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(shè)施園藝，而狹義上則專指人工光型的植物生產(chǎn)系統(tǒng)。根據(jù)日本植物工廠的現(xiàn)狀，植物工廠是完全控制型和太陽光利用型營養(yǎng)液栽培系統(tǒng)的總稱。日本植物工廠學(xué)會(huì)對(duì)植物工廠的定義是：利用環(huán)境自動(dòng)控制、電子技術(shù)、生物技術(shù)、機(jī)器人和新材料等進(jìn)行植物周年連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng)，也就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)植物生育的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、營養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制，使設(shè)施內(nèi)植物生育不受自然氣候制約的省力型生產(chǎn)。
植物工廠生產(chǎn)的對(duì)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(jù)其研究對(duì)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(yǎng)系統(tǒng)，以研究植物細(xì)胞為主的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)。另外，根據(jù)對(duì)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(duì)于日本農(nóng)業(yè)具有重要意義。首先是提高其農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)性，在有限的土地上利用高度的環(huán)境控制技術(shù)，提高土地產(chǎn)出率和勞動(dòng)生產(chǎn)率；其次，使寒冷、酷熱和沙漠等不毛之地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成為可能；植物工廠內(nèi)的作業(yè)環(huán)境優(yōu)越，實(shí)行機(jī)械化生產(chǎn)節(jié)省勞動(dòng)力，使集中勞動(dòng)周年平均化；進(jìn)行無農(nóng)藥生產(chǎn)，可提供新鮮高品質(zhì)綠色食品；利用營養(yǎng)液栽培減少連作障礙，周年有計(jì)劃穩(wěn)定地生產(chǎn)。但是，植物工廠進(jìn)行的是高投入高產(chǎn)出的生產(chǎn)活動(dòng)，設(shè)備投資大，電力消耗多，因此生產(chǎn)成本較高。例如，太陽光利用型植物工廠每生產(chǎn)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(fā)展的歷史與現(xiàn)狀
1974年日立制作所率先在日本著手進(jìn)行植物工廠的開發(fā)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(yè)和大學(xué)也加入研究行列。那時(shí)的研究還是把營養(yǎng)液栽培的自動(dòng)化與植物工廠獨(dú)立開來，直到1985年二者有機(jī)結(jié)合后，植物工廠的數(shù)量才在短期內(nèi)迅速增多起來，達(dá)到了日本植物工廠發(fā)展的一個(gè)高潮。
早期的植物工廠以研究為主，也有實(shí)用化的植物工廠可以進(jìn)行以生菜為主的葉菜類蔬菜、蘿卜、芹菜和蘑菇等的生產(chǎn)。近年來，以生產(chǎn)經(jīng)營和示范性農(nóng)業(yè)公園形式出現(xiàn)的植物工廠越來越多。截至1997年，實(shí)際運(yùn)營中的植物工廠有16個(gè)，面積約1.5h平方米，年產(chǎn)量約550t，主要進(jìn)行生菜、番茄、草莓、菠菜、玫瑰花和部分組培苗的生產(chǎn)，其中太陽光利用型1h平方米，年產(chǎn)量287t，完全控制型0.5h平方米，年產(chǎn)量260t。到2001年增加到20多個(gè)，遍及日本全國各地。
隨著植物工廠的發(fā)展，與其相關(guān)的一些研究機(jī)構(gòu)、組織和企業(yè)不斷成立，相關(guān)活動(dòng)越來越多。如日本植物工廠學(xué)會(huì)每年舉行一次全國性的學(xué)術(shù)大會(huì)，植物工廠普及振興會(huì)積極開展推廣應(yīng)用工作，同時(shí)與設(shè)施園藝學(xué)會(huì)、生物環(huán)境調(diào)節(jié)學(xué)會(huì)、氣象學(xué)會(huì)、照明學(xué)會(huì)、電氣學(xué)會(huì)等保持密切聯(lián)系，以保證其研究水平的先進(jìn)性和實(shí)用性。
二、主要技術(shù)
1.營養(yǎng)液栽培技術(shù)
日本營養(yǎng)液栽培的方法有許多種，如NFT、湛液培、噴霧培、固體基質(zhì)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(yǎng)液栽培面積的近50％。典型的營養(yǎng)液栽培裝置有以下幾種形式：①三水式NFT裝置?D?D栽培床用泡沫制成，有一定的斜度(1／80－1／100)，底部營養(yǎng)液呈薄膜狀緩緩流動(dòng)，可以自動(dòng)供肥，還設(shè)有殺菌裝置；②協(xié)和式?D?D使用成型塑料栽培床，分成若干單元，適用于果菜栽培；③M式?D?D栽培槽用“U”型泡沫制作的成型產(chǎn)品連接而成，定植板也用泡沫做成，里面鋪聚乙烯薄膜，適于葉菜特別是鴨兒芹栽培；④新和式等量交換裝置?D?D其主要特征是栽培槽分成兩部分，相互間進(jìn)行營養(yǎng)液的等量交換，以補(bǔ)給根系充足的氧氣(②、③、④均屬于湛液栽培裝置)；⑤誠和式?D?D這是一種循環(huán)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(yǎng)液經(jīng)排水管流回集水槽供循環(huán)使用。植物工廠中多采用移動(dòng)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(yǎng)液理論非常成熟，其中興津園藝試驗(yàn)場開發(fā)的園試標(biāo)準(zhǔn)配方通用性好，適用于多種蔬菜，而山崎配方則是針對(duì)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(yīng)用，此外還有神園配方等。日本在營養(yǎng)液的管理、殺菌、回收處理、病害防治等方面的研究與應(yīng)用，也達(dá)到了較高水平。營養(yǎng)液栽培技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了植物工廠水平的提高，與土壤栽培相比，營養(yǎng)液栽培能加速作物生育進(jìn)程，使一年的栽培茬數(shù)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(huán)境控制技術(shù)
