从温室草莓到植物工厂草莓

2026-11-04 欣怡中国农业新闻网

　　——历届多多农研科技大赛背后的设施智能环控的底层逻辑

　　1 命题：四届大赛之后草莓再次成为考题

　　2020年，在云南昆明的高原温室里，一场围绕温室草莓展开的种植比赛，让顶尖弄人、农业资深专家、新生代学子及AI算法工程师聚集到同一个赛场。熟悉土地和季节的顶尖农人，开始与远程操控智能温室的科技团队同台竞技。那些过去依靠经验判断的事情——何时通风、怎么灌溉、如何温控——逐渐被写成模型和控制程序。

　　2025年到了第五届，比赛重新选择了草莓。但这一次，草莓进入了LED植物工厂。参赛者需要自行设计和建设立体栽培设施，再把光照、温湿度、二氧化碳、水肥及栽培管理组织成一套能够持续运行的智能调控系统。同样是草莓，考题已经从“如何利用现有环境种好”，推进到了“如何创造环境让草莓生产更高效”。

　　2026年10月30日，第五届“多多农研科技大赛”在上海奉贤举行最终决赛与颁奖典礼。中国农业大学赛博农人团队再次蝉联赛事一等奖，为这段探索增添了一个新的注脚。

图1 第五届多多农研科技大赛颁奖典礼

　　回看五届多多农研究科技大赛，我们应该更关注的，是赛场如何一步步接近设施农业生产的真实问题：作物怎样生长？环境怎样调节？技术怎样形成稳定产出？以及这些成果怎样走出比赛并进入产业。中国农业大学水利与智能工程学院教授、国家中药材产业技术体系岗位科学家贺冬仙为我们进行了如下剖析。

　　2 中农大团队多次夺冠背后的底层逻辑

　　赛博农人与多多农研大赛的联系，可以追溯到第一届。2020年，由中国农业大学博士生郑建锋领衔的CyberFarmer·HortiGraph联队获得首届AI组冠军，让顶尖农人队纪劳模心服口服。到了2022年第二届，温室小番茄AI种植大赛屈居第二，研究生团队成员心不服、口不服。赛博农人团队在2023年第三届集装箱式植物工厂水培生菜比赛中获得第二名和最佳节能奖之后，2024年第四届利用自主设计的集装箱式植物工厂再次夺冠。持续参赛，赛博农人团队面对的设施生产边界不断变化，也让模型、农艺和工程之间的逻辑关系得到反复检验。

　　第四届公布的最终数据中，有两个值得放在一起看的数字：水培生菜栽培面积的生产效率达到0.33 kg/m2/d，耗电量为12.25 kWh/kg。前一个数字说明植物工厂单产水平已达到日本植物工厂产业的平均数之上，后一个数字说明植物工厂的能源投入在中国已经能规模扩产。把这两组数据放在一起，才更接近植物工厂产业化发展需要回答的核心问题。这些成绩属于第四届水培生菜比赛，也提醒我们，不同作物、不同设施和不同生产周期的结果，需要在明确边界后才有比较。高投入的高科技设施，不是做成就好，是要做好才可能产业化。

　　到了第五届，LED植物工厂草莓种植把大赛难度进一步提高。生菜主要是采收营养器官，一茬生产不超过40天，而草莓则需要经历营养生长、花芽分化、开花授粉、坐果膨大、品质调控。草莓叶片需要长得好，果实也需要获得足够同化物转化；植株生长速率需要提高，但果实风味和商品性也需要维持。不同阶段的生长发育需求，未必能利用同一套环境设定参数满足。这也是赛博农人团队提出“与植物对话”的智能环控理念最值得关注的地方。团队需要持续判断植物所处的生长阶段和发育状态，再决定系统下一步应该怎样运行。

