植物工厂是设施园艺发展的必然趋势和高级阶段，是颠覆性的土地利用方式和农作方式，可以通过替代或补充传统设施园艺模式实现我国设施园艺科技和产业的跨越式发展，解决当前我国设施园艺以简易设施(日光温室和塑料大棚)、土壤栽培和设施内被动式环控为特征的生产方式中的诸多的资源、环境和生产效率问题，也是实现21世纪农业可持续发展和食物安全保障的有效途径。
植物工厂作为技术高度密集、资源高效利用型的立体化集约化的现代农业生产方式，被认为是突破资源环境约束，保障食物安全，提升生产效率，发展现代农业，实现乡村振兴和生态文明的重要途径，东亚、欧美等一些国家和地区高度重视植物工厂的发展。我国是植物工厂技术装备研发与产业化发展最快的国家，在引进消化吸收再创新的基础上，在国家研发项目和产业政策引导下，在农业企业和照明企业的转型探索下，仅用十几年的时间使该领域的研发由跟跑发展到世界先进水平。我国植物工厂产业发展受到多元背景因素的直接或间接驱动，包括气候变化资源、环境、食物安全、国内外设施园艺发展、社会发展水平和科技发展水平等从概念上讲，植物工厂是有档次级别之分的，其本质优势在于植物生产要素的智能化管控水平，按此标准可分为4类。
20世纪60-90年代，LED光源的陆续发明与半导体照明技术的成熟是推动植物工厂21世纪快速发展的最直接、最有效、最持久和综合效益最高的技术装备因素，兼具多重效益目标、多元调控内涵、多样应用场景，成为替代传统光源，实现植物工厂生产全要素智能化管控的关键且不可或缺的一环。植物工厂是LED光源应用的最佳场所，LED光源植物工厂应用的优选光源，LED植物工厂是人工光植物工厂的发展基本方向。
LED光源植物工厂研发与应用激发了植物工厂产业和农业照明产业活力，成为农业和照明行业跨界交叉发展的原动力和产业增长点:同时，也催生了植物光生物学的分支即植物光质生理学学科。植物工厂是植物光质生理学研究与应用的理想场所和设施类型，光环境调控对植物优质高产稳产的农学意义重大。植物工厂高效运营有待于植物光质生理学的深入揭示，植物光质生理学规律的揭示将为植物工厂光环境调控乃至环控策略建立提供科学依据。本章总结了植物工厂的定义与内涵、发展背景、生产优势、环境调控因素及调控方法、光环境内涵、植物光质生理学的定义与内涵、植物工厂光源特征及应用方法。
根据 Science 杂志和联合国预测，世界人口至21世纪将持续增长，到2050年将达到96亿人，而到2100年可达110亿人。我国人口也将大幅增加，到2030年将达到14.5亿~16亿人，粮食等农产品需要大幅度增产才能满足消费需求。逐年递增的世界人口将对食物和粮食、燃料、纤维、饲料类农产品及功能化合物需求逐年增加，而土地等农业资源数量减少和质量降低，农田环境污染日益恶化，气候变化导致的极端天气和自然灾害日趋频繁，农田生态系统产能受自然条件的束缚难以持续增长且增长潜力有限，粮食和食物产出难以保证供给侧与需求侧在粮食和食物数量与质量关系上出现矛盾，食物数量安全与量安全问题日益凸显。如何保障粮食和食物安全与农产品有效供应已成为21世纪必须解决的重大现实问题。为此，我国必须大力发展现代农业，保障粮食食物安全和农产品有效供给，消灭隐形饥饿，提高农业生产的现代化水平和生产效率，这已成为是国家长期发展战略，国计民生意义十分重大。我国农业资源有限，现在用占世界1/10的耕地、6%的淡水生产了占世界1/4粮食，养活了占世界1/4的人口。2017年全国粮食总产量为6.18亿t，比2016年增加了166万t，增长了0.3%(国家统计局数据)。根据估算，我国2030年需要粮食为7.2亿t，而露地农田单产采用传统技术提升空间有限，在耕地面积有限情况下，亟待开发新的粮食或食物生产方式。
设施农业在保障我国食物安全和农产品有效供给，尤其是在确保“菜篮子”安全方面具有不可或缺的作用，是现代农业的重要组成部分。设施农业作为环境可控，周年生产的高效农业生产方式，越来越受到人们的关注，在动植物和食用菌等农产品生产，尤其是高品质鲜活食物供给，均衡农产品四季供给，解决人类隐性饥饿等方面具有十分重要的应用价值，已成为现代农业的主体业态。设施园艺可通过环境控制促进或延迟农业生物的生长发育与繁殖过程，按照人类的时空要求获得所需要的植物和食用菌产品。从2018年中国工程科技论坛-智慧农业论坛获取信息可知，我国设施园艺栽培面积高居世界首位，业界估计2016年已达到476.5万hm2，产值超1.46万亿元。其中，设施蔬菜面积占78%设施园艺通过强化设施内光照、温度和C02,等可再生环境要素，对植物及水肥等非可再生要素实施精准控制，可根据作物不同生长发育阶段的水肥需求进行定量供给，提高资源利用率，充分体现了“环境替代资源的战略”发展思路。
