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日本的植物工厂及其新技术

[日期：2010-09-09] 来源：《世界农业》作者：发表评论(0)打印

　　一、概况

　　1. 植物工厂的定义、分类和意义

　　“植物工厂（Plant Factory）”一词是日本首先提出的，其概念广义上涵盖了设施园艺，而狭义上则专指人工光型的植物生产系统。根据日本植物工厂的现状，植物工厂是完全控制型和太阳光利用型营养液栽培系统的总称。日本植物工厂学会对植物工厂的定义是：利用环境自动控制、电子技术、生物技术、机器人和新材料等进行植物周年连续生产的系统，也就是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO2浓度、营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生育不受自然气候制约的省力型生产。植物工厂生产的对象包括蔬菜、花卉和果树，还有一部分大田作物、食用菌等。根据其研究对象层次的不同，植物工厂可分为：以研究植物体为主的狭义的植物工厂，以研究植物组织为主的组织培养系统，以研究植物细胞为主的细胞培养系统。植物工厂的广义分类见表1。另外，根据对太阳光利用形式的不同，狭义的植物工厂又可分为完全控制型、太阳光利用型和太阳光并用型等3种。植物工厂对于日本农业具有重要意义。首先是提高其农业的生产性，在有限的土地上

　　□ 表1 日本植物工厂广义分类

　　项目植物工厂（狭义）组织培养系统细胞大量培养系统

　　对象植物全体植物组织植物细胞

　　方法主要是培养液栽培组织培养细胞培养

　　地上部控制因子光、温、湿、CO2浓度光、温、湿、CO2浓度温、光、营养成分

　　地下部控制因子肥料成分、EC、pH、水量、溶氧量营养成分（糖、矿物质、维生素等）pH、溶氧量、搅拌速度

　　利用高度的环境控制技术，提高土地产出率和劳动生产率；其次，使寒冷、酷热和沙漠等不毛之地的农业生产成为可能；植物工厂内的作业环境优越，实行机械化生产节省劳动力，使集中劳动周年平均化；进行无农药生产，可提供新鲜高品质绿色食品；利用营养液栽培减少连作障碍，周年有计划稳定地生产。但是，植物工厂进行的是高投入高产出的生产活动，设备投资大，电力消耗多，因此生产成本较高。例如，太阳光利用型植物工厂每生产一株生菜的成本约为50日元，而完全控制型植物工厂则需要100日元以上。

　　2. 植物工厂发展的历史与现状

　　1974年日立制作所率先在日本着手进行植物工厂的开发工作，其后植物工厂的研究便盛行起来，到1975年底，有许多企业和大学也加入研究行列。那时的研究还是把营养液栽培的自动化与植物工厂独立开来，直到1985年二者有机结合后，植物工厂的数量才在短期内迅速增多起来，达到了日本植物工厂发展的一个高潮。

　　早期的植物工厂以研究为主，也有实用化的植物工厂可以进行以生菜为主的叶菜类蔬菜、萝卜芹菜和蘑菇等的生产。近年来，以生产经营和示范性农业公园形式出现的植物工厂越来越多。截至1997年，实际运营中的植物工厂有16个，面积约1.5hm2，年产量约550t，主要进行生菜、番茄、草莓、菠菜、玫瑰花和部分组培苗的生产，其中太阳光利用型1hm2，年产量287t，完全控制型0.5hm2，年产量260t。到2001年增加到20多个，遍及日本全国各地。

　　随着植物工厂的发展，与其相关的一些研究机构、组织和企业不断成立，相关活动越来越多。如日本植物工厂学会每年举行一次全国性的学术大会，植物工厂普及振兴会积极开展推广应用工作，同时与设施园艺学会、生物环境调节学会、气象学会、照明学会、电气学会等保持密切联系，以保证其研究水平的先进性和实用性。

　　二、主要技术

　　1. 营养液栽培技术

　　日本营养液栽培的方法有许多种，如NFT、湛液培、喷雾培、固体基质培（包括岩棉培、砾培、砂培等），其中以岩棉培和NFT为主，而岩棉培更是占到营养液栽培面积的近50 ％。典型的营养液栽培装置有以下几种形式：①三水式NFT装置——栽培床用泡沫制成，有一定的斜度（l／8～1／100），底部营养液呈薄膜状缓缓流动，可以自动供肥，还设有杀菌装置；②协和式——使用成型塑料栽培床，分成若干单元，适用于果菜栽培；③M式——栽培槽用“U”型泡沫制作的成型产品连接而成，定植板也用泡沫做成，里面铺聚乙烯薄膜，适于叶莱特别是鸭儿芹栽培；④新和式等量交换装置——其主要特征是栽培槽分成两部分，相互间进行营养液的等量交换，以补给根系充足的氧气（②、③、④均属于湛液栽培装置）；⑤诚和式——这是一种循环式岩棉栽培装置，在栽培槽中央安装排水管，从下到上依次铺放粒状岩棉垫、岩棉块和定型灌水管，采用滴灌方式，多余的营养液经排水管流回集水槽供循环使用。植物工厂中多采用移动栽培装置，主要有平面式、立体式和倾斜式三种，通过合理密植，提高了有效栽培面积。