图2 多多农研科技大赛历届介绍

　　3 五届AI种植比赛与设施智能化的真实思考

　　第一届远程种植与经验数字化

　　2020年的草莓比赛，让四支参赛队伍远程管理智能温室，与经验丰富的四支顶尖农人队伍同场竞技。AI队伍产量比顶尖农业队翻倍的优秀成绩让更多人看到，种植经验可以通过数据、模型和设备形成新的表达方式和控制策略，接受检验的是整个设施生产系统，包括农艺判断、气候条件、环控算法和设备执行能力等，而不能把所有结果都归结为某一个AI算法。

　　图3 第一届温室草莓比赛的种植场景，摄于2020年9月22日第一茬果阶段

　　第二届番茄复杂生长过程中的温室人机协同

　　赛事于2021年启动，2022年公布结果，同样的100平米玻璃连栋温室的竞技作物换成樱桃番茄。北京极星农业公司领衔的“番茄快长”团队获得冠军。串收番茄的持续开花结果，使参赛队伍需要在更长的番茄栽培过程中协调叶面积、果实负荷、环境条件和水肥供应。比赛也进一步关注产量、营养品质及环境影响，让种植成果接受更多维度的综合评价。

　　图4 第二届比赛中的番茄成熟度视觉监测流程，识别结果用于云平台展示与农事策略调控

　　第三届人工光立体栽培条件下的系统能耗与生菜品质

　　2022年启动、2023年颁奖的第三届赛事，将赛场转向位于上海崇明岛的集装箱式植物工厂，水培生菜成为竞技主角。上海市农业科学院团队获得冠军，赛博农人团队获得第二名和最佳节能奖。这一届AI大赛已把“与植物对话”作为主题，生菜产量、品质、能源利用及商业可行性共同进入评价范围。

　　水培生菜看起来简单，但追求快速生长的同时，商品性与品质也需要同步保障。第三届的水培生菜实践使团队进一步认识到，生长速率可以成为环境反馈控制的重要依据；光、温、水、气、肥的综合管理，需要协调生长速率与烧心焦边等品质风险等协同或平衡。

图5 第三届集装箱式植物工厂水培生菜从定植到采收的生长过程

　　第四届集装箱式植物工厂设计建设与水培生菜AI种植

　　进入决赛的各团队需要自主改造集装箱式植物工厂，栽培布局、光照环境、气流组织、空调配置、水肥灌溉、智能环控等软硬件之间的匹配，成为实力竞争的一部分。系统设计中的一个选择错误，可能同时影响种植面积、作业便利性、微环境调控及最终能耗水平。参赛团队需要理解每个系统部件，也需要理解部件之间的联系，尤其是植物与环境之间的相互关系。

　　图6 第四届赛博农人的集装箱式植物工厂内部，光照立体栽培架的’优雅’生菜水培场景

　　第五届草莓植物工厂的国产化方案

　　从2025年启动，到2026年进入决赛种植阶段，参赛队伍需要在自行建设的50平方米LED植物工厂中，探索高产量、高品质、低成本、低能耗的国产草莓生产方案。最终评审围绕设计与建设、种植成果、成本与能耗、路演与文本总结四大维度展开，让整厂建设、作物表现、投入效率和商业化表达共同接受实战检验。

　　图7 第五届赛博农人草莓植物工厂运行实景，展示整厂建设与运行场景

　　最终，赛博农人团队再次获得一等奖与硕果先锋奖，拟生态团队获得二等奖与创意创新奖，莓立方团队获得三等奖；欧普智莓团队获得优胜奖。赛博农人团队队长陈民慧介绍，他们建造了100%国产化的植物工厂，种植国产化草莓品种“粉玉2号”，将草莓农艺、环境管控与AI算法相结合，提出中国农业大学专属的“中农大”草莓植物工厂解决方案。