设施农业可通过环境因子调控来提高农业生产效率，使农业摆脱了自然条件的束缚，不同程度地具备了周年生产的能力。我国园艺设施类型有小拱棚塑料大棚、日光温室、连栋温室、植物工厂和垂直农场，初期投入成本和环控水平逐级递增，但应用规模和数量却梯级下降。目前，小拱棚、塑料大棚、日光温室、连栋温室等设施园艺栽培面积大约在476.5万hm2，且以土壤栽培为主,生产蔬菜为主，少量果树、食用菌和西瓜、甜瓜。其中，日光温室占26.5%，塑料大棚占44%，小拱棚占28.3%，连栋温室占0.7%，而植物工厂和垂直农场面积较小。我国植物工厂生产面积为10~50hm2，以无土栽培为主，以种苗、蔬菜和花卉生产为主。到2025年，设施园艺面积预计将达到500万hm2，其中设施蔬菜为7.5万hm2，连栋温室面积占比可达1%。
我国北方以日光温室为主体和南方以塑料大棚为主体的传统设施园艺生产模式采用土壤栽培，设施简陋，实施被动式的环控技术模式，无环控调控装备，设施与外界之间的物理性隔绝措施不完善，在生产中暴露出诸多环控、洁净生产等问题，无法维持可持续发展。究其原因，我国日光温室内光照、气温日变化和季节变化十分剧烈，低温高温频繁发生，营养液和基质温热缓冲能力差，在剧烈温热变化条件下其温度波动过大，不利于植物健康地生长发育。我国不能照抄荷兰连栋温室模式主要是气候差异导致温度控制成本相差悬殊。荷兰属温带海洋性气候，冬温夏凉，1月平均气温2~3℃，7月18~19℃。荷兰日温差和年温差都不大设施温度调控能耗小，冬季加温和夏季降温环控能耗较小。与荷兰相比，北京属温带半湿润半干旱季风气候，年极端最高气温一般在35~40℃，年极端最低气温般在-20~-14℃。设施温度冬季较低，夏季较高，冬季加温和夏季降温环控能耗较高。根据统计，连栋温室冬季加温成本为50~100元/m2。
当前，日光温室园艺作物生产的主要问题包括8个方面：
①连作障碍频发病虫害发生严重，农药残留严重;
②水肥资源利用率低，养分和水资源浪费严重，养分通过淋洗进入地下水，通过径流进入地表水，通过N20和NH3等气体挥发进入大气，损失比例较高，利用率亟待提高;
③环境污染严重，因过量水肥施用造成的地下水氮磷污染、温室气体排放、农药、抗生素和重金属污染问题严重;
④土壤肥力不平衡现象恶化，设施土壤物化性状恶化(酸化、盐渍化板结和碳亏缺等)问题严重，形成机制和治理方法有待长期监测来揭示;
⑤劣质有机肥大量施用，寄生虫、抗生素和重金属污染严重;
⑥高低温危害严重冬季低温和夏季高温危害严重阻碍了设施园艺的周年高效生产;
⑦自动化和机械化水平低，栽种到采收劳动力需求多，劳动力成本逐年提高;
⑧蔬菜产量和品质偏低，单产平均水平和蔬菜品质有待提高，增加经济效益。
总之，鉴于我国蔬菜价格偏低，菜农净收益提升速率小的现状，我国设施园艺(蔬菜)生产长期处于低投入一低产出一低效益的恶性循环里，应发展适当(高)投入一高产出一高效益的新型生产方式。
设施蔬菜无土栽培技术是我国设施园艺发展方向，工程手段将日益受到重视。设施蔬菜无土栽培技术的规模化应用使得设施蔬菜生产进入工厂化、规模化的阶段，甚至具有周年连续生产、立体多层栽培等高效生产属性，生产效率可提高几倍至数十倍。发展限根栽培是无土栽培发展的必然方向。根区和冠层是植物地下部根系水肥吸收与地上部枝叶光合作用两个重要区域空间，该区域空间内的物理、化学和生物化学环境条件直接关系到植物的健康和品质。根区和冠层是设施蔬菜生产过程中人为调控最有效、最直接和最节能的植物部位也是必须协同调控的两个部位，以保证地上部和根系进行耦合高效的生理代谢促进快速健康生长发育，提高蔬菜可食部分生物量和健康有益物质的合成累积。各种园艺设施内蔬菜的根区冠层技术装备研发、根区冠层调控生理机制、根区冠层协同生理机理等研究是国内外关注热点，取得了很多可喜的成果，亟待系统收集整理，以推进该领域的发展。设施蔬菜无土栽培具有良好的根区冠层调控的基础属性，能够对根区介质及其水肥、温度、溶解氧和空间等理化性状进行定向调控，在设施内也能同时对整个设施空间和植物群体冠层的光照、温湿度、CO,浓度、气流等环境要素进行协同调节，基于植物生理学时空特性建立控制模型，耦合调控生长全要素。根区与冠层是设施植物环境控制的核心部位在生产要素中，只有光照、营养是同时具有质量属性和数量属性的因素，需要“光配方”和“营养配方”及其数量调控策略。所以，根区冠层调控的核心且最复杂的因子是光照和营养，结合其他生长要素，制定合理的“环控配方”。
