前言
LED应用大体分视觉类与非视觉类，视觉类的应用有LED照明技术，非视觉类分植物光合与医疗保健，其中，LED植物光合应用（我们称之为植物人工辐射源PARS）将是与LED照明技术一样成为LED技术最大的应用市场。本文阐述植物工厂的整体概念和技术要点，论证了尖端科技融合的植物工厂的发展，展示了植物工厂作为现代农业创新科技的应用，植物工厂从根本上改变农业种植的概念，植物工厂标志着设施农业发展的高级阶段，是最具有投资价值的新型产业。在城市内建立以生产蔬菜为目的的植物工厂成为世界各国竞相发展的新领域。
1、概述
植物工厂PF（Plant Factory）是农业种植工业化的产物，是21世纪蔬菜种植发展方向，它标志着设施农业发展的高级阶段，是未来10年最具有投资价值的新型产业。在城市内建立以生产蔬菜为目的的植物工厂成为世界各国竞相发展的新领域。
植物工厂最主要的特征是打破传统蔬菜生产模式，通过对植物光合、温度、二氧化碳浓度、营养液等实现人工控制的高效率种植，实现订单化生产，蔬菜的生产周期不会因为天气等原因而改变，生产的蔬菜是真正的安全型蔬菜，水耕法（无土培植）是植物工厂的主要手段，层架式结构是主要形式，随着以LED技术为基础的植物人工辐射源（PARS）的应用成本进一步降低，植物工厂将迎来发展的黄金期。
植物工厂成为投资热点的主要原因：
1) 种植环境恶化，食品安全，医疗费用增加等对蔬菜的安全性要求增加。
2) 全球气候变迁的不确定性增加，水资源减少与土地沙漠化使得传统农业遇到困境。
3) 城市化进程带来的城市人口增加，蔬菜供应增大，而土地资源却不断减少。
4) 传统农业生产引发的环境负担不断增加。
5) 城市蔬菜供给的物流成本增加，城市蔬菜价格上升，提供了产品盈利空间。
6) 为追求产量而在蔬菜种植中使用农药和防虫剂，蔬菜污染忧虑增加。
7) 土地的重金属污染与浇灌用水的工业污染问题突出。
8) 太阳能与风能等清洁能源的应用规模不断扩大，地热应用技术也逐步应用。
9）LED技术的应用成本下降，多波段光质应用。
2、植物工厂定义
植物工厂的定义：植物工厂是一个采用人工种植环境，实现全年固定周期量产，实现循环订单化生产，稳定地提供无公害蔬菜的封闭的清洁生产环境。在这个环境里，植物的光合作用（光质，光量，光周期）、温度、湿度、二氧化碳浓度、培养液成分、生产过程等都可以得到计算机与传感器的有效控制，是以科学为基础且独立于经验和直觉的新型农业生产。
植物工厂的优点：
1) 产品是按照订单生产，生产周期与产量可以稳定。
2) 采用植物人工辐射源与温度控制系统，不受地区气候条件的影响。
3) 封闭的立体化种植，节省土地资源和防止污染。
4) 生产周期短，全年产量高，年产量是露天种植的4到8倍。
5) 可以做到真正的无公害安全蔬菜。
6) 生产人员按照程序规范生产，无需专业技术。
7) 工厂设置在城市内的购物区或者工业园区，减少供应物流成本。
植物工厂分类：
1) 按照光合作用分为两类：完全人工辐射方式和太阳与人工辐射互补方式。
2) 按照种植结构又分为平面种植和立体种植。
3) 按照种植方式分为土耕，水耕，雾耕。
4) 按照种植规模分为小型植物工厂（小于800平方米），大型植物工厂（大于1000平方米）。大部分的植物工厂采用的是立体种植的水耕法。
3、植物工厂与人造光源
植物工厂与人造光源的技术发展紧密联系，植物工厂的概念是在人造光源的基础上发展而来的，最早利用人造光源进行的种植是在温室进行，其理论依据是植物光合作用的研究成果，在太阳光的可见光范围内（波长范围：380nm-735nm）太阳光与人造光源的物理原理相同，只是两者的光谱形状不同，人造光源可以完全替代太阳光实现植物室内种植。白炽灯、HID、荧光灯等人造光源已经在温室种植得到了广泛的应用，不同的人造光源在植物种植的区别是对电能的利用效率不同，提高电能利用效率直接导致种植成本的下降，然而，这些早期的人造光源在植物光合作用的吸收光谱方面却无法有效的调节，植物的吸收率低，对电能的利用效率无法进一步提高。
