日本的植物工厂和新技术

1、无尘植物工厂生机勃发在日本，一种被称为“植物工厂”的新生产方式正成为改变日本传统 农业生产方式的新亮点，它不但有望以更少的资源产出更多的蔬菜和 粮食，还可为提高就业率作贡献。记者日前应日本政府的邀请，参观 了东京千叶县一家“植物工厂”。面对西装笔挺的嶋村茂治（37岁），你一定无法想象他的专长是种 菜，而且他不只是自己种菜，还教人种菜。嶋村不是传统的农夫；他不必一年365天每天十多个小时在菜园 里锄草施肥抓害虫，他甚至不需要去菜园，因为他的菜都种植在室内。嶋村采用的是一种称为“植物工厂”的科技， 也就是在密封的环境中，人为地调节植物的生长环境，包括控制光线、温度、湿气、二氧化碳和水，以确保全年可

2、以稳定地收成。毕业自千叶大学园艺学院的嶋村，在求学期间接触到在植物工厂 的新科技。据该大学副教授丸尾达介绍，植物工厂可分为完全使用人 造灯光、同时使用人造灯光和阳光，以及只靠阳光三种设施。嶋村的植物工厂所采用的，就是只靠人造灯光的先进设施。 植物 在强烈灯光的照射下，就像被阳光照耀一样，也能产生光合作用。由于植物不需要靠阳光生长，加上新科技确保植物不会在人造灯 的照射下，表面温度过高，所以植物工厂内的蔬菜，不必像在农田里 那样，一字排开地种植，而是可以种在多层架子上，节省了许多空间。植物工厂的收成也高于传统种植法。据嶋村介绍，他们可以通过 调节灯光来控制植物的生长。例如，他们一般会让灯光照射植

3、物六七 个小时，然后关灯一两个小时，以“欺骗”植物一天过去了，借以加 速其生长周期，更快和更频繁地收成。干净无尘无杀虫剂此外，由于植物工厂是个密圭寸空间，植物的生长不再受到天气等 自然环境的影响，蔬菜的供应量也可以保持稳定。为了确保植物不被害虫侵害，植物工厂犹如半导体业中的洁净 室，工人进去之前，必须先洗净身体，换上连衫裤和戴上头罩、手套 和口罩。工厂内的植物也不是种在泥土中， 而是利用水耕法， 靠营养液生 长。嵨村说，植物的形状和味道，也可以通过控制营养液的种类和数 量等方式，来加以控制和改变。由于是在干净无尘的环境中生长， 加上没有使用杀虫剂， 植物工 厂种植出来的蔬菜，不需要清洗就能直接

4、放进口中品尝。记者尝了一口植物工厂种植出来的蔬菜，发现其味道清甜爽脆。 加上这些蔬菜的外型美观，难怪日本一些餐馆如连锁餐厅大户屋 (Ootoya),都开始使用植物工厂种植出来的蔬菜。为其他企业提供咨询除了售卖自己工厂所种植的蔬菜之外， 嶋村经营的未来(Mirai ) 公司也为其他有意设立植物工厂的企业提供咨询。例如,嶋村今年较早时候就协助日本考察队, 在南极基地设立了 植物工厂,让他们一年到头都可以吃到新鲜的蔬菜。位于府中市的小津公司是另一个例子。 该公司 300多年来一直从 事造纸生意, 但随着时代的变迁, 公司已经不需要那么多空间来囤积 纸张。 在嶋村的协助下, 该公司挪出 500平方公尺

5、的空间来设立 植物工厂,生产生菜等绿叶蔬菜。自去年 10 月投入生产以来,小津 公司的植物工厂现在每天能够生产大约 1800棵生菜,东京的约 80 家 餐馆,以及零售商店和超级市场,都是他们的顾客。嵨村说， 日本一家在新加坡设有子公司的企业已经跟他接洽， 有意在新加坡设立植物工厂，不过，嵨村不愿意透露细节。据千叶大学的丸尾达副教授介绍， 植物工厂长期来说能够解决日 本农民人口老龄化和蔬菜供应不稳定问题。根据 2004年的统计数字， 日本男性农民的平均年龄约 63 岁，当 中超过 70%的农民在 60 岁以上，只有 5%不超过 40 岁。由于预见到农民老龄化的形势严峻， 日本政府也大力推广植物工

6、 厂，目标是在三年内，把日本全国的植物工厂，从目前的大约 50 家 增加到 150 家。经营植物工厂面对的一大问题是成本。目前，植物工厂种植出来的生菜，其生产成本是每 100克约 100 日元（约 1.5 新元），零售价则是每 100克 180 至 200日元，比传统 方式种植出来的生菜售价贵了一倍。丸尾达副教授说， 他们的目标是在三年内， 把生产成本削减至每 100克 60 日元日本的植物工厂及其新技术一、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

7、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、C02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

8、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、C02浓度光、温、湿、C02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；

9、 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

10、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。至U 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

11、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： 三水式NFT装置一一栽培床用泡沫制成，有一 定的斜度（I /81/100）,底部营养

12、液呈薄膜状缓缓流动，可以自动供肥，还设有杀菌 装置；协和式一一使用成型塑料栽培床，分成若干单元，适用于果菜栽培；M式一一栽培槽用“ 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； 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（、均属于湛液栽 培装置）；诚和式一一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

13、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。（

14、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 EG 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

15、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

16、物工厂环境控制的方法主要有以下两大类：过程控制一一反馈控制、ONOFF控制、PID控制；计算机控制一一分布式控制，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：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； 营养液杀菌（热杀菌、紫外线杀菌、臭氧杀菌）系统的开发；利用图像处理和通讯技 术进行远距离栽培管理；闭锁系统CELSS勺研究；功能性无农药蔬菜及品质评价； 植物工厂规划设计的虚拟技术；利用生物技术进行组培、育种和转基因的研究；栽培 管理的信息化、网络化和智能化（专家系