本的角度出发 积极推 进植物工厂的研发和产业化应用 英国琼斯食品公司在 布里斯托建成栽培面积达15 000 m2 年产叶菜1 000 t的 植物工厂 展现了欧洲在植物工厂领域的前瞻性布局和 实践 2 2 国内植物工厂发展历程 相较于国际上部分起步较早的国家 中国植物工厂 的发展虽然起步较晚 但发展势头极为迅猛 目前中国 已然跻身世界上规模最大的植物工厂生产国之列 10 2006年3月 中国农业科学院建成了国内首座面积为 20 m2的小型LED植物工厂试验系统 开启了中国植物 工厂技术研发序幕 经过多年的技术积累与探索 2009 年9月 国内第一例商业植物工厂在吉林长春落成 其 面积达200 m2 这一标志性事件 宣告中国植物工厂正 式踏入商业化应用新阶段 截至2023年底 中国在植物 工厂领域已取得了显著的成果 实际运行且具备一定规 模的人工光植物工厂数量超过250座 广泛分布于广东 北京 上海 福建 浙江 江苏 山东 陕西 成都等 98农业工程学报 http www tcsae org 2026 年 20多个省市自治区 在垂直 无人化植物工厂领域 中 国农业科学院都市农业研究所 中科三安以及珠海益品 等单位都取得了显著进展 中国农业科学院都市农业研 究所着重技术研发与创新 深入研究垂直空间中植物生 长特性 构建高效垂直种植架构 提升土地利用率 在 无人化方面 运用传感器网络和人工智能算法精准调控 环境 研发的机器人可完成多项农事操作 并通过示范 基地将成果推广 举办活动传播技术 中科三安凭借光 电领域优势 专注植物照明技术 开发适用于不同植物 生长阶段的专用LED照明光谱 推动植物健康生长 同 时 该公司积极开展大规模产业化布局 打造高度自动 化 智能化的大型植物工厂项目 降低成本并提升竞争 力 珠海益品通过与华南农业大学等科教单位合作 开 发出全产业链无人化植物工厂 近年来 中国植物工厂 产业应用场景愈发多元化 不仅用于传统农产品种植 还拓展到快速育种 药用植物等领域 部分植物工厂还 与城市景观 休闲农业结合 创造都市农业新业态 3 智慧植物工厂技术进展 智慧植物工厂是现代设施农业发展的高级形态 19 全面彰显了智慧化的魅力 在环境管控智能化方面 它 借助智能LED光源实现智慧调光 能根据植物不同生长 阶段精准供给特定光谱组合 还可精确控制光照强度与 时长 提高光能利用率并缩短生长周期 通过传感器实 时监测营养液参数 自动精准调配营养液 避免资源浪 费 同时能综合调控温湿度 气体成分等环境因子 28 减少病虫害 智慧植物工厂具有生产过程自动化 无人 化特征显著 各设备在中央控制系统协调下协同运行 并实现数据共享 为决策提供依据 播种 移栽 传送 收获等作业由机器人辅助完成 保证操作精准性 29 全 自动生产线结合远程监控管理 实现无人化操作 采用 数据融合技术进行智慧化决策 多传感器融合实时采集 并传输各类数据 30 运用大数据分析和人工智能算法 深入挖掘数据规律 实现智能预测和决策 31 植物工厂 系统组成如图2所示 采用自适应控制策略和闭环控制 系统 根据植物实际生长情况自动调整环境参数和设备 运行状态 确保植物始终处于最佳生长环境 实现作物 的高效 优质 安全生产 Intelligent control system 5G Accessory machines Air ventilation and purification IoT sensors Fertigation system Artificial lighting system Heat ray interception Temperature control system Humidity control system Phenotyping CO2 control system 图2 植物工厂系统组成图 32 Fig 2 The composition of plant factory system 32 3 1 植物工厂光效提升与节能技术 随着半导体新材料技术的持续创新 LED的发光效 率逐年攀升 与此同时 有关单色光谱对植物光生物学 影响机理的研究 以及光配方大数据的研究进程不断加 速 这些进展共同推动植物工厂LED光效提升技术的重 大突破 基于植物体光合叶绿素吸收峰主要集中在红光 与蓝光波段这一已知生物学原理 科研人员创制出以红 蓝LED为主体的植物照明光源 这一创新成果大幅削减 了无效光谱 对光合作用无贡献的光谱 所产生的能耗 并且 随着LED芯片与封装技术的不断改进 LED光 源的发光效率显著提高 20年前 其发光效率低于 1 mol J 而如今已提升至4 1 mol J的水平 33 通过探 究单色光质影响植物光合生理的机制 科研人员全面掌 握植物工厂环境下不同作物品种 不同生育期的光配方 优化参数 34 有力地推动了基于光配方的植物LED节能 光源技术的进步 并促进其产业化应用 目前 通过探 究以植物光合需求为目标的光环境优化控制参数 植物 全生育期动态光环境智能调控技术取得突破性进展 光配方 能够根据植物不同生长阶段的光合需求 精 准调控光环境 同时 利用垂直移动LED光源装置 能 够构建基于植株高度变化的动态光源系统 35 这一系统 可根据植株生长过程中的高度变化 动态调整光源位置 和光照强度 进一步提高光能利用效率 此外 对激光 植物光生物学机理及其光源系统的研发与应用 推动了 植物工厂新型光源及节能光环境控制技术的重大突破 有效降低了系统能耗 36 如图3 37 所示 这些技术的综 合应用 为植物工厂的高效 节能生产提供了坚实的技 术支撑 38 Cyber Physical Biological AI system Data driven MPC framework Deep learning model AI Based model CO2 enrichment Heating 2 Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture Chinese Academy of Agricultural Sciences Beijing 100081 China Abstract Plant factory is a highly intensive technology driven agricultural production system that enables year round continuous crop cultivation within fully enclosed or semi enclosed facilities through precise computer controlled management of environmental factors such as light temperature humidity carbon dioxide concentration and nutrient solutions Regarded as the most advanced stage of facility agriculture it fundamentally decouples food production from traditional constraints like arable land climate and seasonality The global impetus for its development stems from a confluence of pressing challenges rapid population growth projected to reach 9 5 billion by 2050 concurrent contraction of per capita arable land increasing consumer demand for clean safe and pesticide free produce and a severe aging crisis within the agricultural workforce In response the plant factory industry has witnessed explosive growth with market analysts predicting a compound annual growth rate exceeding ten percent and a market value soaring into tens of billions of United States dollars within the next five to ten years This article provides a comprehensive systematic review of the global plant factory sector It traces the historical