植物工廠為達(dá)到周年連續(xù)生產(chǎn)的目標(biāo)，環(huán)境控制是一項(xiàng)重要的技術(shù)。
(1)作物生長及其環(huán)境。植物工廠作為一個(gè)半封閉系統(tǒng)時(shí)刻不斷地與外界進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交換，其內(nèi)部作物的生育受到以下環(huán)境因子的影響和制約：光照(光強(qiáng)、光質(zhì)和日照長度)、溫度、濕度、C02氣體濃度、風(fēng)速及根部環(huán)境因子如營養(yǎng)液的pH、EC、肥料成分、溶氧量、液溫、流速等。對(duì)植物工廠進(jìn)行環(huán)境優(yōu)化控制，最根本的是要明確作物光合作用、產(chǎn)物積累、轉(zhuǎn)流分配、發(fā)育和呼吸等生理過程與全部或部分環(huán)境因子之間的關(guān)系。但是由于存在以下3個(gè)問題點(diǎn)，植物工廠的環(huán)境控制并不簡單：其一是各種環(huán)境因子并不是獨(dú)立對(duì)作物生育起作用，而是諸因子綜合作用的結(jié)果；其二是控制成本問題；其三是最大的產(chǎn)量并不意味著最高的品質(zhì)。
最近，日本在電磁場、音響、遠(yuǎn)紅外線等物理刺激對(duì)作物生育影響上的研究，特別引人注目，但關(guān)于其產(chǎn)生效果的機(jī)理原因尚不清楚。
(2)環(huán)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(bǔ)光、空調(diào)的大量電力，環(huán)境控制成本很高，同時(shí)環(huán)境控制存在報(bào)酬遞減的規(guī)律，即當(dāng)控制成本增加到一定程度后繼續(xù)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(huán)境因子的復(fù)合作用效果，首先優(yōu)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(bǔ)成本高的因子，達(dá)到較好的綜合控制效果。
日本植物工廠環(huán)境控制的方法主要有以下兩大類：①過程控制?D?D反饋控制、ON-OFF控制、PID控制；②計(jì)算機(jī)控制?D?D分布式控制，分時(shí)集中控制，分層網(wǎng)絡(luò)化控制，最適化、適應(yīng)化和智能化控制。
新華網(wǎng)東京６月５日電 通訊：走進(jìn)日本“植物工廠”
新華社記者華義
在日本，一種被稱為“植物工廠”的新型生產(chǎn)方式正成為改變?nèi)毡緜鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的新亮點(diǎn)，它不但有望以更少的資源產(chǎn)出更多的蔬菜和糧食，還可為提高就業(yè)率作貢獻(xiàn)。
所謂“植物工廠”，是指在封閉的環(huán)境中，人工控制植物的生長環(huán)境，比如光、溫度、濕度、養(yǎng)分等，通過高水平的環(huán)境調(diào)節(jié)，全天候地批量生產(chǎn)蔬菜等植物。
千葉大學(xué)在“植物工廠”的技術(shù)研究開發(fā)中走在前列，據(jù)千葉大學(xué)教授丸尾達(dá)準(zhǔn)介紹，“植物工廠”目前主要分為“完全控制型”、“太陽光、人工光并用型”和“太陽光利用型”三種類型，新華社記者日前應(yīng)邀參觀了千葉大學(xué)和東京都府中市的完全控制型植物工廠。在這里，蔬菜像普通商品一樣被批量生產(chǎn)，讓人不禁驚嘆現(xiàn)代高科技農(nóng)業(yè)的力量。
小津公司是一家擁有３００多年歷史的造紙公司，由于傳統(tǒng)行業(yè)不太景氣，公司看好“植物工廠”的發(fā)展前景，轉(zhuǎn)而將公司的一處廠房改造為“植物工廠”的車間。在位于東京都府中市的“植物工廠”，我們看到的情景和傳統(tǒng)的蔬菜種植業(yè)完全不同，一排排蔬菜生長在高高的隔層架子上，這里的一切都是人工控制的，包括溫度、燈光、二氧化碳濃度等，在室內(nèi)無菌環(huán)境下，工人穿著特殊的防塵服，戴著口罩和手套在“種菜”，無土栽培的蔬菜綠油油的，長勢喜人，靜待收獲。
據(jù)介紹，這種蔬菜非常干凈，可以免洗、直接入口?，F(xiàn)場參觀的記者們還饒有興致地品嘗了新鮮的蔬菜，不少人還自掏腰包購買了一些，其價(jià)格和通常市場上的菜價(jià)差不多。
“植物工廠”以其可調(diào)控、高產(chǎn)出、高品質(zhì)等特點(diǎn)，近來備受矚目，這個(gè)項(xiàng)目也得到了日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省和農(nóng)林水產(chǎn)省的政策支持，其中包括對(duì)“植物工廠”建設(shè)、相關(guān)技術(shù)開發(fā)、人才培養(yǎng)和市場推廣等進(jìn)行財(cái)政補(bǔ)貼和支持。
目前，日本全國有４９個(gè)這樣的“植物工廠”。預(yù)計(jì)３年后，“植物工廠”的生產(chǎn)成本有望降到目前的三分之一，工廠數(shù)目則有望增加３倍。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，“植物工廠”將為人類提供越來越多的食物，這一技術(shù)將來也許能有助于緩解全球糧食短缺危機(jī)。
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