植物工厂是设施园艺发展的必然趋势和高级阶段，是颠覆性的土地利用方式和农作方式，可以通过替代或补充传统设施园艺模式实现我国设施园艺科技和产业的跨越式发展，解决当前我国设施园艺以简易设施(日光温室和塑料大棚)、土壤栽培和设施内被动式环控为特征的生产方式中的诸多的资源、环境和生产效率问题，也是实现21世纪农业可持续发展和食物安全保障的有效途径太阳光植物工厂为智能化程度较高的连栋温室。人工光植物工厂为技术高度密集、资源高效利用型的立体化集约化的现代农业生产方式，被认为是突破资源环境约束，保障食物安全，提升生产效率，发展现代农业，实现乡村振兴和生态文明的重要途径。
人工光植物工厂通常采纳多层立体无土栽培技术进行规模化生产，层数可达3~20层，具有独特的生产环境和调控策略。较连栋温室(或太阳光植物工厂)无土栽培相比，人工光植物工厂无土栽培在空间资源利用率方面有绝对优势，在栽培植物种类和水肥供给、环境调控等方面差异巨大。尤其在LED半导体光源应用后，人工光植物工厂彻底实现了全部生产要素的智能调控，目前该领域的研发与产业化受到世界各国学者、LED生产企业和设施园艺生产者的广泛关注。植物工厂最为本质优势包括:
①生产环境洁净，无病虫害，不使用农药和化学调节剂，无药残危害;
②生产材料洁净，无寄生虫或病原菌，可免洗鲜食，避免洗涤造成的外观和营养品质降低;
③生长要素按需调控，耦合调配资源和能源，生产条件一致性好，高产高效;
④具有通过生产要素针对性单一或复合调控大幅提升蔬菜品质的潜力，提高农产品中初级和次生代谢健康有益物质(抗氧化物质中的维生素、酚酸、花青素和类黄酮等)的合成和累积;
⑤可通过生物强化方式提高农产品中的健康有益元素的含量(如锌、铁、硒和碘等);
⑥具有工厂化的本质属性，具有生产自动化和植物产品形成的流水线管控装备，省时省力;
⑦与外界环境隔绝，物质能量交换得到严格控制，外界污染物、生物、冷热、气流和光照对植物工厂生产影响较小。
植物工厂是高效农业生产系统，栽培方式、环控水平和资源利用率发生了变革，提倡空间立体栽培、精准环控和循环利用等理念，是高投入一高产出的设施园艺生产系统。植物工厂通常采用立体多层栽培技术取代平面单层栽培方式，进行周年不间断生产(分区多批次或连续采收)，土地利用效率和植物产量是传统农业产量的几十倍甚至上百倍;采用洁净控制技术和环境控制技术防止了规模化病虫害发生，可免施化学农药和杀虫菌剂，使植物产品的品质达到无公害和绿色级别;采用物质资源循环利用技术，提高了水肥气等多种资源利用率，又实现了零排放、零污染。在全球层面和我国国情条件下，植物工厂在国际上和我国的发展存在其客观原因和现实必然。在国际层面上，设施园艺发达国家，如荷兰、日本美国和以色列等竞相研发太阳光植物工厂与人工光植物工厂，主要基于全球气候变化危害、设施农业发展必然趋势、农业资源环境承受力、食物安全、社会发展水平、技术装备水平等各种相关背景的综合作用的结果。对我国而言，又存在自己的国情和社会条件。总之，植物工厂是现代农业发展的必然趋势。植物工厂植物产品的产能、品质是有保障的，是一类绿色食品的高规格农产品。在中国、日本和韩国，植物工厂蔬菜已经商业化销售，但较高售价需要公众逐步认可接受。其实，蔬菜的价格应该与蔬菜的品质(外观品质、卫生品质和营养品质等)成正比的，但由于缺乏公信度较高的蔬菜质量认证机构，无法实现优质优价，阻碍了植物工厂农产品的盈利销售。植物工厂农产品品质是有保证的，主要得益于光环境的调控功能。LEDs拥有独特的性质，非常适合物工厂及食品工业中几个业务操作中使用。这些属性包括低辐射热释放、高单色光发射效率、高光电及量子效率、长寿命、灵活性和机械稳固性。因此，LED可减少作物和食物的热伤害和降级，也适合在冷藏领域应用。调控LED光源的光谱组成可增加园艺作物和农产品的产量和营养品质。LEDs也能维持或提高采后阶段食物的营养品质，调控水果果实成熟过程，减少真菌侵染。UV-LEDS可保鲜使用，减少化学防腐剂和添加剂用量。DSouza等(2015)综述了LED技术以及其在食物生产、采后保存和微生物安全领域的应用。