人类的技术进步总是伴随着能源利用效率的提高而发展，上个世纪九十年代初，发蓝色光的LED（发光二级管）芯片制造技术实现量产，LED照明得到迅猛的发展，LED光源引发人造光源的变革，成为照明产业的主要光源，LED照明成为新一代光源的最主要特征是节能与环保， LED技术的发展对于农业种植的人造光源也带来新的进步，LED技术不但在电能利用效率提高，而且，在植物光合作用的吸收光谱控制方面也是其他光源无法比拟的，LED技术也就成为植物种植过程中的最佳选择。
我们这个星球最为神奇的现象是植物创造的，植物是地球上唯一可以把太阳可见光部分的辐射能转化为有机物的生物，如果没有植物的光合作用，地球上就不会有动物和人类，植物的光合作用是依靠有机物生存的其他生命的基础。植物光合作用的研究表明，植物对太阳光不同波长的吸收是不同的，植物的光合作用主要依靠蓝光与红光这两部分进行，用人造光源代替太阳光时，最佳的人造光源是可以按照植物的吸收光谱配置，目前，只有LED可以做到这一点，因为LED光源本身只能发出单一波长的光，LED光源发光波长在380nm到735nm范围内可以人为的控制，而其他光源几乎无法做到。所以，LED作为植物光合作用的人造光源是最有效的和最节能的。采用LED技术对植物光合作用的光质、光量、光周期的控制性能优于其他人造光源。
4、植物工厂的核心技术
1）、植物的光合作用实质上是对太阳辐射的光子的生物化学反应，植物的光合作用是由太阳辐射的光子产生的，所以，我们把用于种植的人造光源称为植物人工辐射源（Plant Artificial radiation sources）简称PARS，如果用“照明”概念下的流明、照度等参数标定植物的光合作用会导致应用错误，LED植物人工辐射源波长范围在太阳辐射范围内，对植物与人的身体是安全的。
2）、温度与湿度的控制在植物工厂里也起到关键作用，植物工厂要实现生产周期最小化且供货周期固定的生产模式，生产环境的温度与湿度的控制可以保证植物在最佳温度环境的快速生长，在植物工厂里温度控制也是衡量植物工厂能耗的主要指标。
3）、植物工厂一般采用水培或者雾培的种植方式，这两种方式的基质是营养液，对营养液的成分指标的自动化控制也是保证植物工厂最小周期生产的主要手段，营养液自动化控制主要包括：液温、EC、ph、溶氧以及营养液成分的补充、营养液的循环处理。
4）、植物的光合作用吸收二氧化碳，释放出氧气，植物生长环境的二氧化碳浓度控制也是保证植物快速生长的条件之一，在植物工厂的环境控制系统中，都设置有二氧化碳浓度控制装置，同时，植物光合作用产生的氧气也需要采用过滤通风设备排出。空气过滤装置也有效防止病菌的侵入，在植物工厂里，农作物几乎没有病虫害的袭扰。
5）、植物工厂的数据检测与传输采用无线网络，环境检测、营养液检测等数据需要网络技术支持，植物工厂的网络特点是距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输，是典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输应用，各种传感器与控制器大多采用控制简单、距离短、功耗小、低速率的双向无线通讯技术。
5、立体种植是植物工厂的特色
植物工厂里，层架式立体种植是高效种植的另一个手段，与平面种植相比，立体种植对土地的利用率达到4-8倍，立体种植的管理效率也远高于平面种植，自动化耕种容易实现，立体种植把植物工厂引入小型化，数百平方米的小型植物工厂将是未来城市蔬菜供应的主要来源。
