问题背景：

我国土地资源有限，水资源缺乏，气候灾害多发，保障粮食安全一直是我国社会面临的重大课题。同时在过去几十年中，由于我国农业长期依靠化肥、农药的大量使用，虽然为粮食增产提供保障，但也为食品安全带来严重的负面后果。同时，沙漠化增加、农业劳动力缺乏等，也加剧了建立新的粮食、蔬菜等生长模式的紧迫性。近期，随着太阳能、风能等清洁能源的应用日益普及，LED技术的应用成本逐步降低。在此背景下，植物工厂的概念应运而生。植物工厂是一种高级的设施农业形式，其依赖于植物学、光学、自动控制等领域的技术进步，实现对光、CO2、温度、水、湿度、气流、营养等生长环境的精准自动控制，从而使植物在高度可控环境下生长。植物工厂的发展使得植物生长发育过程不再或者很少受到外界环境的影响，可以实现全年连续植物生长。

关键突破点：

植物工厂目前在国际上发展迅速，尤其在日本，目前已经建设人工光型植物工厂250个以上，涉及种植的植物包括蔬菜、草莓、药草及种苗等，而且大量电子、能源、材料等领域的企业参与开发植物工厂等相关技术研发，已经在该领域形成雄厚的研究及应用积累。在我国，植物工厂发展起步较晚，产业化水平仍较低，近几年得到较快发展。科技部在2013年~2017年在现代农业领域启动支持植物工厂生产技术研究专项；中国农业大学在2004年开发了人工光型密闭式植物工厂；目前我国已建立的植物工厂达120家以上，有些企业，如恒大集团、中科三安等，已经建造了规模巨大的植物工厂。总之，我国在植物工厂领域起步较晚，各类技术发展都亟需发展，以期在未来该领域的竞争中占据主动地位。植物工厂目前大规模推广仍然面临巨大挑战主要有以下三个方面：

1. 降低植物工厂建造及运行成本。植物工厂的构建需要利用人工光源、营养液设备、智能监控等硬件，同时需要对温度、湿度、光照等环境条件的精确智能控制及管理，这些建造及管理设备需要较大投资，如何有效降低其建造成本是当前亟需解决的重要问题。同时，如何降低植物工厂运行成本也至关重要。要降低成本，一方面需要发展新材料，创制成本低、保温隔热、模块化、易安装的植物工厂基本材料及组件；另一方面，需要发展具有更高电能转换效率的新光源，实现既可满足对植物生长发育过程的光质需求，又可大幅度提高电能利用效率；进一步，发展在植物工厂中利用新能源（如太阳能、风能等）的设施，也是降低植物工厂的能耗成本的重要方向。

2. 提高植物工厂的智能化水平，构建植物工厂信息决策系统。要优化植物工厂内不同植物的生长，大幅度提高植物生长发育速度，可通过发展植物工厂信息决策系统，实现针对不同环境下、不同植物生长发育过程的精确模拟；同时需要对植物工厂内部植物生长状态、环境参数的实时精准检测，进而结合植物生长发育信息决策系统，实时调控植物工厂内部的环境参数，实现对植物生长发育全过程的精准调控，从而优化植物生长发育过程，最大化植物工厂的产出。

3. 提高植物工厂产品质量和风味。植物工厂化生产的另一个关键问题是要保持和提高产品的质量，满足大众口味需求。这需要在研究品质形成、代谢转化等研究基础上实现品质形成的自动化栽培与调控系统。同时可通过常规育种或者基因改造途径，创造适合植物工厂生产的新品种资源，提升产品价值。

战略意义：

植物工厂关键技术的突破将为新型农业生产提供全新模式。这一方面将使得当前不适于农业的地区（比如城市空间、沙漠、严重盐碱化地区等）可以用于大规模生产；另一方面，植物工厂也可以用于支持特殊生境下的食品生产，实现在外太空或者其他星球基地，也可以利用植物工厂相关技术开展食品生产，从而可以大幅度拓展人类生存空间。这些核心技术的发展与掌握，将为我国在农业新技术领域中占据国际主动权具有重要意义。植物工厂关键技术的研究及突破，也将极大促进人工智能与农业科学多学科的交叉融合。在研发植物工厂过程中发展的各类核心技术，包括高效光源技术、表型组技术、植物生长发育模拟系统、植物生长管理决策系统、室内环境因子精确调控技术等都各自具有重大研究及应用价值；这些技术向农业相关领域的扩散及应用必将极大推动我国智慧农业和人工智能的发展。