近日，植物工厂这一科研领域又有新突破。在四川天府新区，由中国农业科学院都市农业研究所（以下简称“都市农业研究所”）自主研发的首座无人化垂直植物工厂投入使用。这座植物工厂栽培层高20层，是世界上目前设施单体生产层数最高的植物工厂。
走进植物工厂，透过玻璃，一栋多层货架式的建筑展现在眼前。每层货架上方，无数整齐排列的灯珠发出红色、蓝色等不同颜色的光线，均匀照射在货架内定植好的生菜叶片上。整个建筑呈现出一种充满未来科技感的粉红色。电脑发出指令后，一辆空间运输小车托着一盘刚定植好的生菜苗，根据坐标上下移动，最后被放置在既定位置。
都市农业研究所研究员王森介绍，这座栽培层数高达20层的垂直植物工厂，通过采用自主培育的作物新品种、垂直立体栽培系统、营养液自动供给系统、人工模拟节能光源以及基于AI的智慧管控系统，实现了在垂直空间内的稳定生产。目前，已经可以实现作物从种到收全程无人化。
在这些技术中，人工模拟节能光源攻克了植物工厂“光效低、能耗高”的世界性难题，这也是这座植物工厂最核心的技术之一。
“传统植物工厂生产一公斤生菜，需要耗费11千瓦时的电。我们团队通过植物光配方与光效提升技术，只耗费8.5千瓦时的电。”王森说。
记者在货架上看到，货架上不同颜色的LED灯珠按一定的规律整齐排列。“我们将红光、蓝光、黄光、近紫外光或近红外光，按植物品种不同、生长过程不同进行精准配比。苗期早的时候需要弱光，开花结果的时候需要强光。”王森介绍。
在人工控制的营养、光照、温度、湿度条件下，这座植物工厂可以最大程度节省空间、能量，实现“短时间高强度”产出。
“一般来说，每块种植板上可以种植9棵生菜，这一整栋大楼一次最多可以种25000棵生菜。”王森说，更重要的是，这里的生菜35天就能成熟收割一茬，而传统大田生菜的正常生长周期需要70天。
目前，无人化垂直植物工厂可以实现叶类菜、果菜、食用菌等作物的规模化种植。试验检测结果显示，垂直植物工厂里生产的作物，营养成分与大田作物基本上没有差别。
“加速”是这座植物工厂的关键词。一棵生菜的生长周期从70天加速缩短至35天，这为加速作物育种提供了理论验证与技术储备。目前，南繁是我国育种科学家更快选育新品种的重要方式。将水稻、玉米、棉花等夏季作物的育种材料，在当地秋季收获后，冬季拿到海南等南方亚热带或热带地区，利用充足的光热条件进行繁殖和选育。这样一来，一年一季的作物就能实现一年繁育2—3代。
这座植物工厂使用的技术则能打破土地、空间和气候条件的约束，就地实现作物快速繁育。
12月中旬，成都迎来一轮寒潮，日最高温度低至5℃。走进植物工厂旁的育种加速实验室，室内气温则保持在28℃。
当下，四川全省水稻已经颗粒归仓，油菜还未抽薹。在这间实验室里，水稻正经历不同的生长周期，有的正在抽穗，有的还是矮矮的秧苗，而油菜已到了结荚期。
不同生长周期、不同生长季节的作物，在这里实现了“团聚”。依靠的是一套“光—温—营养”耦合调控作物快速繁育关键技术。
都市农业研究所智能园艺装备创新团队首席科学家杨其长介绍，这套技术不受土地、空间和气候条件的约束，根据植物生长特性来配置所需要的光谱；采取营养液栽培手段，使植物充分吸收营养；通过光与营养精准调控，诱导早期开花和促进作物快速生长，大幅缩短作物生育周期，育种效率大幅度提升。
目前，育种加速器里，小麦、玉米、大豆、油菜、棉花、苜蓿等多种旱地作物正在进行育种。科研团队试验发现，这些作物通过育种加速器，生育期均缩短50%以上。
除将核心技术运用于前端育种环节，团队专家也希望，未来能将无人化垂直植物工厂真正实现转化。在楼房中、沙漠里，甚至地下空间建设，在保障城市居民日常生活的同时，弥补耕地不足的问题。“在人口密集的城市，通过植物工厂能保障城市的日常蔬菜供应。如遇城市交通封闭等特殊情况，也能保证蔬菜供应自给自足。”王森介绍，此外，在边防哨所、远航科考、岛礁生存等场景中，植物工厂也有望发挥重要作用。
“虽然我们已经有效降低了能耗，但植物工厂要实现转化投产，甚至盈利，能耗高依旧是难题。”王森说，下一步，在降低能耗这一问题上继续攻关，依旧是团队的重要任务。
目前，科研团队已经汇总了72类作物、1300多种光配方的数据库，对作物基础研究、生理研究等发挥着重要作用。
此外，较高的建设和维护成本也是一项重要考虑因素。王森说，植物工厂生产蔬菜成本，较自然环境种植蔬菜成本要高出许多，所以，待成本进一步降低后，才可能得到推广应用。
值得欣喜的是，目前，依托团队技术，位于黑龙江的北大荒集团七星农场以及成都市温江区，已经有两个无人化垂直植物工厂项目正在建设中，预计2024年4月实现运营。
王森透露，这两个项目不仅要承担科研任务，还将致力于实现盈利。团队正在开展多个有关垂直无人植物工厂的落地项目，包括来自沙特、智利和卡塔尔等国家的一些国际合作项目。
如今，团队正开展垂直农业大楼相关研发，下一步将建设集种植和养殖于一体的农业大楼，在垂直空间内同时实现蔬菜种植、水产养殖、食用菌培育等，探索屋顶农业、阳台农业新模式。