　　日本的营养液理论非常成熟，其中兴津园艺试验场开发的国试标准配方通用性好，适用于多种蔬菜，而山崎配方则是针对每一种作物提出的专有配方。这两种配方在我国也得到广泛应用，此外还有神园配方等。日本在营养液的管理、杀菌、回收处理、病害防治等方面的研究与应用，也达到了较高水平。营养液栽培技术的发展促进了植物工厂水平的提高，与土壤栽培相比，营养液栽培能加速作物生育进程，使一年的栽培茬数增加 15 ％～20 ％，如生菜和芹菜一年可栽培6茬，洋葱4.8茬，黄瓜和番茄1.8茬。

　　2. 环境控制技术

　　植物工厂为达到周年连续生产的目标，环境控制是一项重要的技术。

　　（1）作物生长及其环境。植物工厂作为一个半封闭系统时刻不断地与外界进行物质、能量和信息的交换，其内部作物的生育受到以下环境因子的影响和制约：光照（光强、光质和日照长度）、温度、湿度、CO2气体浓度、风速及根部环境因子如营养液的pH、EC、肥料成分、溶氧量、液温、流速等。对植物工厂进行环境优化控制，最根本的是要明确作物光合作用、产物积累、转流分配、发育和呼吸等生理过程与全部或部分环境因子之间的关系。但是由于存在以下3个问题点，植物工厂的环境控制并不简单：其一是各种环境因子并不是独立对作物生育起作用，而是诸因子综合作用的结果；其二是控制成本问题；其三是最大的产量并不意味着最高的品质。

　　最近，日本在电磁场、音响、远红外线等物理刺激对作物生育影响上的研究，特别引人注目，但关于其产生效果的机理原因尚不清楚。

　　（2）环境控制的原理与方法。植物工厂特别是完全控制型植物工厂为控制光、温等条件需消耗补光、空调的大量电力，环境控制成本很高，同时环境控制存在报酬递减的规律，即当控制成本增加到一定程度后继续增加，控制效果越来越小。所以，在植物工厂中要综合考虑各环境因子的复合作用效果，首先优化控制成本低、效果好的因子才是合理的，这是一种普遍采用的控制方法，称为最适化原理。采用这种方法，可以用成本低的因子弥补成本高的因子，达到较好的综合控制效果。

　　日本植物工厂环境控制的方法主要有以下两大类：①过程控制——反馈控制、ON－OFF控制、PID控制；②计算机控制——分布式控制，分时集中控制，分层网络化控制，最适化、适应化和智能化控制。

　　三、最新发展动态

　　在最近几年日本植物工厂学会会刊及相关学术会议上，发表了许多该领域的最新技术报告，集中起来主要有以下几个方面：⑴人工补光技术，包括荧光灯近距离高效间歇补光、高压钠灯超广角灯具的开发及发光二极管LED、激光二极管LD等新型光源的研制；⑵营养液杀菌（热杀菌、紫外线杀菌、臭氧杀菌）系统的开发；⑶利用图像处理和通讯技术进行远距离栽培管理；⑷闭锁系统CELSS的研究；⑸功能性无农药蔬菜及品质评价；⑹植物工厂规划设计的虚拟技术；⑺利用生物技术进行组培、育种和转基因的研究；⑻栽培管理的信息化、网络化和智能化（专家系统、决策支持系统）；⑼种苗工厂和地下植物工厂的开发；⑽作物生理信息的监控；⑾植物工厂的自动化技术及Internet技术在植物工厂方面的应用等。

　　四、展望

　　目前，日本植物工厂的发展达到较高水平，在部分领域的研究和应用已超过了温室业较发达的荷兰、以色列等国，但仍然面临诸多技术课题亟待解决。为推进植物工厂的产业化进程，以降低生产成本为核心，进行硬件和软件的技术开发至关重要。

　　进入21世纪，植物工厂在日本农业中将发挥越来越重要的作用，对于解决粮食问题、环境问题，乃至于对宇宙的开发，都开辟了一条新的途径。

　　作者单位：江苏大学农业装备工程研究院

　　※ 日本三重大学生物资源学部

　　摘自：《世界农业》杂志2002年第十一期

编辑：jojo | 阅读：次

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