植物工厂作为一种全新的生产方式，被认为是21世纪解决人口、资源、环境问题的重要途径，它是光、温、湿、CO2及营养等生长环境条件下全智能控制的高效农业生产系统，代表了当前现代设施农业发展的最高阶段；适用于蔬菜、药材、种苗等大规模种植，同时致力于解决特殊区域(高原、雪地等）、特定品类（中药材等）、特定环节（作物育苗）等农业生产问题。
在可控环境下培育植物的园艺设施中，植物工厂基于人工光、营养液、环境控制、智能管控等技术，以环境信息和植物生长监测为前提进行高度的环境调控和植物生长预测，从而实现蔬菜等植物的计划性周年生产。
#植物工厂定义
设施农业发展的最高级阶段
能源+农业的最佳组合
解决能源消纳的最佳方式
有效缓解人口膨胀与耕地缺乏之间的矛盾
克服环境污染对植物生长的影响，产品高质量保障食品安全
应对全球气候变化，不依赖阳光、土壤，不受气候环境制约
为什么要构建人工光系统
“万物生长靠太阳”，光不仅是植物进行光合作用等基本生理活动的能量源，而且也是花芽分化、开花结果等形态建成的动力源，光照条件的好坏还直接影响植物的产量和品质。
自然界中的光照主要来自于太阳，植物通过叶绿素吸收光中的有效成分进行光合作用，而在人工光植物工厂中，太阳光难以进入完全密闭的环境，植物的光合作用主要依赖于人工光源。因此，在人工光植物工厂中构建合理的人工光源系统显得尤为重要，这时候就需要定制化调配光配方。
什么是光配方？即光的组成与配比，植物工厂里的光配方可以说是人为设置的将各色光以一定比例和数值调和的处方，那么光配方是如何被用来创造价值的呢？
不同的植物需要不同的光源，植物的各个发育阶段对光源的需求也不相同。以生菜为例，育苗阶段需要更多的蓝光使幼苗健壮，后期则需要更多红光加速植物生长。科学家们要针对植物不同的偏好，找到专属于它们的“光配方”。合适的“光配方”不仅能够大幅度提升植物的产量、质量，还能调控植物，让蔬菜更营养美味，让鲜花更鲜艳，让果实更香甜，从而提高经济效益。早在20世纪50年代，欧美的一些发达国家就已经出现植物工厂。当时的光源主要采用高压钠灯，但是由于高压钠灯的能耗较高，运行成本也较高，这些国家探索了一段时间后就停止了。
到20世纪90年代后期，日本开始探索用荧光灯作为植物工厂的光源，但缺点同样是能耗较高。此外，荧光灯、高压钠灯的光效比较低，高压钠灯的光效只有30%，荧光灯的光效约为55%。
虽然白炽灯、日光灯、高压钠灯等光源可以进行人工补光，但是与植物光合作用所需吸收的光谱匹配度不高，光合效能低，不是理想的人工光源。随着光电子技术的不断发展，LED已经成为21世纪最具发展潜力的新型人工光源，精确的LED灯和先进的传感解决方案，其光谱组成与植物吸收光谱匹配度较高，用于植物补光的效果显著。同时，LED作为设施栽培的补光光源，不仅推动了设施作物生产节能减排，也促进了设施农业高效、高产、优质发展。“要知道，在植物工厂的整个成本中，有52%来自电能消耗，而电能消耗中有60%来自光源，35%来自空调。所以，要解决植物工厂的关键技术瓶颈，首先要解决光源的能耗问题，也就是说要找到高效的光源。”“很多年前，有一位植物生理学家画了一条曲线，叫植物光谱的吸收曲线。从曲线中可以看出，植物的主要吸收峰值在400—500纳米的蓝光区域和600—700纳米的红光区域，最优的两个峰值分别是450纳米和660纳米。有了这个依据后，我们就进行了led光源的开发。经过无数次试验，我们终于建立起了一个理论体系，也就是“光配方”的概念。”与传统的光源相比，LED是一种具有节能环保、体积小、使用年限长、耐用性强、响应极快以及坚固等优点的半导体固态电光源。除此之外，还具备一些能够在植物工厂中应用的独特优势，例如可以根据植物工厂的实际需要来调节冷光源以及光谱，实现对光照的智能控制，是在人工光植物工厂中一种极其理想的应用光源。
