中国人口众多，耕地面积在逐年减少，人均耕地面积不到世界平均水平的1/3，人均淡水资源占有量仅为世界平均水平的1/4，加之灾害频发，更为严重的是，伴随城市化的进程，目前农村60%从事农业生产的劳力是60岁以上的老人，农业正面临前所未有的挑战。
植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，它利用计算机对设施内温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境要素进行自动控制，使得设施内植物的生长发育不受或很少受自然条件的制约。
相比于传统的田间种植，植物工厂有着明显的优势：由于突破了自然种植条件和气候条件限制，植物工厂单位面积的产量可提高数十倍乃至数百倍，生产的计划控制性也大大增强；此外，植物工厂生产环境与外界相对隔离，避免了病虫害的发生，种植过程中无需农药，产品清洁卫生；不仅如此，这种由计算机控制的植物生产，使得劳动强度也大为降低，可以吸引更多的年轻人从事农业。近年来，日本政府就投入了1500亿日元用于数字植物工厂的发展，目的也是为了解决其农业面临的诸多难题。
这项被视为“现代农业最高境界”的技术在全球仅有美国、日本、荷兰等少数几个国家掌握。植物工厂集中运用了现代农业高新技术成果，要掌握它，就必须在营养液栽培技术、环境控制技术以及人工光源技术等关键技术方面有所突破。
植物生长需要包括氮、磷、钾在内的16种必需的营养元素，植物工厂内采用的是营养液无土栽培方式，因此需为不同植物配制出相应的营养液。我们通过10多年的试验研究，已完全掌握了植物工厂栽培蔬菜对营养成分的需求参数，并研制出了精确控制营养液的测控系统。
环境控制与计算机科学密切相关。要让植物在整个生命周期里生长更为迅速，就必须实现对环境温度、湿度、光照强度、营养液浓度等众多植物生长要素的实时自动调节，而这些要依靠计算机控制系统来完成。我们可以让未来的数字植物工厂变得‘傻瓜化’，对于你需要种植的作物，只要放入种子，然后在菜单中选择相对应的模式——比如生菜、香草、番茄，就可以静待果实了。
人工光源技术是数字植物工厂颇具挑战性的技术难点。俗话说，万物生长靠阳光，离开了阳光的植物如何能够生长得更好，光照起着决定性的作用。植物生长需要吸收的光谱与我们平时所使用的照明灯的光谱相差很大，要让植物更好的生长，必须为它们匹配出符合它们生长需求的光谱组合。此外，在植物工厂中，人工光所耗费的能源占到整个运营费用的一半以上，所以如何节能也是我们面对的问题。
2009年8月，面积达200平方米的中国首个数字植物工厂在长春诞生。这个工厂由育苗工厂和蔬菜工厂组成。育苗工厂的育苗周期可以缩短30%以上，育苗效率可达常规育苗的40倍；蔬菜工厂采用5层栽培床立体种植，所栽培的叶用莴笋从定植到采收仅用16-18天，比常规周期缩短40%，单位面积产量为露地栽培的25倍以上。
相比于传统农业，目前数字植物工厂的成本仍然颇高。目前数字植物工厂的单位面积造价约为0.5万-1.1万元/平方米，此外运营过程中还有能源、营养、人工等费用。但这只是一个起步阶段的测算，当这项技术被大规模推广应用时，相信其造价一定会得到极大的降低。
（作者系中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员）