evolution of the technology over seven decades from early pioneering systems in Denmark and the United States in the 1950s to the contemporary era of innovation led by light emitting diode lighting and digital automation The review highlights the distinct development trajectories in different regions the early technological leadership and sustained policy support in Japan the rapid scaling and venture capital driven models in the United States and Europe and the remarkably swift large scale industrialization in China which despite a later start has leveraged significant investment and manufacturing prowess to become a global leader in both the number and scale of operational facilities The core of the discussion focuses on recent technological advancements that define the modern smart plant factory These include 1 Light Efficiency Enhancement primarily through the adoption and optimization of light emitting diode lighting systems where research into light recipes meaning spectral composition intensity and photoperiod tailored to specific crops and growth stages has dramatically improved photon efficacy and reduced energy consumption 2 Vertical Spatial Expansion involving multi layer cultivation racking systems that increase land use efficiency by over 100 times though this introduces complex challenges in maintaining uniform environmental conditions across layers and 3 Mechanization Automation and Intelligent Decision Making encompassing robotics for seeding transplanting and harvesting integrated sensor networks for real time monitoring and the application of data analysis artificial intelligence and predictive models for optimized climate and nutrient management Despite its promise the path to widespread commercialization is hindered by significant bottlenecks The primary constraints are the high capital expenditure for infrastructure and specialized equipment and the substantial operational expenditure dominated by electricity costs for lighting and cooling which can account for 25 30 of costs These factors contribute to challenging economics with many facilities struggling to achieve profitability without premium product pricing Furthermore cultivating consumer recognition and a differentiated market for plant factory products remains a protracted endeavor in many regions To overcome these barriers and unlock sustainable growth a multi faceted strategic approach is necessary In technology continuous research and development is crucial to further drive down energy consumption for example through next generation light emitting diodes and efficient heating ventilation and air conditioning designs and automate labor intensive tasks In economic strategies must focus on reducing both capital expenditure via standardized modular designs and use of existing urban spaces and operational expenditure through energy innovations In politics government support in the form of strategic research and development funding subsidies for energy efficiency and policies that incentivize urban agriculture integration are vital In Social public engagement and education are needed to build market acceptance for the value proposition of locally grown consistent and ultra fresh produce In conclusion plant factories represent a transformative model for sustainable and resilient food production Their future success hinges on synergistic advancements across technology business models and supportive policy frameworks By addressing the current challenges plant factories have the potential to play an increasingly critical role in enhancing food security reducing the environmental footprint of agriculture and creating a stable high technology food supply chain for urban Keywords facility agriculture plant factory artificial intelligence vertical farming urban agriculture 106农业工程学报 http www tcsae org 2026 年