①节能。LED 不依靠灯丝发热来发光，能量转化效率非常高②环保。无任何污染，发光颜色纯正，不含紫外和红外辐射成分③寿命长。环氧树脂封装固态光源，耐震荡和冲击，寿命达5万小时④单色光。LED发出的光为单色光，可按照不同植物的需要自由组合
⑤冷光源。可以接近植物表面照射而不会出现灼伤叶片的现象
LED灯是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，使半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，产生可见光。LED 能够发出植物生长所需要的单色光（如波峰为 450nm 的蓝光、波峰为 660nm 的红光等），光谱域宽仅为士20nm，而且红、蓝光LED组合后，还能形成与植物光合作用与形态建设基本吻合的光谱。LED 的开发与应用为密闭式植物工厂的发展提供了良好的契机，可以克服现有人工光源的不足，使密闭式植物工厂的普及应用成为可能。
LED光源的特点是可以智能控制时间的转换，能够为植物工厂提供较长时间的光强以及光质。由此可知，LED光源在植物工厂中的应用具有广阔的前景以及极大的潜力。由于LED光源的植物工厂能够根据实际需要来对生产环境的光进行智能调节控制，一般情况下，均能在光照的时长和程度、光质以及光强等方面来管理控制光的环境。
除此之外，LED光还能在植物工厂中应用一些特殊的光照模式，例如交替光照、连续光照以及间接光照等。通过研究各类光照模式下各种植物的耗能以及生理反应，选出一个以植物品种为基础的、合适的光照集成机制，便能制定节能环保、高效的植物工厂光照方案。而光配方技术不仅用于解决作物营养生长和生殖生长过程中能量分配问题，以期实现高效、稳定和精准的作物室内生产；对于药用植物，光配方技术还可以解决目标药用成分的定向和定量合成，提升药用植物有效药用成分的含量。针对不同的植物配置专用LED灯，以满足植物最佳生长需求。因此，LED光源被认为是密闭式植物工厂的理想光源，能够降低密闭式植物工厂的能耗和运行成本，提高光能利用率和光环境的控制精度。
#人工光应用场景
除了LED光源在植物工厂领域的应用，植物照明灯具的应用领域还包括温室补光、植物组织培养、大田补光、药用植物、家庭蔬菜及花卉种植（花期灯）以及实验室研究等。
人工光技术的未来发展 #可诱变育种的激光
“我国植物工厂的发展起步较晚，大约从2002年开始探索，至今不到20年时间。非常幸运的是，我们跨过了高压钠灯和荧光灯时代，直接进入了led时代。而未来，我们正在尝试采用激光，把激光从一条线变成一个面，然后再扩散。激光的耗能只有led的1/3—1/5，所以激光被认为是未来很有潜力的一个光源。”
——中国农业科学院都市农业研究所研究员
智能植物工厂首席科学家杨其长
早期的开关控制LED，更多依靠的是种植者的经验，对LED进行手动调节，这就限制作物的出产率，降低土地利用率，且对于种植者的经验要求较高，稍有不慎就会造成经济损失。
而现在，科学家们大量研究通过智能控制技术来对LED植物生长补光的光质、光强、光周期进行调控，从而获得高性能的LED植物补光系统，有效促进植物生长发育，达到增产、抗病、优质、无公害等目的。
目前，世界各国在LED用于植物设施栽培领域的研究更加深入，我国半导体照明技术发展速度也越来越快，植物光源产业占世界总份额的百分之八九十。仅在2021年，我国出口了约4.5亿美元的人工光源灯，且未来的市场规模还会进一步扩大，其技术也从可见光光谱发展到近红外光谱的芯片级光谱传感技术，打开了全新的状态和生长监测领域。
未来，人工光领域的发展将对促进农业现代化和智能化、提升农产品品质、节能环保等方面都有举足轻重的意义。