6、食品安全是植物工厂的目的
食品安全问题是植物工厂概念的主要目的，植物工厂的产品安全性是最有保障的，植物工厂对各种食品安全指标是完全可控制的，植物工厂的生产环境相对封闭，内外空气交换需要过滤，基本上防止了病毒虫害入侵，植物工厂采用水培或雾培，使用的水质与营养液的有害成分的检测与控制是自动化完成的，重金属等不可能出现在植物工厂的产品里，植物工厂无需使用农药与生长素，同时，植物工厂里使用的种植设备采用抗微生物材料，植物的种子是经过消毒处理，整个生产系统的微生物比传统蔬菜种植降低数千倍，植物工厂产生的蔬菜可以达到无农药、无重金属、低硝酸盐、低生物菌，植物工厂生产的蔬菜可以直接食用的，通过光质与光量的调整，可以改善蔬菜的营养与口感，植物工厂的蔬菜是全球范围内安全度最高的蔬菜。
植物工厂生产的蔬菜，由于整个生产环节都符合安全型蔬菜生产的要求，生产的产品是健康食品，植物工厂的产品都标注无农药，成为安全蔬菜的标志。
7、植物工厂生产流程
在植物工厂里，植物的生长环境被设计成最佳条件，植物的生长周期基本固定，植物工厂的生产流程可以重复，工人不需要了解种植知识和种植经验，只需要按照种植流程工艺进行工作，实现农业产品工业化生产模式，形成订单化重复生产。
8、小型植物工厂
植物工厂的缺点是初期投资大，种植品种相对少，对电力需求大，种植成本相对偏高。植物工厂几乎是按照每平方米的造价计算的，对于投资大型的植物工厂，如果没有政府资金的扶持，企业或个人难以承受；因此，植物工厂已开始朝着小型化方向发展，小型植物工厂投资小，见效快，逐渐成为植物工厂的发展方向。
在植物工厂里，采用植物人工辐射源、温度湿度和二氧化碳的调节，营养液的指标的控制，最终的目的是实现蔬菜的最小周期的生产，并且是不受外界的气候影响的循环生产，通常，在植物工厂生产的蔬菜的种植周期比室外种植快2-4倍，而且生产周期是固定的，在每平方米土地上，立体种植产量与平面种植产量之比是4-8倍，植物工厂的全年产量基本上是可以计算出来，这种固定产量的安全蔬菜在市场营销的预期是相对准确，这为投资者带来可靠的价值评估。
9、植物工厂案例
植物工厂的各个功能设备是已经成熟的技术设备，并非新型科研项目，植物工厂是以高效种植为目的的各种技术组合，植物人工辐射源（PARS）是植物工厂的主要核心技术，生产安全型蔬菜是主要方向，随着LED技术的应用成本降低，植物工厂将成为城市生活不可缺少的功能设施。
10、植物工厂是多种学科的技术融合
植物工厂融合多种学科技术，这些技术都是成熟的应用技术，这些技术的组合从根本上改变农业种植的概念，是创新型农业种植方式，是农业种植实现工业化生产的途径，只有植物工厂才能长期稳定地生产出无公害蔬菜，植物工厂的多学科技术融合是为植物生长设定的最佳环境，植物工厂的生产技术是以科学为基础且独立于经验和直觉的新型农业生产，为具备工业生产与管理经验的投资者提供了新的选择，农业种植通过植物工厂被提升为制造业。
11、植物工厂带来的启示
1）、从技术形态来看，植物工厂是设施农业技术进入的高级阶段，实际上植物工厂发展迅速更深层的原因是环境污染与食品安全问题触发的，环境污染是推动植物工厂的最大动力，今后的环境治理只能逐步减轻环境污染的程度，即便消除了污染源，之前造成的污染降解也是需要数十年甚至上百年的时间，而且，有些污染是不可逆的，而这些污染不仅是工业污染，有相当部分是大量化肥与农药造成的污染，污染造成的产量减少与种植周期加长，又进一步刺激投放更多的化肥与农药，推高了传统农业种植成本，形成恶性循环，面对环境对人类健康生活造成的影响，人类必须要找到一种高效种植方式来解决食品安全问题，这就是植物工厂在这几年发展迅速的内在原因。
