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日本的植物工廠及其新技術

[日期：2010-09-09] 來源：《世界農業》作者：發表評論(0)打印

　　一、概況

　　1. 植物工廠的定義、分類和意義

　　“植物工廠（Plant Factory）”一詞是日本首先提出的，其概念廣義上涵蓋了設施園藝，而狹義上則專指人工光型的植物生產系統。根據日本植物工廠的現狀，植物工廠是完全控制型和太陽光利用型營養液栽培系統的總稱。日本植物工廠學會對植物工廠的定義是：利用環境自動控制、電子技術、生物技術、機器人和新材料等進行植物周年連續生產的系統，也就是利用計算機對植物生育的溫度、濕度、光照、CO2濃度、營養液等環境條件進行自動控制，使設施內植物生育不受自然氣候制約的省力型生產。植物工廠生產的對象包括蔬菜、花卉和果樹，還有一部分大田作物、食用菌等。根據其研究對象層次的不同，植物工廠可分為：以研究植物體為主的狹義的植物工廠，以研究植物組織為主的組織培養系統，以研究植物細胞為主的細胞培養系統。植物工廠的廣義分類見表1。另外，根據對太陽光利用形式的不同，狹義的植物工廠又可分為完全控制型、太陽光利用型和太陽光并用型等3種。植物工廠對于日本農業具有重要意義。首先是提高其農業的生產性，在有限的土地上

　　□ 表1 日本植物工廠廣義分類

　　項目植物工廠（狹義）組織培養系統細胞大量培養系統

　　對象植物全體植物組織植物細胞

　　方法主要是培養液栽培組織培養細胞培養

　　地上部控制因子光、溫、濕、CO2濃度光、溫、濕、CO2濃度溫、光、營養成分

　　地下部控制因子肥料成分、EC、pH、水量、溶氧量營養成分（糖、礦物質、維生素等）pH、溶氧量、攪拌速度

　　利用高度的環境控制技術，提高土地產出率和勞動生產率；其次，使寒冷、酷熱和沙漠等不毛之地的農業生產成為可能；植物工廠內的作業環境優越，實行機械化生產節省勞動力，使集中勞動周年平均化；進行無農藥生產，可提供新鮮高品質綠色食品；利用營養液栽培減少連作障礙，周年有計劃穩定地生產。但是，植物工廠進行的是高投入高產出的生產活動，設備投資大，電力消耗多，因此生產成本較高。例如，太陽光利用型植物工廠每生產一株生菜的成本約為50日元，而完全控制型植物工廠則需要100日元以上。

　　2. 植物工廠發展的歷史與現狀

　　1974年日立制作所率先在日本著手進行植物工廠的開發工作，其后植物工廠的研究便盛行起來，到1975年底，有許多企業和大學也加入研究行列。那時的研究還是把營養液栽培的自動化與植物工廠獨立開來，直到1985年二者有機結合后，植物工廠的數量才在短期內迅速增多起來，達到了日本植物工廠發展的一個高潮。

　　早期的植物工廠以研究為主，也有實用化的植物工廠可以進行以生菜為主的葉菜類蔬菜、蘿卜芹菜和蘑菇等的生產。近年來，以生產經營和示范性農業公園形式出現的植物工廠越來越多。截至1997年，實際運營中的植物工廠有16個，面積約1.5hm2，年產量約550t，主要進行生菜、番茄、草莓、菠菜、玫瑰花和部分組培苗的生產，其中太陽光利用型1hm2，年產量287t，完全控制型0.5hm2，年產量260t。到2001年增加到20多個，遍及日本全國各地。

　　隨著植物工廠的發展，與其相關的一些研究機構、組織和企業不斷成立，相關活動越來越多。如日本植物工廠學會每年舉行一次全國性的學術大會，植物工廠普及振興會積極開展推廣應用工作，同時與設施園藝學會、生物環境調節學會、氣象學會、照明學會、電氣學會等保持密切聯系，以保證其研究水平的先進性和實用性。

　　二、主要技術

　　1. 營養液栽培技術

　　日本營養液栽培的方法有許多種，如NFT、湛液培、噴霧培、固體基質培（包括巖棉培、礫培、砂培等），其中以巖棉培和NFT為主，而巖棉培更是占到營養液栽培面積的近50 ％。典型的營養液栽培裝置有以下幾種形式：①三水式NFT裝置——栽培床用泡沫制成，有一定的斜度（l／8～1／100），底部營養液呈薄膜狀緩緩流動，可以自動供肥，還設有殺菌裝置；②協和式——使用成型塑料栽培床，分成若干單元，適用于果菜栽培；③M式——栽培槽用“U”型泡沫制作的成型產品連接而成，定植板也用泡沫做成，里面鋪聚乙烯薄膜，適于葉萊特別是鴨兒芹栽培；④新和式等量交換裝置——其主要特征是栽培槽分成兩部分，相互間進行營養液的等量交換，以補給根系充足的氧氣（②、③、④均屬于湛液栽培裝置）；⑤誠和式——這是一種循環式巖棉栽培裝置，在栽培槽中央安裝排水管，從下到上依次鋪放粒狀巖棉墊、巖棉塊和定型灌水管，采用滴灌方式，多余的營養液經排水管流回集水槽供循環使用。植物工廠中多采用移動栽培裝置，主要有平面式、立體式和傾斜式三種，通過合理密植，提高了有效栽培面積。