　　这条演进路径很有意思：比赛不断引入新的技术，也不断要求参赛者回到更基础的问题——作物为什么生长，投入为什么有效，生长结果为什么会发生变化。

　　4 回到植物理解设施农业的底层逻辑

　　有一组表述很适合用来理解这些比赛：设施农业需要共同提高生产效率、资源与能源效率、劳动效率。它们分别对应着几个直接的问题：单位面积能生产多少合格产品，生产这些产品需要多少水肥和能源，又需要多少劳动力投入。设施生产的价值，最终要通过植物成为产品和商品兑现。光照进入植物冠层，二氧化碳被固定，根系吸收水分与养分，同化产物形成并分配到不同器官，最后成为可采收、可分级、可销售的产品或商品。

图8 第五届植物工厂草莓从定植到采收的生长过程

　　因此，日光温室、连栋温室和人工光型植物工厂虽然拥有不同的环控能力，却都遵循同一条生产逻辑：通过提供适宜的环境和栽培管理，促进有效同化、合理生长与商品形成，最终具备产出投入效率。

　　用“环境要素与光合作用＝环境控制与设施产量”，把这条路径表达得十分直接：光提供能量，二氧化碳提供碳源；温度影响光合、呼吸和发育速度；湿度与气流影响蒸腾、气体交换和叶片能量平衡；根区条件决定水分、养分和氧气供应能否跟上植物地上部分的生长需求。

　　不过，从光合作用走到商品产量，还需要经过时间积累和器官分配。某片叶子在某个时刻拥有较高的净光合速率，并不意味着整季的作物产量一定更高。冠层受光、夜间呼吸、叶面积变化、花果负荷、同化物分配和成熟过程，都需要纳入判断，并不断进行平衡或妥协。不是要做完美的设施生产，还是要最稳妥的生产实现。

　　这也是最小因子限制学说对设施生产的启发：净光合速率会受到当前最具限制性的环境因子约束。二氧化碳不足时，增加光照可能难以获得相应收益；吸水受限时，降低空气湿度可能会加重植物蒸腾负担；冠层气流不足时，环境平均温湿度合适，也不能保证每一层叶片都处于最佳状态。环境限制因素还会随时间、空间和生育阶段而改变。因此，环境控制需要持续寻找当前的制约瓶颈，协调相关条件，再判断调整是否值得投入。

　　5 与植物对话的智能环境控制

　　SPA，即Speaking Plant Approach to Environment Control，可以理解为以植物生理响应为反馈的环境控制方法。它有着长期的植物生理基础与设施环控底层逻辑。相关研究强调，植物响应的测量、识别和优化，是实现SPA的重要任务；适宜环境也未必表现为始终不变的设定值；相信植物是智能的，没有绝对的精准控制，适度控制足够。

图9 与植物对话的设施智能环控技术架构

　　放到生产中，这个过程可以表达为：

　　监测环境因子与植物生长 → 判断植物生理状态与生育需求 → 调整环控设定目标 →自动执行环境控制 → 检验植物生育响应。

　　环境监测告诉我们系统提供了什么条件，植物监测帮助判断这些条件产生了怎样的效果。两类信息相互补充，模型和农艺知识则帮助解释其中的关系。

　　把温室能量、水分和二氧化碳平衡，与植物自身的能量、水分和同化物平衡联系起来。光合作用和蒸腾，正是连接这些过程的重要环节。

　　第五届草莓植物工厂的方案进一步展示了这种思路：叶、花、果的数量与状态，物候期，蒸腾量与同化量信息，与环境、能耗和水肥数据共同进入决策框架。知识图谱组织栽培知识，模型预测可能的生理响应，控制器执行环境调整是否到位。

　　这里的技术难度，在于理解信号。叶片升温可能与受光增加、气流变化或供水不足有关；生长变慢可能与温度、碳供应、根区状态或发育阶段有关。相同现象可能有不同原因，适宜的调控变化也应不同。

　　“与植物对话”需要把观测、解释、决策和验证连起来。这样，种植经验才有机会转化为可以传递、检验和持续改进的设施生产技术，才可能形成不依赖专家或资深种植者的生产规范。