2）、从国外这几年植物工厂应用状况来看，最先涉足植物工厂的是大型的工业企业而非农业生产者，而且电子工业企业对植物工厂更感兴趣，这是个非常有趣的现象，这与从事电子企业本身就拥有无尘级净化生产车间，其维护与管理更是轻车熟道，植物工厂的模式符合这些企业的管理能力与资源优势；许多工业企业已经看到工业制造业的市场盈利空间变小，企业必须要寻找新的发展机遇，未来一些农业生产会带来比工业投资更高的回报，有些企业本身就是植物工厂的设备制造者，同时，植物工厂所需的技术管理条件他们已经具备；管理经验与电子技术能力在植物工厂表现的尤为重要。
3）、在一些国家，政府对环境保护与公众食品安全的倡导与扶持力度加大，政府对植物工厂的扶持资金甚至达到40%以上，各种资金的参与把植物工厂变成投资热点，环境保护与公众食品安全是各国政府今后的一项长期目标，投资环境长期利好，植物工厂生产的产品在市场上得到认可，被公认为无化肥与农药的安全型蔬菜，产品市场份额不断加大。
4）、我国政府对农业产业的扶持也是不断加大，尤其是对于食品安全问题更为重视，植物工厂立项会得到政府的扶持资金，从政府的政策导向来看，农业是我国继工业产业高速发展后又一个新的发展机遇，从价格趋势来看，工业产品的价格是逐渐降低，而农业产品的价格是逐步上升，同时，公众对无公害蔬菜的需求越来越高，产品的市场盈利空间已经初现，产品的市场盈利能力才能最终决定植物工厂在我国发展的动力。
5）、植物工厂是LED技术应用的又一个大领域，以大中型城市进行保守的数据分析，大中型城市人均室内照明所需要的LED照明功率约每平方米2瓦，如果这些城市人口有4%的人消费植物工厂产品，植物工厂需要的LED总量就接近室内照明LED的总量，相信未来植物种植所需的LED应用总量会超过城市室内LED照明总量，这个巨量的LED应用市场也使得如飞利浦、欧司朗、松下、夏普等公司涉足，这个是值得我国LED照明企业与LED封装企业借鉴的思路。
6）、在我国与LED照明产品相比，LED植物人工辐射源的设计与制造需要更强的专业技术能力，目前，这类产品的制造商提供的产品的专业能力无法满足种植技术要求，许多都是采用照明的概念标称产品参数，此外，国内还没有专业级的植物工厂供应商，这些因素影响着植物工厂的发展，需要引起重视。
7）、与植物工厂投资相比，温室、大棚应用植物工厂概念进行育苗会取得事半功倍的效果，温室、大棚内设定的人工环境下的育苗可能成为农业种植的新热点，从我们的实验结果来看，采用植物工厂生产概念的育苗方式投资小，育苗效果好，育苗周期短，苗期的干物质量明显比普通育苗高，值得大力推广。
8）、植物工厂的混合型（太阳与人工辐射互补方式）也是具有推广价值的模式，混合型植物工厂前期投资成本低，见效快，种植成本可以被市场接受，混合型植物工厂可以加快种植周期，为具备温室大棚种植设备的企业提高了盈利空间，是现阶段具有可操作性的植物工厂模式。
9）、通过对蔬菜种植的营养液成分的控制，植物工厂可以生产出低钾蔬菜，低钾蔬菜可以专门向糖尿病人提供，我国糖尿病发病率高达11%，是糖尿病大国，低钾蔬菜具有诱人的市场前景，生产特殊的医用蔬菜可能成为植物工厂的一个市场亮点。
10）、太阳能与风能的应用可以有效降低植物工厂的种植成本，我国是太阳能光伏产品制造大国，具有先天的优势，合理有效的利用太阳能与风能是加速植物工厂发展的手段之一，太阳能与风能供电系统的应用也符合政府的扶持政策，此外，地热循环应用也可以为植物工厂提供降低成本的有效措施，自然能源的利用是植物工厂发展的方向。
结束语：
植物工厂属于设施农业发展的高级阶段，是环境因素与食品安全因素推动下的产业，是LED产业应用的一个重要领域，具有巨大的市场空间，农业产业是未来10年我国最具有投资价值的产业，我们需要更加努力向市场提供技术支持与技术服务，植物工厂是一项值得参与的利国利民的新事业。
来源：新兴产业战略智库