　　日本的營養液理論非常成熟，其中興津園藝試驗場開發的國試標準配方通用性好，適用于多種蔬菜，而山崎配方則是針對每一種作物提出的專有配方。這兩種配方在我國也得到廣泛應用，此外還有神園配方等。日本在營養液的管理、殺菌、回收處理、病害防治等方面的研究與應用，也達到了較高水平。營養液栽培技術的發展促進了植物工廠水平的提高，與土壤栽培相比，營養液栽培能加速作物生育進程，使一年的栽培茬數增加 15 ％～20 ％，如生菜和芹菜一年可栽培6茬，洋蔥4.8茬，黃瓜和番茄1.8茬。

　　2. 環境控制技術

　　植物工廠為達到周年連續生產的目標，環境控制是一項重要的技術。

　�。�1）作物生長及其環境。植物工廠作為一個半封閉系統時刻不斷地與外界進行物質、能量和信息的交換，其內部作物的生育受到以下環境因子的影響和制約：光照（光強、光質和日照長度）、溫度、濕度、CO2氣體濃度、風速及根部環境因子如營養液的pH、EC、肥料成分、溶氧量、液溫、流速等。對植物工廠進行環境優化控制，最根本的是要明確作物光合作用、產物積累、轉流分配、發育和呼吸等生理過程與全部或部分環境因子之間的關系。但是由于存在以下3個問題點，植物工廠的環境控制并不簡單：其一是各種環境因子并不是獨立對作物生育起作用，而是諸因子綜合作用的結果；其二是控制成本問題；其三是最大的產量并不意味著最高的品質。

　　最近，日本在電磁場、音響、遠紅外線等物理刺激對作物生育影響上的研究，特別引人注目，但關于其產生效果的機理原因尚不清楚。

　�。�2）環境控制的原理與方法。植物工廠特別是完全控制型植物工廠為控制光、溫等條件需消耗補光、空調的大量電力，環境控制成本很高，同時環境控制存在報酬遞減的規律，即當控制成本增加到一定程度后繼續增加，控制效果越來越小。所以，在植物工廠中要綜合考慮各環境因子的復合作用效果，首先優化控制成本低、效果好的因子才是合理的，這是一種普遍采用的控制方法，稱為最適化原理。采用這種方法，可以用成本低的因子彌補成本高的因子，達到較好的綜合控制效果。

　　日本植物工廠環境控制的方法主要有以下兩大類：①過程控制——反饋控制、ON－OFF控制、PID控制；②計算機控制——分布式控制，分時集中控制，分層網絡化控制，最適化、適應化和智能化控制。

　　三、最新發展動態

　　在最近幾年日本植物工廠學會會刊及相關學術會議上，發表了許多該領域的最新技術報告，集中起來主要有以下幾個方面：⑴人工補光技術，包括熒光燈近距離高效間歇補光、高壓鈉燈超廣角燈具的開發及發光二極管LED、激光二極管LD等新型光源的研制；⑵營養液殺菌（熱殺菌、紫外線殺菌、臭氧殺菌）系統的開發；⑶利用圖像處理和通訊技術進行遠距離栽培管理；⑷閉鎖系統CELSS的研究；⑸功能性無農藥蔬菜及品質評價；⑹植物工廠規劃設計的虛擬技術；⑺利用生物技術進行組培、育種和轉基因的研究；⑻栽培管理的信息化、網絡化和智能化（專家系統、決策支持系統）；⑼種苗工廠和地下植物工廠的開發；⑽作物生理信息的監控；⑾植物工廠的自動化技術及Internet技術在植物工廠方面的應用等。

　　四、展望

　　目前，日本植物工廠的發展達到較高水平，在部分領域的研究和應用已超過了溫室業較發達的荷蘭、以色列等國，但仍然面臨諸多技術課題亟待解決。為推進植物工廠的產業化進程，以降低生產成本為核心，進行硬件和軟件的技術開發至關重要。

　　進入21世紀，植物工廠在日本農業中將發揮越來越重要的作用，對于解決糧食問題、環境問題，乃至于對宇宙的開發，都開辟了一條新的途徑。

　　作者單位：江蘇大學農業裝備工程研究院

　　※ 日本三重大學生物資源學部

　　摘自：《世界農業》雜志2002年第十一期

編輯：jojo | 閱讀：次

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