蔬菜栽培学各论课程论文——高品质生菜栽培“植物工厂”园艺113班欧智元1131100608.doc

蔬菜栽培学各论 课程论文 任课教师：于文进/刘正国 题目：高品质蔬菜栽培“植物工厂” 姓名：欧智元 学号：1131100608 专业班级：园艺113班 日期：2014.5.31高品质蔬菜栽培“植物工厂” 园艺113班 欧智元 1131100608摘要： 农业的发展先后经历了以石器时代木棒为工具的原始农业，以青铜器、铁器制作工具的自然农业，传统农业，以农药、化肥、除草剂为标志的化学农业到以机械化、自动化为标志的现代农业等多个不同发展历史阶段，使人类社会逐步由低级向高级阶段发展。农业生产在满足了人类生存与发展需求的同时，也给人类带来了生存的压力。而今农药、化肥、除草剂的使用产生不良后果，让我们更渴望绝对安全的新鲜蔬菜。这让高品质蔬菜栽培方式“植物工厂”应时而生。 关键词：日本 蔬菜 植物工厂 安全 未来食品 一、植物工厂的概念、意义 所谓植物工厂，是指在封闭的环境中，人工控制植物的生长环境，比如光、温度、湿度、养分等，通过高水平的环境调节，全天候地批量生产蔬菜等植物。目前主要分为“完全控制型”、“太阳光、人工光并用型”和“太阳光利用型”三种类型。 “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、二氧化碳浓度、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。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。二、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1.5h平方米，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1h平方米，年产量287t，完全控制型0.5h平方米，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。三、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：三水式NFT装置2D2D栽培床用泡沫制成，有一定的斜度(1801100)，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；协和式2D2D使用成型塑料栽培床，分成若干单元，适用于果菜栽培；M式2D2D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，适于叶菜特别是鸭儿芹栽培；新和式等量交换装置2D2D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(、均属于湛液栽培装置)；诚和式2D2D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园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：过程控制2D2D反馈控制、ON-OFF控制、PID控制；计算机控制2D2D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。 千叶大学在植物工厂的技术研发中走在前列，在其完全控制型植物工厂中，所有的环境都经过严格控制完全无菌、没有灰尘、昆虫的污染，也不接触新鲜空气。 蔬菜种植者们一改往日农夫的邋遢形象，他们带着手套、医用口罩、身着隔离灰尘的服装。 植物工厂制造的蔬菜有绿叶蔬菜、罗曼生菜和茼蒿等，这些蔬菜都会以优惠的价格卖给日本消费者。由于在生产过程中没有使用农药，因此不会有食品中毒的风险。 另外，由于这些植物生长在干净的环境中，购买者不需要清洗就可以直接食用，但其同真正的食物有一些区别。从光照到温度和湿度，对植物的每个生长要素都进行了细微地控制，这些看起来更像是杂货店里一排排灯火通明的货架，而不是蔬菜园里的一排排菜架。不过据它们的创造者的说法，这些看来完美无瑕的蔬菜可能就是我们未来的食物。 日本科学家正在开发一项蔬菜种植的新方法：整个环境完全由人工控制而且是无菌，也就是说，这是一个既没有灰尘也没有昆虫和新鲜空气的环境。这些称为“种植工厂”的不起眼库房如雨后春笋般地遍布日本各地，它们每周7天，每天24小时不间断地大量生产这种完美无暇的生菜以及各类绿叶蔬菜。植物的每个生长环节处于完全控制中：从照明到温度、从湿度到水分。甚至二氧化碳的浓度每分钟也有改变。种植厂的工人们不像传统菜农那样穿着破衣服、留着脏指甲，而是戴着手套和医用口罩，还穿着通常在化工厂才能见到的防尘防护服。 日本消费者高价购买这些绿叶菜、长叶生菜、茼蒿等种植厂的蔬菜。没有使用农药，也就不存在被污染的蔬菜引起中毒的可能。因为这些植物种植在干净的房间里，不用水洗就可安全食用。在这里，生菜一年可以收割20次。一些大型的种植工厂一年可以生产300万颗蔬菜。 这些蔬菜在种植过程中并没有使用杀虫剂，因此不存在被能够引起食物中毒的细菌污染的风险。由于在无菌条件下生长，植物工厂的蔬菜可以在不清洗情况下安全食用。值得一提的是，这里的莴苣每年可采摘20次。一些面积较大的植物工厂每年可提供300万株蔬菜。推广植物工厂所能收到的一个重要效果就是“卫生”，即最后可能获得的真正食物的安全性。 植物工厂在不让蔬菜与外部空气接触情况下进行种植。通过控制日照、温度、湿度、二氧化碳和水，我们能够保证全年的稳定蔬菜供应。除此之外，植物工厂的蔬菜也能够满足消费者希望食用安全食品的这种需求。参考文献：1、 植物工厂的产生、发展与未来日期：2012-06-26 作者：余锡寿 刘跃萍 来源：AO农