　　6 环境控制权与设施生产保障责任

　　植物工厂摆脱了“看天吃饭”的许多不确定性，但也把更多环境保障责任交给了管理者。这意味着需要更高精度、更复杂的系统来模拟和优化植物栽培环境。理解这句话，关键在于看到人工光型植物工厂的系统耦合。

　　增加光照，会改变热负荷和植物蒸腾；蒸腾量增加，会改变除湿量需求；制冷、除湿和空气循环，又共同影响系统能耗及叶片微环境。灌溉既需要补充水分，也需要兼顾根区盐分、养分和氧气条件。同时，外部天气虽然受到隔离，仍会影响结构性冷热负荷；设备、供电、病害及管理方面的不确定性，也需要由系统设计与运行保障来应对。

　　因此，植物工厂需要主动创造适宜环境，并把这种环控能力维持到整个生产周期。苗期、营养生长期、花果发育期，再到品质形成与采收期的目标不同；同一作物在不同阶段，对温度、光照、水肥和器官负荷的要求也会随之改变。

图10 第五届赛博农人团队自主设计的草莓LED植物工厂

　　所谓综合环境控制，正是把这些随时间变化的植物生长需求组织起来，让生长发育、生产节奏和资源投入相互协调。

　　7 从赛场走向产业—品种、设施、环控与工艺的适配

　　多多农研五届比赛展示了技术进步，也让中国设施农业发展方向的研发任务更加具体。

　　首先是品种、设施、环控与工艺的适配。自然光与人工光照条件的高密度栽培条件，对株型、生育特性、授粉、品质和作业方式提出了新的要求。国产化品种与设施装备的价值，需要通过相互匹配的环境控制与栽培方案充分发挥。优质的国产化草莓品种，如杭州市农科院选育的粉玉、翠玉等白色系列短日草莓品种，在兼顾产量与品质表现的同时，具备更高的经济效益，对LED植物工厂的产业化退岗具有很好的技术支撑作用与市场发展潜力。

图11 第五届多多农研科技大赛的草莓果实大众评审

　　其次是全周期成本。光照效率很重要，制冷除湿、空气循环、水肥处理、劳动力管理、系统维护、产品损耗也同样影响生产经营结果。评价节能，需要同时看合格产出；评价高产，也需要看能源和劳动力投入。

　　再往后，是设施生产的标准化与技术迁移。冠军方案在赛场上取得成绩，为具体应用落地提供了有价值的样本。规模推广还需要验证，不同气候、电价、空间布局及人员条件下，系统能否保持稳定表现。数据标准、传感器校准、模型适用范围、系统维护规程及异常处置等，都是可复制能力的一部分。

　　市场评估也需要更早进入技术方案设计。周年供应能力应对应明确的市场供应窗口、品质要求和销售渠道。稳定供货、风味色泽、新鲜度、商品一致性及损耗控制，才能把技术能力转化为持续的产品价值实现。

　　国家相关部署体现了这种务实方向。《全国现代设施农业建设规划（2023—2030年）》强调因地制宜，并在有关建设布局中提出，在能源成本较低地区适度发展大型连栋玻璃温室和植物工厂；《全国智慧农业行动计划（2024—2028年）》提出开发作物生长、生产管理决策和设施环境多因素联动调控等基础模型算法。近日，中办、国办印发的《关于推动科技创新和产业创新深度融合的意见》强调：加强种业、农机装备等科研攻关，加快农业科技成果推广应用。建设农业工厂成为未来农业新质生产力代表。

　　8 答案：让智能环控决定接受设施生产检验

　　从第一届温室草莓比拼，到第五届植物工厂草莓竞技，五届多多农研科技大赛走过的技术路径，也是不同学科逐渐学会共同面对设施作物如何高效生产的过程，让不同学科的科研人员与产业从业者重新定义和审视未来农业。

　　农艺知识帮助设施确定需求，植物生理解释环境响应，工程系统提供环控能力，模型与算法支持正确决策，生产和市场结果则检验这些选择是否具备实效。